Les bandes continues, D-LFT se rencontrent dans un nouveau processus de moulage par compression

Un programme de recherche pluriannuel financé par l'État, supervisé par le ministère fédéral allemand de l'Éducation et de la Recherche (BMBF) et appelé System Integrated Multi-Material Lightweight Design for E-mobility (SMiLE), combinant des composites et des métaux non ferreux pour réduire la masse et les coûts de l'ensemble de la structure de carrosserie en blanc (BIW) d'un véhicule électrique à batterie (BEV). Le module de plancher arrière a été conçu en utilisant deux types de composites thermoplastiques ainsi que des profilés et inserts métalliques. (En savoir plus en CW ’s décembre 2018 Concentrez-vous sur le design. ) Afin de produire rapidement et à moindre coût ce plancher de chargement, un nouveau sous-processus de moulage par compression en une étape a été développé et une nouvelle technologie pour chauffer et consolider rapidement les rubans thermoplastiques a été utilisée.

Ruban UD + D-LFT

Le plancher de chargement arrière en composite hybride utilise des rubans thermoplastiques unidirectionnels (UD) et des composites thermoplastiques directs à fibres longues (D-LFT). Les rubans thermoplastiques ont fourni une rigidité/résistance élevée dans une structure mince et légère capable de résister à des charges de flambage élevées en cas de collision ; D-LFT a fourni la possibilité de former des géométries complexes, l'intégration fonctionnelle/la consolidation de pièces et la possibilité d'insérer des éléments de fixation métalliques dans le moule. Du polyamide 6 (PA6) D-LFT Ultramid B3K avec renfort en fibre de verre à 40 % en poids et huit couches d'Ultratape B3WG12 PA6 avec une charge en fibre de verre à 60 % en poids, toutes deux de BASF SE (Ludwigshafen, Allemagne).

Bien que le D-LFT puisse être moulé par injection ou par compression, et que les stratifiés de bande puissent être surmoulés par injection, les deux matériaux sont généralement moulés par compression - un processus automobile bien compris avec une capacité installée suffisante localement et mondialement pour soutenir l'objectif du programme SMiLE de 300 véhicules/jour .

Les bandes UD et D-LFT sont souvent combinées dans la même pièce de l'une des deux manières suivantes :les bandes sont ajoutées de manière sélective aux chemins de charge dans les structures à prédominance D-LFT qui nécessitent de meilleures propriétés mécaniques - une technique appelée D-LFT sur mesure, qui peut également utilisez des mèches de fibres continues au lieu de ou en combinaison avec des rubans - ou des rubans et D-LFT sont utilisés pour couvrir les côtés opposés d'une pièce. Dans la première technique, il est facile pour le D-LFT fluide de pousser les rubans minces hors de leur position pendant le surmoulage, ce qui nécessite l'utilisation de clips ou d'autre matériel à l'intérieur de l'outil pour maintenir la position du ruban. Bien qu'il soit moins coûteux d'utiliser sélectivement des bandes dans des structures à prédominance D-LFT, ces pièces ne sont pas aussi solides ou légères que celles qui utilisent un rapport plus élevé de bandes par rapport à D-LFT. Avec la deuxième technique, l'application de rubans et de D-LFT sur les côtés opposés d'une pièce, une meilleure intégration fonctionnelle/consolidation des pièces est obtenue du côté D-LFT et une rigidité/résistance plus élevée est obtenue du côté du ruban UD (voir « Thermoplastique hybride moulage :durcissement des composites automobiles"), mais la structure résultante est toujours relativement lourde et pas aussi rigide et solide qu'elle pourrait l'être.

Compte tenu de la nature critique pour la sécurité des planchers de chargement des véhicules et du désir des chercheurs de SMiLE d'utiliser l'intégralité du plancher de chargement arrière en composite thermoplastique pour absorber les énergies de collision (pas seulement avec des profilés métalliques montés sur les côtés axiaux du tout-métallique conventionnel ou du nouvel hybride- plancher de chargement composite), il était important de rendre le plancher de chargement arrière aussi rigide et solide que possible. Étant donné que les chercheurs devaient réduire à la fois le poids et le coût pour atteindre les objectifs du projet, voulaient garder le plancher de chargement mince tout en évitant le flambage lors de l'impact, et souhaitaient également ajouter des fonctionnalités à des emplacements clés (par exemple, des points de fixation pour les ceintures de sécurité de la deuxième rangée), ils ont développé un nouveau sous-processus de moulage D-LFT/compression où la majeure partie du plancher de chargement était constituée de ruban thermoplastique (préconsolidé dans un stratifié avant le moulage), le D-LFT étant appliqué de manière sélective uniquement là où des nervures et des géométries complexes étaient nécessaires, mais impossible à former avec des stratifiés de ruban seul.

L'équipe a également décidé d'essayer de produire le plancher de chargement arrière de 1,3 m sur 1,3 m en une seule étape à l'intérieur de la presse de moulage par compression. Pour atteindre tous ces objectifs, l'équipe avait besoin d'une combinaison d'outillages intéressants et innovants et d'un processus de formage séquentiel.

LFT local avancé sur mesure

La conception finale du plancher de chargement arrière est une structure à coque mince, presque en forme de filet, produite à l'aide de rubans UD préconsolidés dans un stratifié. De grandes ondulations sont incluses le long de l'axe longitudinal de la pièce pour une résistance élevée à faible masse et épaisseur. Cependant, les chercheurs savaient que ces ondulations seraient difficiles à mouler dans le grand stratifié. Pour assurer un bon drapage, une simulation a été utilisée pour concevoir le moule afin de vérifier la formation reproductible des ondulations (50 mm de haut sur 115 mm de large) et de minimiser le froissement. S'ils se trompaient et que les ondulations ne se moulaient pas correctement, le stratifié pourrait se froisser ou se déplacer hors du plan, et la force de liaison avec le D-LFT serait médiocre. Le prototypage virtuel a prédit que la meilleure séquence de formation était de l'intérieur/du centre vers l'extérieur vers les côtés, similaire à ce qui est généralement fait avec le drapage à la main. La seule façon d'effectuer un processus de formage séquentiel en une seule étape de moulage (où le stratifié n'était pas préformé en dehors de la presse principale) était d'utiliser l'action d'outillage (lames).

Les glissières sont courantes dans les outils de moulage par injection très complexes. Bien qu'ils ne soient pas inconnus dans le moulage par compression, ils sont moins courants et ont tendance à être beaucoup moins complexes lorsqu'ils sont utilisés. Les chercheurs ont conçu l'outil avec six cavités déplaçables (à l'aide de quatre glissières) pour former des ondulations et d'autres structures dans le stratifié, plutôt que de simplement les surmouler en D-LFT, ce qui aurait autrement ajouté une masse et une épaisseur importantes à la pièce.

Des travaux antérieurs sur la résistance interfaciale au niveau des joints stratifiés/nervures D-LFT avaient montré qu'une force d'adhésion supérieure était obtenue si, avant le surmoulage, le stratifié maintenait une température d'au moins 130 °C - en dessous du point de fusion de la matrice PA6 - et D -LFT a été livré à l'outil à 280°C, au-dessus du point de fusion du PA6. Pour empêcher le stratifié de refroidir trop rapidement contre l'outil avant que les charges D-LFT ne soient placées, les chercheurs l'ont posé sur des broches d'éjection complètement déployées du côté de la cavité de l'outil. Lorsque deux charges D-LFT ont été livrées, les broches d'éjection se sont abaissées et le moule a commencé à se fermer. Ensuite, les quatre glissières - dont trois actionnées à l'aide du système hydraulique de la machine, la quatrième actionnée par l'action d'un ressort - se sont étendues en séquence pour former le stratifié, y compris ses ondulations profondes. Une fois la presse complètement fermée, les structures de nervures D-LFT (dans un réseau complexe en forme de X) ont été formées. Les chercheurs ont appelé cette technique de formation séquentielle LFT locale avancée sur mesure.

Autre différence par rapport à la conception d'outils de compression conventionnels, le moule a été construit avec des bords de cisaillement uniquement dans les sections où le D-LFT s'écoulait vers un bord de pièce afin de mouler des charges sélectionnées de D-LFT fluide contre le stratifié de ruban non fluide qui constituaient la majeure partie de la structure.

Technologie de consolidation sous vide radio-induite

Une étape importante du processus pour garantir un comportement de formage reproductible et des performances mécaniques élevées dans la pièce finale est la consolidation de la bande. En chauffant rapidement les piles de rubans thermoplastiques juste avant le formage, les vides sont éliminés à l'intérieur et entre les plis et une excellente consolidation/imprégnation des fibres est obtenue. Pour éviter que cela ne soit une étape limitante, le processus a été adapté à la vitesse de la pose automatisée de ruban thermoplastique - une machine de pose de ruban Fiberforge RELAY de Dieffenbacher GmbH (Eppingen, Allemagne) a été utilisée - ainsi qu'aux cycles de moulage sur la compression presse, une presse Compress Plus DCP-G 3600/3200 AS de 3 600 tonnes, également de Dieffenbacher, utilisée pour former le plancher de chargement arrière.

Avant SMiLE, l'Institut Fraunhofer de technologie chimique (F-ICT, Pfitztal, Allemagne) - qui a dirigé le développement des planchers de chargement avant et arrière dans le programme plus large SMiLE, et a également aidé à développer le processus de moulage séquentiel LFT sur mesure avancé local avec d'autres programmes partenaires - avaient développé un processus innovant appelé technologie de consolidation sous vide induite par rayonnement pour consolider rapidement les piles de rubans UD en stratifiés qui ont ensuite été appliqués pour produire le plancher de chargement thermoplastique arrière. Dieffenbacher a depuis commercialisé le avec une machine appelée Fibercon. Le processus a été conçu pour réparer les défauts d'imprégnation des bandes, ce qui permet d'utiliser des bandes moins coûteuses tout en minimisant les vides dans les pièces finales. Cela implique d'appliquer de grandes quantités de chaleur infrarouge (IR) aux couches supérieure et inférieure de la pile de plis (la transmission se fait à travers des plaques de verre transparentes aux infrarouges sur lesquelles repose la pile de plis) tout en maintenant la pile entière sous vide. Cela élimine l'air, fait couler la résine et comble les espaces dans et entre les bandes. La chaleur n'est appliquée que pendant une courte durée, permettant aux rubans de se lier les uns aux autres et de se solidifier rapidement sans déplacer la pile de plis. Il a également été conçu pour une consolidation rapide et homogène de la pile de plis en un stratifié avec des propriétés élevées et cohérentes, rendant le comportement de formage reproductible et plus facile à simuler, et garantissant des propriétés mécaniques élevées dans la pièce finale. Une autre préoccupation était de savoir comment maintenir la chaleur dans le stratifié consolidé en route à la presse, pour assurer de bonnes propriétés de moulage sans gaspiller d'énergie pour réchauffer le stratifié avant le formage. Une fois consolidé, le stratifié maintenant fusionné est rapidement réchauffé avant d'être retiré de la machine et rapidement déplacé vers la presse pour le formage.

Séquence du processus final

La séquence de processus finale pour le plancher de chargement arrière a eu lieu sur quatre équipements, dont trois fonctionnent simultanément dans la cellule de travail.

Dans un premier temps, les bandes ont été automatiquement déposées en utilisant des orientations déterminées par simulation via un système de pose de bandes Fiberforge RELAY. Une table d'indexation facilite la pose du ruban dans pratiquement n'importe quelle orientation sur chaque couche de la pile de plis. Des bandes individuelles sur chaque couche sont légèrement collées à la couche inférieure par soudage par points, et la couche inférieure est maintenue en place pendant la pose par vide. Étant donné que le ruban est coupé individuellement pour chaque morceau de chaque couche, il y a un minimum de déchets et un minimum de coupe post-moulage est nécessaire. Le système peut également disposer des trous/fenêtres dans la pile en coupant les bords du ruban avant le serrage, ce qui réduit le rognage post-moulage et réduit encore les rebuts et les coûts.

Ensuite, la pile de plis a été déplacée de la machine Fiberforge RELAY vers la machine Fibercon et placée entre les plaques de verre de cette unité. À la fermeture de l'unité, un vide a été appliqué sur la pile et de la chaleur infrarouge a été projetée pendant une courte période à travers les plaques supérieure et inférieure, chauffant rapidement la matrice PA6 au-dessus de son point de fusion (~ 230 °C), faisant couler la résine et éliminant les vides. Le stratifié a ensuite été refroidi en dessous de la température de cristallisation de la résine (~180 °C), consolidant les bandes individuelles en un seul stratifié.

Dans la presse à compression maintenant ouverte, qui venait d'éjecter sa partie précédente, les broches d'éjection ont été laissées de côté et les chercheurs ont chargé manuellement deux profilés en aluminium et plusieurs inserts métalliques dans la partie supérieure/noyau de l'outil en attendant l'arrivée de la prochaine série de matériaux.

Le stratifié encore chaud dans le Fibercon a de nouveau été chauffé au-dessus du point de fusion du PA6, l'unité a été ouverte et le stratifié a été transféré dans la presse à compression ouverte. Étant donné que l'air est un conducteur thermique moins bon que l'acier, le stratifié a ensuite été posé sur des broches d'éjection complètement déployées du côté de la cavité de l'outil pour aider à retenir la chaleur dans le stratifié avant l'arrivée des charges D-LFT.

Pendant que les bandes étaient déposées et consolidées, le matériau D-LFT voisin était composé à l'aide de deux extrudeuses (le système de composition en ligne de Dieffenbacher). La première extrudeuse combinait la résine et les additifs tandis que la seconde hachait la fibre à la longueur souhaitée, puis combinait la résine/les additifs avec la fibre pour produire des charges pré-pesées entièrement mélangées de D-LFT chaud qui étaient ensuite livrées à la presse de compression. Dans le cas du plancher de chargement, deux charges D-LFT ont été placées sur le stratifié lorsqu'il a été abaissé vers l'outil en rétractant les broches d'éjection.

Avec les charges D-LFT les plus chaudes posées sur le stratifié plus froid, la presse a commencé à se fermer tandis que les quatre glissières se déployaient en séquence pour préformer le stratifié avant la fermeture complète de l'outil. L'application séquentielle des glissières a empêché le froissement du stratifié lorsque des caractéristiques 3D, y compris des ondulations, se sont formées. Une fois l'outil supérieur fermé, le stratifié de bande a été entièrement formé et les charges D-LFT chaudes ont été moulées à 1430 MT dans des structures en treillis nervuré. La pièce complète, avec des inserts métalliques entièrement intégrés, a ensuite été éjectée après ouverture de la presse.

Dans un environnement de production, toute la manipulation des matériaux serait effectuée à l'aide de robots à portique équipés de pinces à aiguilles, mais pour le programme de recherche SMiLE, cela a été fait à la main. Pour le programme de recherche, le cycle de moulage total était de 240 secondes, ralenti par le moulage des nervures épaisses du plancher de chargement. Les chercheurs pensent que dans un environnement de production, ils pourraient obtenir des temps de cycle inférieurs à 100 secondes avec d'autres modifications de l'outillage, et qu'ils pourraient les réduire encore plus si le stratifié était préformé avant le placement dans la presse.