連続テープ、D-LFTが新しい圧縮成形プロセスで出会う

ドイツ連邦教育研究省（BMBF）が監督し、E-モビリティのためのシステム統合マルチマテリアル軽量設計（SMiLE）と呼ばれる、複合材料と非鉄金属を組み合わせて質量とコストを削減する、複数年にわたる公的資金による研究プログラムバッテリー式電気自動車（BEV）のホワイトボディ（BIW）構造全体。リアフロアモジュールは、2種類の熱可塑性複合材料に加えて、金属プロファイルとインサートを使用して設計されました。 （詳細については、 CW をご覧ください。 の2018年12月 デザインに焦点を当てる。 ）このロードフロアを迅速かつコスト効率よく製造するために、新しいワンステップ圧縮成形サブプロセスが開発され、熱可塑性テープを迅速に加熱して固める新しい技術が使用されました。

UDテープ+ D-LFT

ハイブリッド複合材のリアロードフロアは、一方向（UD）熱可塑性テープと直接長繊維熱可塑性（D-LFT）複合材を使用しています。熱可塑性テープは、衝突時の高い座屈荷重に耐えることができる薄くて軽量な構造で高い剛性/強度を提供しました。 D-LFTは、複雑な形状を形成する機能、機能の統合/部品の統合、および金属製のアタッチメント機能を挿入成形する機能を提供しました。 BASF SE（ルートヴィヒスハーフェン、ドイツ）のUltramid B3Kポリアミド6（PA6）D-LFT（40 wt％グラスファイバー補強材）と8層のUltratape B3WG12 PA6（60 wt％グラスファイバーローディング）を使用しました。

D-LFTは射出成形または圧縮成形が可能で、テープラミネートは射出オーバー成形が可能ですが、どちらの材料も一般に圧縮成形されます。これは、SMiLEプログラムの目標である300台/日をサポートするのに十分なローカルおよびグローバルな設置容量を備えた、よく理解されている自動車プロセスです。 。

UDテープとD-LFTは、多くの場合、次の2つの方法のいずれかで同じ部分に結合されます。どちらのテープも、より優れた機械的特性を必要とする主にD-LFT構造のロードパスに選択的に追加されます。これは、テーラードD-LFTと呼ばれる手法です。テープの代わりに、またはテープと組み合わせて、連続ファイバーロービングを使用します。または、テープとD-LFTを使用して部品の反対側を覆います。最初の手法では、流動性のあるD-LFTを使用すると、オーバーモールド中に薄いテープを簡単に押し出して、テープの位置を維持するためにツール内のクリップやその他のハードウェアを使用する必要があります。主にD-LFT構造でテープを選択的に使用する方がコストは低くなりますが、そのような部品は、D-LFTに対するテープの比率が高い部品ほど強力でも軽量でもありません。 2番目の手法では、パーツの反対側にテープとD-LFTを適用すると、D-LFT側でより優れた機能統合/パーツ統合が実現され、UDテープ側でより高い剛性/強度が実現されます（「ハイブリッド熱可塑性プラスチック」を参照）。成形：自動車用複合材料の強化」）が、結果として得られる構造は依然として比較的重く、剛性や強度はそれほど高くありません。

車両のロードフロアのセーフティクリティカルな性質と、SMiLEの研究者は、熱可塑性複合材のリアロードフロア全体を使用して衝突エネルギーを吸収したいと考えています（従来のオールメタリックまたは新しいハイブリッドの軸側に取り付けられたメタリックプロファイルだけでなく、複合荷重床）、後部荷重床を可能な限り堅く強くすることが重要でした。研究者は、プロジェクトの目標を達成するために重量とコストの両方を削減する必要があり、衝撃時の座屈を避けながら荷台を薄く保ち、重要な場所（2列目シートベルトの取り付けポイントなど）に機能を追加する必要があるため、開発しました新しいD-LFT /圧縮成形サブプロセスでは、ロードフロアのほとんどが熱可塑性テープ（成形前にラミネートに事前に統合）であり、リブと複雑な形状が必要な場合にのみD-LFTが選択的に適用されますが、テープラミネートでは成形できません一人で。

チームはまた、1.3 x1.3mのリアロードフロアをシングルステップで作成することを決定しました。 圧縮成形プレスの内部。これらすべての目標を実現するために、 チームは、興味深く革新的なツールと順次成形プロセスの組み合わせを必要としていました。

ローカルの高度なテーラードLFT

リアロードフロアの最終的な設計は、ラミネートに事前に統合されたUDテープを介して生成された薄いシェルのニアネットシェイプ構造です。部品の縦軸に沿って大きな波形が含まれているため、低質量と低厚さで高強度が得られます。しかし、研究者たちは、これらの波形を大きなラミネートに成形するのは難しいことを知っていました。良好なドレープを確保するために、シミュレーションを使用して金型を設計し、波形（高さ50 mm、幅115 mm）の再現性のある成形を検証し、しわを最小限に抑えました。それらが間違っていて、波形が正しく成形されなかった場合、ラミネートにしわが寄ったり、面からずれたりする可能性があり、D-LFTとの接着強度が低下します。仮想プロトタイピングでは、通常、手のレイアップで行われるのと同様に、最適な成形シーケンスは内側/中央から外側に向かって外側に向かっていると予測されました。 1つの成形ステップ（メインプレスの外側でラミネートが事前成形されなかった場合）で連続成形プロセスを実行できる唯一の方法は、金型アクション（スライド）を使用することでした。

スライドは、非常に複雑な射出成形ツールでは一般的です。圧縮成形では前例のないことではありませんが、あまり一般的ではなく、使用するとはるかに複雑ではなくなる傾向があります。研究者は、D-LFTで単にオーバーモールドするのではなく、6つの変位可能なキャビティ（4つのスライドを使用）を使用してツールを設計し、波形やその他の構造をラミネートに形成しました。

ラミネート/ D-LFTリブ接合部の界面強度に関する初期の研究では、オーバーモールド前に、ラミネートが少なくとも130°C（PA6マトリックスの融点より低い）の温度を維持した場合に優れた接着強度が達成されることが示されていました。 -LFTは、PA6の融点を超える280°Cでツールに送られました。 D-LFTチャージを配置する前に、ラミネートがツールに対して急速に冷却されないようにするために、研究者は、ツールのキャビティ側にある完全に伸びたエジェクターピンにラミネートを配置しました。 2つのD-LFTチャージが供給されると、エジェクターピンが下がり、金型が閉じ始めました。次に、4つのスライド（うち3つは機械の油圧システムを使用して操作し、4つ目はばねの作用で操作）を順番に伸ばして、深い波形を含むラミネートを形成しました。プレスが完全に閉じられると、D-LFTリブ構造（複雑なX字型の格子）が形成されました。研究者は、このシーケンシャルフォーミング技術をローカルの高度に調整されたLFTと呼びました。

従来の圧縮ツールの設計からの別の逸脱では、金型は、D-LFTが部品のエッジに流れたセクションでのみせん断エッジを使用して構築され、構造。

放射線誘発真空圧密技術

最終部品で再現性のある成形挙動と高い機械的性能を確保するための重要なプロセスステップは、テープの統合です。成形直前に熱可塑性テープスタックを急速に加熱することにより、プライ内およびプライ間のボイドが排除され、優れた圧密/繊維含浸が実現されます。これが律速段階にならないようにするために、プロセスは、自動化された熱可塑性テープレイアップの速度（Dieffenbacher GmbH（Eppingen、Germany）のFiberforge RELAYテープ敷設機を使用）および圧縮の成形サイクルに合わせました。プレス、3,600トンのCompress Plus DCP-G 3600/3200 ASプレス、これもDieffenbacher製で、後部荷台の形成に使用されました。

SMiLEの前は、フラウンホーファー化学技術研究所（F-ICT、Pfitztal、ドイツ）—大規模なSMiLEプログラムでフロントおよびリアロードフロアの開発を主導し、他のプログラムでローカルの高度なテーラードLFTシーケンシャル成形プロセスの開発も支援しましたパートナー— UDテープスタックをラミネートに迅速に統合するための放射線誘導真空統合技術と呼ばれる革新的なプロセスを開発し、その後、後部熱可塑性プラスチックロードフロアを製造するために適用されました。それ以来、DieffenbacherはFiberconと呼ばれる機械で商品化しています。このプロセスは、テープの含浸欠陥を修復するように設計されています。これにより、最終部品のボイドを最小限に抑えながら、より安価なテープを使用できます。これには、スタック全体を真空下に保ちながら、プライスタックの最上層と最下層に大量の赤外線（IR）熱を加えることが含まれます（透過は、プライスタックが置かれているIR透過ガラスプレートを介して行われます）。これにより、空気が除去され、樹脂が流れ、テープ内およびテープ間の隙間が埋められます。熱は短時間しか加えられないため、テープが互いに接着し、プライスタックを動かさずにすばやく固化することができます。また、プライスタックを高速で均一に統合して、全体にわたって高い一貫性のある特性を備えたラミネートにするように設計されているため、成形動作の再現性とシミュレーションが容易になり、最終部品で高い機械的特性が確保されます。もう1つの懸念は、統合されたラミネートの熱を途中で維持する方法でした。 プレスに、成形前にラミネートを再加熱するためのエネルギーを無駄にすることなく、良好な成形特性を確保します。固化すると、溶融したラミネートは、機械から取り出される前にすばやく再加熱され、成形のためにプレスにすばやく移動されます。

最終プロセスシーケンス

後部荷台の最終プロセスシーケンスは、4つの機器で行われ、そのうち3つは作業セルで同時に動作します。

まず、Fiberforge RELAYテープ敷設システムによるシミュレーションによって決定された方向を使用して、テープが自動的に敷設されました。インデックステーブルを使用すると、プライスタックの各レイヤーに実質的に任意の方向にテープを簡単に配置できます。各層の個々のテープは、スポット溶接によって下の層に軽く固定され、最下層は真空によるレイアップ中に所定の位置に保持されます。テープは各層の各部分に個別にカットされるため、無駄が最小限に抑えられ、成形後のトリミングが最小限に抑えられます。このシステムは、タックダウンの前にテープの端をトリミングすることでスタックに穴や窓を配置することもできます。これにより、金型後のトリミングが減り、スクラップとコストがさらに削減されます。

次に、プライスタックをFiberforge RELAYマシンからFiberconマシンに移動し、そのユニットのガラスプレートの間にセットしました。ユニットが閉じると、スタックに真空が引かれ、IR熱が上部プレートと下部プレートに短時間放出され、PA6マトリックスが融点（約230°C）を超えて急速に加熱され、樹脂が流れてボイドが除去されました。次に、ラミネートを樹脂の結晶化温度（〜180°C）未満に冷却し、個々のテープを1つのラミネートに統合しました。

前の部品を排出したばかりの現在開いている圧縮プレスでは、エジェクターピンが省略され、研究者は次の材料のラウンドが到着するのを待つ間、2つのアルミニウムプロファイルといくつかの金属インサートをツールの上部/コア側に手動でロードしました。

Fibercon内のまだ熱いラミネートを再びPA6の融点以上に加熱し、ユニットを開いて、ラミネートを開いた圧縮プレスに移しました。空気は鋼よりも熱伝導率が低いため、D-LFTチャージが到着する前にラミネート内の熱を保持するために、ツールのキャビティ側にある完全に伸びたエジェクターピンにラミネートを配置しました。

テープを敷設して固めている間、近くのD-LFT材料は、2つの押出機（Dieffenbacherのインラインコンパウンダーシステム）を使用してコンパウンドされていました。最初の押出機は樹脂と添加剤を組み合わせ、2番目の押出機は繊維を希望の長さに切り刻み、次に樹脂/添加剤を繊維と組み合わせて、完全に混合され、事前に計量された高温のD-LFTを生成し、圧縮プレスに送りました。ロードフロアの場合、エジェクターピンを引っ込めてツールに降ろすときに、2つのD-LFTチャージがラミネートに配置されました。

より高温のD-LFTチャージがより低温のラミネートに付着すると、4つのスライドが順番に展開されてプレスが閉じ始め、ツールが完全に閉じる前にラミネートが事前に成形されました。スライドを順次適用することで、波形を含む3Dフィーチャーが形成されるときに、ラミネートのしわが防止されました。上部ツールが閉じると、テープラミネートが完全に形成され、高温のD-LFTチャージが1,430MTでリブ付き格子構造に成形されました。完全に統合された金属インサートを備えた完全な部品は、プレスが開いた後に排出されました。

実稼働環境では、すべてのマテリアルハンドリングはニードルグリッパーを備えたガントリーロボットを使用して行われますが、SMiLE研究プログラムでは手作業で行われました。研究プログラムでは、総成形サイクルは240秒でしたが、荷台の厚いリブを成形することで速度が低下しました。研究者は、生産環境では、工具をさらに変更することでサイクルタイムを100秒未満にすることができ、プレスに配置する前にラミネートを事前に成形すると、サイクルタイムをさらに短くできると考えています。