IDI Composites International ve A&P Technology tarafından üretilen prepreg birlikte kalıplama bileşiği otomotiv ve mobilite için yeni geometriler, güç ve esneklik seviyeleri sağlıyor.
Araçların elektrifikasyonunun artmasıyla birlikte, otomotiv OEM’leri ağırlık tasarrufu, daha uzun menzil ve yakıt ekonomisi için optimum yapısal özelliklere sahip hafif ancak dayanıklı malzemeler arıyor. Bu temel gereksinimler göz önünde bulundurulduğunda, yeni nesil sac kalıplama bileşiği (SMC) kamyonet kasasından daha iyi bir uygulama sergilenebilir mi?
SMC kompozitler yeni bir kamyon kasası çözümü değildir; dayanıklılıkları, esneklikleri ve hava koşullarına dayanma kabiliyetleri sayesinde aslında birkaç yıldır kullanılmaktadırlar. Ancak kamyon kasasının sağlam ve çok yönlü bir araç olarak rolü, IDI Composites International için ek takviye ve dayanıklılık olmadan karmaşık geometri elde etmeyi amaçlayan SMC takviyesine yeni bir birlikte kalıplanmış yaklaşım keşfetmek için ideal bir uygulamaydı.
IDI, OEM’ler, Tier 1 tedarikçileri ve kalıpçılar için termoset kalıplama kompozitleri ve bileşiklerinin küresel bir formülatörü ve üreticisidir. Son teknoloji ürünü 120.000 metrekarelik bir üretim tesisi ve araştırma merkezinde faaliyet göstermektedir. ISO sertifikalı üretim süreçlerine ve titiz kalite kontrol prosedürlerine sahip olan şirket, özel uygulamalara göre uyarlanmış termoset kalıplama formülleri geliştirmek için müşterileriyle yakın işbirliği içindedir. IDI, kapsamlı bir polyester/vinil ester bazlı SMC ve dökme kalıplama bileşikleri (BMC) yelpazesi üretmektedir. Şirketin dayanıklılığı, esnekliği ve zorlu koşullar altındaki performansıyla bilinen ürünleri, otomotiv, elektrikli ve yeni enerji araçları (EV, NEV), toplu taşıma, savunma, inşaat, petrol ve gaz, medikal ve denizcilik dahil olmak üzere çeşitli sektörlere hizmet vermektedir.
SMC/BMC’nin özelliklerini daha da geliştirmenin yollarını arayan şirket, örgülü malzeme üreticisi A&P Technology ile ortaklık kurarak Fortium QISO olarak bilinen bir prepreg birlikte kalıplama bileşiği geliştirdi. Bu malzeme IDI’ın Fortium SMC ve A&P Technology tarafından geliştirilen üç eksenli örgülü bir ürün olan QISO’nun bir kombinasyonudur.
IDI kompozit teknolojisi ve uygulama mühendisliği direktörü Kevin Cahill’e göre amaç, SMC/BMC’de ek takviye için örgülü malzemeler kullanan ve aynı zamanda daha az malzeme kullanımına olanak tanıyan bir ilerleme sağlamaktı. Cahill, “Ana avantaj ağırlık tasarrufu,” diyor. “Yani sadece süreksiz fiberle çok daha kalın bir parçaya sahip olmanız ya da metal eklerle daha karmaşık bir parçaya sahip olmanız gerekirdi.”
IDI ürün müdürü Rob Holcombe şunları ekliyor: “Net hedeflerimiz kamyon kasası uygulamasının performansını korumak, ağırlığı azaltmak ve maliyetten tasarruf etmek ya da en azından maliyet açısından nötr kalmaktı.”
Yeni bir takviye malzemesi sınıfı
Fortium %40-65 oranında süreksiz cam elyaf ile güçlendirilmiştir. Bu yüksek takviye seviyesi, yüksek mukavemet ve darbe direncine sahip bir malzeme sağlarken, süreksiz yapısı malzemelerin sıkıştırma kalıplama işlemleri yoluyla karmaşık geometrilere kalıplanmasını sağlar. Fortium ayrıca polyester, vinil ester, epoksi ve vinil ester/üretan hibritleri dahil olmak üzere çeşitli termoset reçineler kullanarak hava koşullarına, UV radyasyonuna, kimyasallara ve düzenli aşınma ve yıpranmaya karşı direnç dahil olmak üzere sıcaklık direnci, tokluk ve dayanıklılık sağlayabilir.
Holcombe, bu reçine ve takviye seviyesi seçiminin IDI kompozitlerine Fortium’un maliyetini ve yoğunluğunu optimize etme esnekliği verdiğini ve malzemeyi performans-ağırlık bazında alüminyum ve çelikle karşılaştırılabilir hale getirdiğini söylüyor. Bu malzeme halihazırda birçok küçük kamyonet modelinin kasasında kullanılıyor.
IDI, birlikte kalıplanmış kamyon kasası malzemesinin geliştirilmesi için 1 inçlik süreksiz cam elyafı ve polyester/vinil ester karışımı reçine sistemi ile %50 takviye içeren bir Fortium SMC kullandı. Cahill, katkı maddelerinin pigmentasyonun yanı sıra hava koşullarına ve UV’ye karşı direnç sağladığını söylüyor. Benzer bir sonucun akü muhafazaları için aleve dayanıklı bir malzeme ile de elde edilebileceğini belirtiyor.
A&P Technology’nin QISO’sunun eklenmesi, yarı-izotropik özellikleriyle Fortium’un performansını daha da artırıyor. Geleneksel dokuma ürünlerden farklı olarak, QISO’nun elyafları 60° dengelenerek, sıkıştırma kalıplı parçalarda bulunan bileşik eğrilikler için çok önemli olan gelişmiş güç ve örtülebilirlik sağlar.
QISO, 0°/±60° dengeli ve simetrik yarı-izotropik bir kumaştır. A&P, geleneksel 0°/90° dokuma veya kıvrımsız kumaş (NCF) takviyeleriyle tasarlanan parçalarla karşılaştırıldığında, QISO ile yapılan parçaların daha güçlü olduğunu, daha iyi darbe direncine ve daha tutarlı termal genleşme katsayısına (CTE) sahip olduğunu söylüyor. Üç ortoganal olmayan dokuma önyargısı, QISO’nun yarı-izotropik mimarisine katkıda bulunur – yani her yönde aynı özelliklere sahiptir, bu nedenle kumaşın yönü bir endişe kaynağı değildir. Bu, daha az kat ile daha basit katmanlar ve hurdada azalma sağlar.
Holcombe, IDI’ın QISO’yu esnekliği ve uyarlanabilirliği nedeniyle seçtiğini söylüyor. “Kesintisiz elyaf tabakalarının kalıplama sırasında – hatta ön hazırlama sırasında bile – şekillenmesini ve uyumlu çalışmasını sağlamak gerçekten zor olabilir. QISO, üretim açısından, birleştirme düzeyinde ve kalıplama anlamında çok dostça. Elyafların biçimi nedeniyle karmaşık geometrilere iyi uyum sağlayabiliyor.”
“Ulaştığımız şey, çok ince bir SMC tabakası gibi görünen, hissedilen ve hareket eden bir şeydi” diye devam ediyor. “Akmıyor – çünkü örgülü bir mat – ama yine de çok tanıdık. İki malzeme arasındaki ortak kimya nedeniyle aynı şekilde kalıplanıyor ve sertleşiyor.”
Birlikte kalıplama, test ve FEM doğrulaması
Birlikte kalıplama, iki veya daha fazla malzemenin tek bir parça oluşturmak üzere birlikte kalıplandığı bir üretim sürecidir. Bu süreç, farklı malzemelerin veya renklerin tek bir bileşende birleştirilmesine olanak tanır. Tipik olarak süreç, birincil malzemenin bir kalıp boşluğuna yerleştirilmesiyle başlar. Bu malzeme nihai parçanın temel katmanını veya yapısını oluşturur. Genellikle farklı özelliklere sahip olan ikincil malzeme, birincil malzemenin üzerine veya etrafına yerleştirilir ve iki malzeme sıkıştırma kalıplama yoluyla tek bir parçaya entegre edilir.
Fortium QISO ile birlikte kalıplama işlemi, QISO kumaşının Fortium SMC’ye entegre edilmesini içerir ve bildirildiği üzere eşsiz tasarım esnekliği ve sağlamlığına sahip bir kompozit oluşturur. QISO kumaşı aynı reçine sistemi ile emprenye edilir. Bu, geleneksel SMC ile ağırlık ve yoğunluk bakımından aynı elyaf yüklemesini koruyarak sorunsuz bir birlikte kalıplama sağlar. Yine, QISO’nun yarı-izotropik özellikleri, yerleştirme ve yönlendirme konusunda daha az hassasiyet sağlayarak malzeme hurdasını azaltır ve üretim verimliliğini artırır.
Elde edilen malzemenin bir diğer avantajı da geri dönüştürülebilir olması. Cahill, “Bu tek tip bir malzeme, bu nedenle geri dönüşümden önce çıkarılması gereken aşırı kalıplanmış çelik ekler veya başka bir şey yok – tüm parça hala% 50 cam,% 50 termoset reçinedir” diyor.
Fortium QISO birlikte kalıplanmış kompozitlerin performansını değerlendirmek için kapsamlı bir test matrisi geliştirildi. Testler, çekme ve esneme testlerinin yanı sıra özel bir darbe test cihazı kullanılarak yapılan büyük ölçekli darbe testlerini de içeriyordu. Darbe testi, farklı darbe senaryolarının, farklı dart türlerinin ve enerjilerinin ve darbe yüklemesi altında farklı katmanların ve konfigürasyonların simüle edilmesini içeriyordu.
Holcombe şöyle açıklıyor: “Amaç, SMC için kendi başına, QISO katmanları için kendi başına bir sonlu eleman modeli oluşturmak ve daha sonra bu modeli doğrulamak ve laboratuvar ölçeğinde kanıtlamak için ikisinin kombinasyonunu ve darbe sonucu verilerini kullanmaktı.”
Sonuçlar, QISO takviyeli %20 daha ince bir birlikte kalıplanmış panelin, daha kalın bir SMC panele kıyasla daha iyi delinme direnci ve minimum sapma sergilediğini göstermiştir. Ayrıca, QISO’nun örtülebilirliği ve kalıplanabilirliği karmaşık geometrilerde doğrulanarak gerçek dünya uygulamaları için fizibilitesi kanıtlanmıştır.
Kamyon kasası uygulamalarının ötesine geçme
Kompozit panel testlerini tamamladıktan sonra IDI Composites, birkaç kamyon kasası tasarımını optimize etmek için Fortium QISO FEM modelini kullandı. Bu, yüksek gerilimli alanların belirlenmesini ve buralara lokalize örgülü QISO takviyesinin yerleştirilmesini içerirken, optimize edilmiş şekillendirilebilirlik için karmaşık geometri alanlarında yalnızca süreksiz fiber SMC kullanılmasını içeriyordu. IDI daha sonra birkaç kamyon kasası prototipi üretti. Bu prototiplerin test edilmesi, mukavemet ve performansı korurken kütle, maliyet ve karbon ayak izini azaltmadaki başarısını gösterdi. Sürekli elyaf takviyesini seçici bir şekilde temel olarak SMC yapısıyla birleştiren bu yeni kamyon kasaları, önemli ölçüde ağırlık azalması ve gelişmiş darbe performansı gösterdi. Bu yaklaşım aynı zamanda kullanılan SMC miktarının azaltılmasını sağlayarak örgülü prepreg’in daha yüksek maliyetini dengelemiş ve minimum maliyet etkisi yaratmıştır. Buna ek olarak, birlikte kalıplanmış yapının gelişmiş performansı, parçanın daha uzun ömürlü olmasına katkıda bulunmuştur.
IDI Composites başlangıçta bu projeye kamyon yataklarını düşünerek başlamış olsa da, Fortium QISO malzemesini diğer uygulamalarda kullanmanın avantajlarını görebiliyordu.
Örneğin Cahill, dinamik yüklere karşı çok iyi direnç gösterdiğini ve bu nedenle akü muhafazaları, gövde altı koruması, çamurluklar ve tamponlar gibi ani darbe yüklerine maruz kalan parçalar için çok uygun olduğunu belirtiyor. Ayrıca diğer araç sistemlerinde lokal takviye sağlamak için de kullanılabilir.
Ağır yük altındaki ve yüksek sıcaklıklara maruz kalan uygulamalarda termoplastik malzemelerin sünmeye karşı şüpheli olduğunu belirterek, malzemenin bir diğer faydasının da sünme direnci olduğunu ekliyor. Elektrikli araçların ön uç bagajı olan frunklar bu duruma bir örnektir. Genellikle bagajların arkasına yerleştirilen elektronik parçalar ısı üretir ve bu da zamanla yük taşıyan malzemelerin sapmasına katkıda bulunabilir. Cahill, “Bu malzeme, buradaki sapmayı sınırlandırmaya ve süresiz olarak kontrol etmeye gerçekten yardımcı olacaktır” diyor.
2021 yılında IDI, Fortium QISO kullanarak zorlu termal kaçak testlerini geçen aleve dayanıklı bir panel göstererek batarya paketlerini ve diğer kritik bileşenleri koruma potansiyelini vurguladı. Bu, daha yüksek hacimli üretime olanak sağlarken ağırlık ve maliyeti azaltmanın hedeflendiği gelişmiş hava hareketliliği gibi ek mobilite uygulamalarına genişletilebilir.
Cahill, “Burada bahsettiğimiz sıkıştırmalı kalıplama döngüsü, bu birlikte kalıplanmış parça üzerinde 3 dakika veya daha az olabilir” diyor. “Bu da bir parçanın şekillendirilmesi ve kürlenmesi saatler, hatta günler sürebilen diğer kompozit tekniklerinin aksine çok yüksek hızda üretime olanak tanıyor.”
