熱可塑性オーバーモールドされた熱硬化性樹脂、2分サイクル、1セル

熱成形および射出部表面上リブ、クリップボスをオーバーモールド - - 熱可塑性テープおよびそれに続くハイブリッド成形品の予備成形の自動化は、自動車のような高容量用途で製造複合将来として歓迎されています。しかし、それが可能だったものならば、炭素繊維強化エポキシ部品の高性能な射出成形の特徴の熱可塑性樹脂および機能性の靭性を組み合わせるために？

これは2018年に終了した3年間のプロジェクトOPTO-ライトは、答えに出て設定したものです。レーザのような光ベースの技術 - - 軽量構造物の大量生産のためのそれは、フォトニクスを開発する戦略の一環として、ドイツの連邦教育研究省（BMBF）が資金提供しました。プロジェクトは軽量素材、生産技術やアプリケーションを開発するための8つの研究機関と協力して企業のための1つのキャンパスを提供アーヘン工科大学の統合ライトの建設のためのアーヘンセンター（AZL）（アーヘン、ドイツ）に授与されました。」

OPTO-ライトの明白な成果は、高剛性、軽量性と熱可塑性オーバーモールドの設計および低サイクル時間の高い自由度を有するエポキシ系炭素繊維強化プラスチック（CFRP）の低いクリープを組み合わせています。しかし、これには、ただ一つのプロジェクトが実現した無数の潜在的な複合材料業界撹乱のです。

開発
3つの技術の統合 - 反応性ポリマー加工、レーザ加工、オーバーモールド - 単一、速いサイクル時間に電池の製造
横長プリプレグ圧縮成形（HPCM）
のためのすべての要件を統合した単一の回転金型の開発プリプレグ圧縮成形との熱可塑性オーバーモールディング;
光学部品レーザー前処理の重要な位置合わせのための方法論を参照するとフリーフォーム3D表面に沿ってオーバーモールド

デモ 2分のサイクル時間で電気自動車のライフモジュールます。

実際、プロジェクトの2018年4月の最終報告書は、この技術は、ウェット圧縮成形とクリップ（図2参照）のための単一onsertsの接着剤結合を使用して、現在の生産対30％にまですることにより、自動車のCFRP部品コストを低減させることができると主張している。

<強い>熱可塑性の熱硬化パートナーを

なぜ、熱硬化性複合部品に熱可塑性のオーバーモールドに参加？「エポキシ樹脂で作られた熱硬化性CFRP部品は車体のアプリケーションのための最良の特性を提供し、」AZLのリサーチエンジニアリチャードScharesがアサートされます。熱可塑性複合リブをオーバーモールドすることは、したがって必要な炭素繊維の量を減少させる、一部の設計剛性（断面係数）を増加させます。「CFRPシェルと同等の厚リブを使用して、OPTO-ライトデモ部分の曲げ剛性を特定の三倍にすることができ、」と彼は付け加えました。さらに提供することにより、部品コストを低減することができるオーバーモールド成形イン取付クリップやボス同時に炭素繊維と金属留め具の間のガルバニック腐食を防止するために絶縁を提供しながら、ねじ用。

このように、目的は定義されましたが、問題は、単一の成形セル内の両方の材料を組み合わせる方法でした。 Scharesは、業界パートナーを選択した方法を説明します。「BMWは、CFRP部品の量産で最も経験をしました。クラウス=マッファイは、それにColorForm多成分射出成形機とFiberFormハイブリッド成形機等の組み合わせ技術を、作成に非常に積極的であった。」

OPTO-ライトデモの一部は、BMWの130ミリ深部のi3ののことで317ミリワイドで470ミリ長さでしたホイールウェルの端壁を含めたライフ・モジュールの床、。「このコンポーネントの荷重ケースがクラッシュした場合に良好な剛性と強度特性を必要とし、」Scharesは説明しています。「我々はまた、形状の複雑さを望んでいたと水平プリプレグ圧縮成形、レーザーアブレーションを証明するためにドレープと自由曲面に沿ってオーバーモールド。」

のなぜフォトニクス？を

ドイツがあるため、製造の現在のグローバルデジタル変換に重要な役割をitplaysのフォトニクス技術の開発を継続するための長期戦略に資金を提供しています。フォトニクスは、自動繊維配置、熱可塑性樹脂、精密加工や各種3D印刷プロセスのレーザ溶接だけでなく、センサーおよび計測のためのビジュアル通信などの高度な処理だけでなく、有効ため、複合材料産業は、プロセスが監視とインライン検査、メモを取るべきです。 OPTO-光の中で、近赤外（NIR）レーザは、オーバーモールドのための前処理面に使用しました。加えて、レーザーベースのセンサの様々なプロセス制御とインライン品質保証（QA）のためのデータを提供した。

最後の4 OPTO-ライトパートナーは、ドイツのフォトニックシステムのサプライヤーです。まず、アルジェシュ（Wackersdorf）、レーザ加工に使用される3Dスキャナの専門家です。「それは一般的に、革新的なレーザースキャンシステムを開発し、レーザーを配置し、偏向する加工工業材料および医療用途において梁、」Schares氏は述べています。「アンArgesのダブルビームユニットは、アブレーション及び加熱のために開発されました。プレシテック（Gaggenauの）は、プロセス全体を通してアブレーションおよび部分参照時に使用される距離を測定するための干渉センサを供給する。 Sensortherm（シュルツバッハ）は、プロセス制御を支援高温計（温度センサ）を設け、及びカールツァイスOptotechnik（以前シュタイン、ノイボイアーン）はQA用T-スキャンレーザスキャナに貢献しました。「それは、部品形状を測定し、潜在的な変形を検出し、」Scharesは説明しています。「それは、このような完全にCFRPシェルに結合していないオーバーモールドリブなどの欠陥を、表示されます。」これらのシステムの全ては、の多機能レーザースキャナのに統合されています 6軸クカ（アウクスブルク、ドイツ）ロボットアームの端部に取り付けられている（図2）。

の HP-RTMプリプレグテープへの

最初のアイデアは、C-RTM、また、プラスチック加工のIKV研究所によって開発されたギャップ含浸、として知られている高圧樹脂トランスファー成形（HP-RTM）のようなものを用いてエポキシCFRP部品を作ることでした。しかし、この間、自動テープベースのプロセスは、切削屑30％減少を報告して提供し、noncrimpファブリック（NCF）の液体成形に挑戦し始めました。スナップ硬化液状エポキシ樹脂はまた、1〜2分の電位サイクル時間で、魅力的な圧縮成形を行う、プリプレグ材料に拡大した。

四つの一方向性プリプレグは、デモンストレータのシェルを評価しました。これらは、2DはBroetje・オートメーションの（Rastedeの、ドイツ）STAXXテープ配置セルを使用して空白を合わせて、ネット状に変換した。

成形されたCFRPシェルは次いで、ランクセス（ケルン、ドイツ）Durethan BKV 30 H2.0 901510. Aクラウス=マッファイCXW-200から380/180スピンフォーム注入を使用して30％の短ガラス繊維強化ポリアミド6（GF / PA6）でオーバーモールドされます成形機は、光ライト製造セルの基礎として選択されたとAZLに設置しました。それは多成分射出成形を可能にするために開発されたスイベルプラテン技術を備えています。

Epoxyのプリプレグ圧縮成形及び熱可塑性射出オーバーモールディング - 旋回プラテンに取り付けられた金型は2つの異なるプロセスのための2つの異なる成形キャビティを形成するために使用されました。「誰も前に、このようなツールを作成していない、」Scharesは指摘します。 BMWとクラウス=マッファイ射出成形ツールのための標準的な詳細、ならびに、、、異なる温度ゾーンに許容誤差を含め、両方のプロセスのための要件の全てを確定精度を回すと熱硬化性樹脂用シール何週間過ごした。

のレーザーアブレーションと一部の参照を

圧縮成形プロセスから得られたエポキシCFRPシェルは十分に異なる材料間の強度を参加達成する前に、熱可塑性オーバーモールディングに扱われなければなりません。レーザアブレーションオファー環境に優しい、単一ステップのプロセスは、機械的又は化学的な前処理と比較して、3次元の表面に沿って部品にリブを接合するのに特に適し、正確な切除深さおよび経路を可能にします。アブレーション法は、局所的に、エポキシ樹脂の最10ミクロンの厚さの層を除去することにより、炭素繊維を露出させることを伴います。これは、表面をクリーニングし、オーバーモールド化合物が濡れ露出繊維に浸透することを可能にする微細構造を生成する。

多機能レーザスキャナは、ナノ秒パルスで1.064ナノメートルの波長を有するレーザ光を出射します。「あなたは高い強度を必要とし、脈動が最も効率的にこれを達成し、」Scharesは説明しています。「我々は、連続波レーザを試みたが、それは、繊維 - エポキシ接着を減少させる、接合ゾーン以下の複合積層体にあまりにも多くの熱応力を導入します。工業環境での遠隔処理のために使用することができるプロセスの適切なビーム源を容易ではなかった見つける。」

オーバーモールドリブが前処理領域と一致しなければならないため、アブレーションプロセスは、高い位置決め精度を必要とします。オーバーモールドされたガラス繊維/ PA6複合材料のその後の配置は厳密に型ツールで定義されています。したがって、必要な部分の参照方法は、AZLによって開発されました。「前処理ジオメトリとオーバーモールド化合物との間のオフセットは300ミクロン未満であるべきです。このように、レーザスキャンフィールド（工具中心点）の中心点のための精度は、基準点に対して150ミクロンの範囲内でなければなりません。これは、レーザー前処理2分未満のサイクルタイムと同様に、達成されました。「非常に重要なのは、ロボットとレーザービームのための経路生成を開発する生産技術のためのフラウンホーファー研究所（IPT）による予備作業だった - これは簡単ではありませんでした」とSchares氏は述べています。システムは、実際にその勇気を証明した - 。試験結果は、GF / PA6オーバーモールドエポキシCFRP基板との間の27 MPaでの剪断強さを示した。

の短いプロセスルートする

最初のプロセスの利点は、文書化されていたとしてもとして、OPTO-ライトチームは、レーザー前処理を排除することが可能であったが実現しました。この2段階のプロセスは、部分的にのみエポキシプリプレグシェルを硬化し、熱可塑性オーバーモールドとの付着を達成するために、エポキシ樹脂中に残存する反応を使用します。 3つの潜在的なメカニズムは、未硬化エポキシ樹脂とPA6との接合のために存在する：

反応性エポキシ環とPAのアミン基との間の共有結合;
供与体および受容体として、エポキシの酸素などのアミンの水素と水素結合
PA分子鎖の高温モビリティによって可能な拡散効果によるセミ相互侵入網目ます。

この2段階のプロセスの利点は、Scharesは言う、「あなたは前処理をスキップすることができるということですが、必要なプロセス制御がはるかに挑戦し、表面品質が高光沢としてではありません。しかし、生産の簡素化により、部品コストの更なる低減は、非常に魅力的である。」

このプロセスルートへの鍵は、プロセス監視です。「あなたは、硬化状態についての知識が良いを達成するために確認する必要がありますので、プリプレグ圧縮成形プロセスの中を見た熱可塑性オーバーモールディングで加入しなければなりません」と彼は説明しています。この硬化状態監視が良好で、金型直流抵抗（DCR）及び誘電解析（DEA）センサなどのように、金型内の圧力および温度センサを使用することによって達成された。

DCRとDEAがcomposites.In OPTO-照らして監視硬化に十分に確立され、DCR / DEAプロセス制御は、耐久性のある16ミリDCRセンサとのOptiViewソフトウェアを含むSynthesites（Uccleの、ベルギー）からOptimoldシステムを含みます。 Optimoldモニター樹脂の電気抵抗および温度210まで°Cおよび1ヘルツのサンプリングレートで90バールの圧力。 Netzsch社Gerätebau（Selbの、ドイツ）からDEA288イプシロン解析装置は、4ミリメートルセラミックmonotrode及びプロテウス・ソフトウェアを含みます。キスラーインスツルメンツ（ヴィン、スイス）射出成形最適化のためのデータフローソフトウェアは別の重要な要素である。

プロセス、金型内部のプリプレグプリフォームの固定で始まり、注入オーバーモールドキャビティからの吐出で終わるは、DCR / DEAセンサ信号によって記載されています。これらのデータは、硬化完了とオーバーモールドするための射出成形にピボット前に圧縮成形に最適な硬化時間を決定するために重要です。最適な部品の品質のための処理中に材料を特徴づけるために、センサのヘルプ。将来的には、プロセスは、DEAとDCRセンサ信号によってトリガ旋回工程と、適応インテリジェントであってもよい。

最初の試験は、² 9 N / mmでのプルオフ強度を示しますエポキシ-PA6のためにさらに高いせん断強度は、この第2の、より短いOPTO-光処理経路を使用して参加します。作業は、これがプロセス監視のさらなる使用を含む強度を、参加改善するために進行中です。チームはまた、水平プリプレグ圧縮成形は、もはや独立したプロセスであるワンステップ・プロセスを模索しているが、代わりにオーバーモールドと同時に達成される。

の将来の混乱のためのハイブリダイゼーションの

破壊のためOPTO-ライトの電位は、プロジェクトの2018年最終報告書は、一連の自動車生産で金属とコストのパリティを達成するための複合材料のために、最大化するだけでなく、必要があると主張している2017年の研究と科学カテゴリのAVKイノベーション賞で認められました部品における機能の統合だけでなく、それらの部品を製造するために使用されるプロセスの統合。 OPTO-光は両方を有効フォトニクスベースの計測、表面処理及び熱可塑性/熱硬化性成形などの技術のアレイを開発しました。これらの技術はまた、増強射出成形にレーザ加工などのさらなるハイブリッドプロセス、への扉を開きます。「成形セルに開発レーザーツールを統合することにより、今射出成形機内ポリマープロセス間または後に、レーザーアブレーション、切断、前処理または前の加熱を実行する可能性を持っている、」Scharesは説明します。「これは、将来の部品の機能を拡大します。」

単一作業セルに複数の製造プロセスを組み合わせるというアイデアは、複合材料で勢いを増しています。例えば、CNC機メーカーの多くが今添加剤の製造およびサブトラクティブ・CNC加工を組み合わせた細胞を提供します。 MFテック（アルジヤンタン、フランス）を合わせたが3Dフィラメントワインディング そして、CNC加工、および共同創設者エマニュエルFlouvatは接合熱可塑性樹脂のための超音波またはレーザ溶接機、または一方向性テープの局所パッチを適用する自動繊維配置ヘッドにエンドエフェクタを切り替えることができるロボットを用いて、さらなるハイブリダイゼーションを確認します。「ロボット誘導レーザシステムを統合することにより、さらにインライン組み合わせ技術の定義のための『ツールボックス』が拡張され、」Scharesは言います。これは間違いなくすぐに最終製品にエレクトロニクスを統合しないことを製造する自動化され、マルチプロセス複合に向けて、この事前に前進別の重要なステップです。

ハイブリダイゼーションOPTO-ライト申し出最後のレッスンは、そのパートナーシップです。例えば、フォトニクス、反応性ポリマー、射出成形、計測 - - そしてそれらは効果の共通の理解を開発し、推進は「このプロジェクトを管理する上で最も興味深いの課題は、独自の専門知識を持つそれぞれを異なるパートナーのすべてを取る方法でしたこの単一プロセスチェーンを成功させるために、各操作の、」Schares氏は述べています。代替レーザ光源用のレーザー統合のためのIKV射出成形、IKV反応ポリマー、溶接・接合のためのISF、フラウンホーファーIPTとフラウンホーファーILT - 彼は、専門知識とサポート5つのパートナー機関による貢献の重要性を強調します。「このプロジェクトは、効率的に低減、コストの複合材料の生産のための技術的課題を解決するために、このような学際的発展の能力を実証し、」Schares氏は述べています。また、さらに破壊的技術のための基礎を築いた。

OPTO-光の映像がhttps://youtu.be/b9HmgnuGQY0でプロセスを統合監視します。

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