HP Composites’in AirPower teknolojisi, Maserati MC20 için %50 enerji tasarrufu ile yüksek hızlı CFRP çatı üretimine olanak sağlıyor.
Yüksek performanslı otomotiv üretimi alanında, karbon elyaf takviyeli plastik (CFRP) bileşenler, optimum güç-ağırlık oranlarına ulaşmak ve sıkı verimlilik gereksinimlerine uymak için giderek daha önemli hale gelmiştir. Bununla birlikte, otoklav kürleme gibi geleneksel CFRP üretim yöntemleri, otomotiv üretim hızları, tutarlılık ve maliyet etkinliği taleplerini karşılamakta genellikle zorlanmaktadır. HP Composites (Ascoli Piceno, İtalya) bu zorlukların üstesinden gelmek için tescilli AirPower teknolojisini geliştirmiştir.
AirPower, kese destekli sıkıştırmalı kalıplama (BACM) prensiplerinin bir türevini özel malzeme bilimi ve süreç kontrolü ile entegre ederek, Maserati (Modena, İtalya) MC20 süper otomobilinin karmaşık CFRP tavanının yılda 1.500 adetlik bir hızda başarıyla üretilmesini sağladı ve niş, otomotiv ölçeğinde üretim hızlarında karmaşık, yüksek kaliteli kompozit bileşenler sunma yeteneğini gösterdi.
Otomotiv uygulamaları için BACM’nin geliştirilmesi
AirPower teknolojisi, %67’ye kadar elyaf hacmi içeriğine ve %0,2’ye kadar düşük boşluklara sahip havacılık sınıfı kompozit yapılar üretme kabiliyetini kanıtlamış olan BACM’nin kanıtlanmış avantajları üzerine inşa edilmiştir. BACM sürecinin özü, kompozit laminat ve tüm üretim süreci boyunca özel basınç kontrolünün uygulanmasını sağlayan bir pres kalıbı içinde şişirilebilir bir kese sisteminin kullanılmasında yatmaktadır.
Geleneksel BACM makineleri, üst ve alt bölümleri olan metalik bir pres kalıbı ve üst bölümde alt bölüm için karşı kalıp görevi gören şişirilebilir bir keseden oluşur. HP’nin AirPower teknolojisi, bölünmüş bir alt kalıp tasarımı ve bir kese ile bir vakum torbasının işlevlerini birleştiren özel bir esnek karşı kalıp sunarak bu tasarımı geliştirir. Bölünmüş alt kalıp, alt yarısı ısıtılmış yüzey olarak hizmet veren metalik bir yapı ve üst yarısı çıkarılabilir, ince bir CFRP kabuk olmak üzere üst ve alt bölümlerden oluşur. Bu yenilikçi tasarım, alt kısmı kürleme sıcaklığında tutarken kürlemeyi başlatmadan üst bölüme prepreg kat yerleştirilmesine olanak tanır. Kabuğun CFRP yapısı, üretilen parçalarla eşleşen termal genleşme katsayısı sayesinde uygun termal ve artık stres yönetimi sağlar. İnce CFRP kabuğa monte edilen esnek karşı kalıp, kalıp kapatıldığında alt kalıbın dış kenarına sızdırmazlık sağlar ve üretim sırasında esnek karşı kalıbın üst kısmında hava basıncı ve alt kısmında vakum sağlanmasına olanak tanır.
HP Composites Ar-Ge proje yöneticisi Vincenzo Castorani şöyle açıklıyor: “Alt kalıbın alt kısmı parçanın kürleme sıcaklığında tutulurken üst CFRP bölümü ısı kaynağından ince bir termal ayırıcı görevi görerek hazır olana kadar kürleme işlemine başlamadan parçayı lamine etmemize olanak tanıyor. Kalıbı 140°C’lik sabit bir sıcaklıkta tutan AirPower, tekrarlanan ısıtma ve soğutma döngülerine olan ihtiyacı ortadan kaldırarak geleneksel otoklav yöntemlerine kıyasla %50’ye varan enerji tasarrufu sağlıyor.”
Özel şişirilebilir hava kesesi
HP’nin esnek karşı kalıbı, AirPower kompozit üretim aracının temel bileşenidir, çünkü karmaşık geometrilere veya alt kesimlere sahip alanlarda bile kompozit laminata eşit basınç uygulamak üzere tasarlanmıştır. HP Composites, esnek karşı kalıplarını müşteriler için özel olarak tasarlar ve üretir, kalınlığı, sertliği ve malzeme bileşimini kontrol eder. İstenen özellikleri üretmek için monomerlerin özel polimerizasyonu yoluyla yapılan son derece özel bir sentetik kauçuk kullanılır.
(image: HP Composites)
HP Composites satış müdürü Michelangelo Mastroberti, esnek karşı kalıp tasarımının önemini vurguluyor. “Bu sentetik kauçuğun kalınlığı, esnek karşı kalıbın basınç uygulaması ve kürlemedeki rolü için tam olarak uyarlanmıştır” diyor. “Kauçuğun kimyası baştan sona homojendir ve tasarım özellikleri [kalınlık ve kauçuk tipi], geometrisi ve sızdırmazlık yüzeyleri üretmekte olduğu parçaya uyarlanarak üretim çalışması boyunca gerekli dayanıklılığı ve tutarlılığı sağlar.”
Esnek karşı kalıp üretim süreci, kesenin istenen geometrisine uyan katı bir dişi kalıbın hazırlanmasıyla başlar. Kalıp, karmaşık şekiller, alt kesimler veya entegre ekler de dahil olmak üzere üretilmekte olan kompozit parçanın özel gereksinimlerini karşılayacak şekilde tasarlanmıştır. Daha sonra, özel sentetik kauçuk malzemenin ölçülen bir miktarı kalıba uygulanır.
Dişi kalıp, sentetik kauçuk ile birlikte, belirli bir kürleme döngüsü kullanılarak otoklav kürlemesine tabi tutulur. Esnek karşı kalıbın sızdırmazlık kısmı basınç ve vakumu korumak için çok önemlidir, bu nedenle özel dikkat gerektirir.
Once the curing process is complete, the flexible counter mold is de-molded and carefully inspected for defects or irregularities, and any excess material is trimmed away. It then undergoes rigorous quality control checks to ensure its dimensional accuracy, surface finish and mechanical properties, as well as pressure testing to validate performance under simulated manufacturing conditions.
Esnek karşı kalıp üretim süreci, karmaşık olmakla birlikte, otomotiv ölçeğinde üretim hızlarında kompozit parçaların üretimini desteklemek için çoğaltmaların üretilmesine olanak tanıyacak şekilde uyarlanabilir ve tekrarlanabilir olacak şekilde tasarlanmıştır. HP Composites, bu kritik bileşenlerin tasarımı, üretimi ve bakımına odaklanan özel bir departmanla esnek karşı kalıp üretiminde uzmanlık geliştirmiştir.
Isı yönetimi ve enerji verimliliği
Termal yönetim, AirPower teknolojisinin kritik bir yönüdür. AirPower makineleri, üst ve alt metalik pres yapılarından geçen ısıtılmış çekirdeklerle elektrik direnci kullanılarak ısıtılır. Şirket içinde tasarlanan bir güç kaynağı sistemi, kalıp yüzeyleri boyunca eşit sıcaklık dağılımı sağlar. HP’nin ekibi, “Son üretim çalışmaları, geleneksel şişirilebilir kese kalıplama süreçlerine kıyasla enerji tüketiminde %50 azalma olduğunu gösterdi,” diye açıklıyor. “Bu artan enerji verimliliği üretim maliyetlerini düşürüyor ve daha düşük çevresel etkiye katkıda bulunuyor.
HP’nin ekibi şöyle devam ediyor: “AirPower teknolojisi, başlangıçta daha yüksek çevresel etkilere katkıda bulunan metalik kalıplar ve sentetik kauçuk karşı kalıplar gerektirse de, bunlar otoklav kalıplarına kıyasla takımların daha uzun hizmet ömrü ile dengeleniyor.”
“Buna ek olarak, otoklav işlemi, sık sık değiştirilmesi gereken sarf malzemesi vakum torbalarına dayanıyor ve bu da ek atık ve kaynak tüketimine yol açıyor. Kompozit endüstrisi sürdürülebilirlik ve çevresel sorumluluğa öncelik vermeye devam ettikçe, AirPower gibi teknolojiler zorlu uygulamaların gerektirdiği yüksek performans standartlarını korurken üretim süreçlerinin ekolojik etkisini azaltmada önemli bir rol oynayacaktır.”
Maserati MC20 tavan malzemesi geliştirme, yapısal tasarım
HP Composites, AirPower teknolojisini kullanarak şirketin en üst düzey spor otomobili MC20’nin tavanını üretmek için Maserati ile ortaklık kurdu. Bu uygulama için HP Composites, hem yapısal performansı hem de üretim verimliliğini optimize etmek için tasarlanmış bir örgü mimarisine sahip ısmarlama bir CFRP prepreg geliştirdi. Sonuç, daha az kat kullanılmasına olanak tanıyan, laminasyon sürecini hızlandıran ve tavanın karmaşık geometrilerinin üretimini kolaylaştıran tasarlanmış dökümlülük özelliğine sahip yüksek gramajlı dokuma bir CFRP kumaştır.
Ismarlama CFRP prepreg malzemesinin geliştirilmesi HP Composites ve Maserati arasında kapsamlı bir işbirliğini gerektirmiştir. Malzeme, performans özelliklerini belirlemek ve malzeme kartları oluşturmak için bir dizi testle karakterize edildi. Bu veriler, üretim sürecini ve A sütunu ve B sütunu gibi kritik alanları güçlendirme ihtiyacını dikkate alarak kat kitabının tasarlanmasını sağladı.
Maserati’nin tasarım lideri Gianluca Monsurrò tasarım felsefesini özetliyor: “Öncelikli hedef, tavanın aracın ana gövdesiyle entegrasyonunu en üst düzeye çıkarmak, performans gereksinimlerini karşılarken malzeme kullanımını en aza indirmemizi ve mümkün olan en hafif tavan yapısını oluşturmamızı sağlamaktı.” MC20 tavanı, yapısal bütünlüğünde ve araçla entegrasyonunda çok önemli bir rol oynayan bir dizi alüminyum ek parça içeriyor. HP Composites ayrıca kompozit ve metalik ekler arasında uygun şekilde güçlü bir bağlantı kurmak için ısmarlama bir laminasyon süreci geliştirdi. Bu süreç, galvanik korozyonu önlemek ve optimum performans için güçlü yapışma sağlamak üzere yüzey işlemlerini içeriyor.
Üretim süreci optimizasyonu
HP Composites, MC20 çatısı için etkili konsolidasyon ve minimum boşluk sağlamak üzere ısmarlama bir üretim süreci tasarladı. Parça konsolidasyonu sırasında, özel esnek karşı kalıbın üzerindeki hava basıncı üste 8 bar’a kadar basınç uygularken, alttan vakum çekilir. Tavan yapım süreci, üretim süreci sırasında mükemmel şekilde eşleştirilmesi gereken, birbirine bağlanmış çok katmanlı CFRP yapılarını içerir. Güvenlik duvarı da aynı işlemle çatı yapısına bağlanır.
Kalıptan çıkarma işlemi sırasında termal yönetim, bitmiş ürünün geometrik stabilitesini sağlamak için kritik bir husustu. HP Composites, AirPower ekipmanını soğutma hızını hassas bir şekilde kontrol edecek ve parçanın bozulmasına veya hasar görmesine yol açabilecek termal gerilimleri önleyecek şekilde tasarladı. Soğutma hızı, parçaya zarar vermekten kaçınırken endüstriyel bir süreci sürdürmek için dikkatlice dengelenmiştir. Prepreg’in serilmesinden tamamen konsolide edilmiş bir parçaya kadar geçen süre sadece 2 saattir. Kesme, delme ve yüzey bitirme dahil olmak üzere kürleme sonrası işlemler, kompozit yapının bütünlüğünü ve metalik uçlarla arayüzünü korumak için dikkatle yürütülür.
Süreç kontrolü, kalite güvencesi
HP Composites, sağlam kalite kontrol önlemleri olarak termografi analizi ve ultrason gibi tahribatsız test yöntemleri kullanmaktadır. Maserati MC20 tavanı, yapısal performansını ve aracın genel burulma sertliğine ve çarpışma güvenliğine katkısını doğrulamak için titiz testlere tabi tutuldu. Test rejimi, yoldan A sütunu ve B sütununun ana yapılarına gelen darbeleri simüle etmek için döngüsel yüklemenin yanı sıra metalik ve kompozit yapılar arasındaki bağı anlamak için titreşim testlerini de içeriyordu. Castorani şunları belirtiyor: “Laminatın kompaktlık seviyesinin ve performansının çok daha uzun ve enerji yoğun bir otoklav üretim süreciyle tamamen aynı olduğunu gördük.”
Sadece 26 kilogram ağırlığındaki nihai tavan yapısı, MC20’nin hafif tasarımına önemli ölçüde katkıda bulunurken, aracın tamamı sadece 1.200 kilogram ağırlığındadır. Çatının çarpışma durumlarındaki yapısal bütünlük performansı gerekli tüm hedefleri karşılayarak AirPower teknolojisinin yüksek performanslı kompozit bileşenler üretmedeki etkinliğini ortaya koymuştur.
Ölçeklenebilirlik ve sektör etkisi
Maksimum üretim kapasitesinde HP Composites, iki vardiyalı bir operasyonda günde sekiz MC20 çatı üretebiliyor. Mastroberti teknolojinin ölçeklenebilirlik avantajının altını çiziyor. “Maserati için yılda 1.500 üretim seti üretmek için toplamda sadece sekiz esnek karşı kalıba ihtiyacımız vardı. Aynı şeyi otoklav teknolojisiyle yapmak için 30’dan fazla kalıba ve hatırı sayılır sayıda otoklava ihtiyacınız var.”
MC20 tavan projesinin başarısı, AirPower’ın otomotiv kompozit endüstrisinde daha geniş uygulama potansiyelinin altını çiziyor. HP Composites bu teknolojiyi Maserati grubu için yan etekler, ön ve arka difüzörler ve ayırıcılar dahil olmak üzere diğer bileşenleri üretmek için halihazırda uyguluyor. Şirket bu parçalardan bazıları için hızlı sertleşen reçine sistemleri uygulayarak üretim döngülerini birkaç saatten 20 dakikanın altına indirdi.
AirPower teknolojisinin ölçeklenebilirliği otomotiv sektörünün ötesine uzanıyor. Mastroberti, şirketin uydu ve uzay uygulamalarındaki fırsatları araştırdığını ve teknolojinin kaliteden ödün vermeden farklı geometrilere ve karmaşıklıklara sahip parçalar üretme yeteneğinden yararlandığını belirtiyor.
