Development of an Innovative Process Technology for the Manufacture of Structural Hybrid Components, Made by Forming and Overmolding of Thermoplastic Matrix Composites

Hybrid composite materials are even more used in order to answer to the lightweight requirements of the automotive industry. Reducing vehicle weight to reduce energy consumption and local CO2 emission is one of the most important goal required by the regional regulation of transport. On the contrary, the safety of the driver, of the passenger and of the pedestrian too is even more leading to increase the volumes of the vehicle. In order to improve the overall stiffness, strength and impact energy absorption of the body of a car, each part must absolve to different function and be designed with different mechanical properties. Another important topic related to the CO2 emission and to the environmental safety is the end-of-life treatment that pushes on high percentage of recycling and re-uses. Thermoplastic composites are wide spread in automotive industry also thanks to their high processability and their easier recyclability in comparison to the thermosetting, furthermore they allow an increased design freedom. These characteristics made such materials a good candidate for metal replacement. Thermoplastic materials can be reinforced with various kinds of fillers, whether they are continuous and discontinuous, short or long. The reinforcing fibers play an important role in the diversification of the properties of the material and therefore of the part that they constitute. For example, the impact properties are strongly related to the length of the reinforcement, while the tensile strength and the elastic modulus are less sensitive. When the properties offered by thermoplastic composite materials cannot be further increased, plastic composites, thanks to their high specific performances, are combined with other materials in the final part by means of junctures that are based on different adhesion mechanisms. In the last decade, several technologies that incorporate the injection molding process were proposed for manufacturing of hybrid parts. The main advantages are the suitability for high volume production and for the implementation of the in mold assembly or joining. Polymer metal hybrids had been used to reduce the amount of bullet joint and welded connection. A sheet metal is used as mold insert where ribs are overmolded to increase the stiffness and other features are directly added for joining the part to the assembly. The adhesion between sheet metal and polymer is ensure by physical interlocking due to the roughness of the surface and undercuts. During the injection phase, the melted material fills the cavities and, after the cooling phase, it works as riveting system. However, treatments of the metal-side interface such as sandblasting, drilling, laser ablating and or plasma activation are required to improve the adhesion. Moreover, riveting joining could be added for secondary assembly operations. Otherwise, when thermosetting adhesives ensure the connection, the technology is called in mold bonding. The adhesive that can be one-part, such as cyanoacrylates, two-part, such as epoxy, or a hybrid mix of the two, is applied on the insert side before the over-injection. Its curing time must be consistent with the cycle time of the injection molding process in order to maintain the high productivity. Very recently, in mold forming technology, also known as FiberForm, Organomelt and Organo Sheet Injection, was proposed for manufacturing of full thermoplastic hybrid composites. An outer thermoformed shell reinforced with continuous fibers is internally stiffened with an over-injected ribs-system. This technology allows to directly coupling thermoforming and injection molding processes of fiber-reinforced material. The adhesion between parts is ensured by an interdiffusion of the macromolecules across the interface. The welding is based on the reptation theory and is promoted by the high process temperature. For semi-crystalline polymer, the overall degree of adhesion is related to the residence time of the interface at temperatures higher than the crystallization temperature. Furthermore, a good adhesion is due to the compatibility of the matrices. For processes that involve the injection-molding phase, the residence time is short and strongly non-isothermal. This means that the maximum adhesion strength could be lower than the theoretical maximum, reached at the weld line of short-glass reinforced part that is equal to the matrix strength. Moreover, even if a good welding takes place, the weaker zone moves to the laminate side at the interface between the matrix and the glass-woven reinforcement. The direct consequence is a weaker zone at the welding area that could be subjected to delamination failure. Delamination of composite interfaces is commonly simulated with the cohesive zone model proposed many years ago by Dugdale and deepened by Barrenblatt. The cohesive law, which is based on a stress-opening relationship, describes the damage phenomenon at the interface. Various kinds of fracture can be described with dedicated cohesive law that requires a calibration on the experimental data. Linear law, also known as triangular law, is used for brittle fracture; exponential law or trapezoidal law are more suitable for ductile fracture; bi-triangular law is used to describe the fracture in composite materials where the fiber pullout becomes significant after the damage initiation and made the opening slighter. On the base of what was previously highlighted, a good design of the part is required to justify the financial investment on the processing chain. Especially in the processes that are based on the injection molding process and are strongly volume sensitive, creating pre-series is time and cost consuming. However, in very recent time, new technologies for individualized or tailored production are under development. For example, the “LightFlex” project, which is funded by the Federal Ministry for Education and Research in Germany, is aimed to replace use of injection-molded components with components produced via additive production. 3D-printing permits parts to be customized to meet virtually any requirements and to be provided with the capability to perform any specified function prior to being joined to a thermoplastic fiber composite material in order to achieve the required level of load capacity. The two half-molds are constituted by the 3-D printed part and from the silicon membrane of the pressure-chambre that is aimed to form the organosheet. The welding between parts can take place after local heating of the interdace up to the melting temperature. Although the good idea, the project is still ongoing and also in this case, the adhesion between parts play a challenging role. The only alternative to define the performance of the part is to optimize the finite element simulation. For this reason, the definition of the boundary condition as well the definition of the interface strength became of fundamental importance. However, increasing the welding strength pushes toward a better global performance of the part.

I materiali compositi ibridi sono sempre più impiegati per rispondere alle esigenze lightweight dell’industria automobilistica. Ridurre il peso del veicolo per la riduzione del consumo energetico e le emissioni locali di CO2 è uno degli obiettivi più importanti che le normative regolanti la produzione dei veicoli di traporto richiedono. Al contrario, la sicurezza del guidatore, del passeggero e dei pedoni tende all’incremento dei volumi e generalmente anche il peso del veicolo. Al fine di aumentare la rigidezza, la resistenza e l’assorbimento di energia del corpo del veicolo, ogni parte deve assolvere specifiche funzioni e deve essere progettata con diverse proprietà meccaniche. Un ulteriore aspetto legato all’emissione di CO2 e alla sicurezza ambientale è il trattamento del veicolo a fine vita, anch’esso regolamentato, che richiede elevate percentuali di recupero e riutilizzo dei materiali. I compositi termoplastici sono largamente utilizzati dall’industrial automobilistica per la loro elevata processabilità e per la più facile riciclabilità se comparati con i compositi termoindurenti. Inoltre, garantiscono una libertà di design superiore. Queste caratteristiche rendo i materiali termoplastici degli ottimi candidati alla sostituzione di parti in metallo. I materiali termoplastici possono essere rinforzati con cariche di diverso genere, siano esse continue o discontinue, corte o lunghe. Le fibre di rinforzo rivestono un ruolo fondamentale nella diversificazione delle proprietà del materiale e quindi della parte che costituiscono. Per esempio, le proprietà di resistenza all’impatto sono fortemente connesse alla lunghezza del rinforzo, mentre la resistenza a trazione e il modulo elastico ne sono meno sensibili. Quando variando le tipologie di matrice e di carica non vi è possibilità di incrementare ulteriormente le proprietà dei compositi termoplastici, essi vengono combinati con altri materiali mediante giunzioni, basate su diversi meccanismi di adesione, al fine di rispettare i target di progettazione del componente. Nell’ultimo decennio sono state proposte diverse tecnologie basate sul processo di stampaggio ad iniezione per la produzione di parti ibride. Il processo è ampiamente utilizzato per la predisposizione ad elevati volumi produttivi, all’automazione e all’integrazione di varianti che consentono l’in-mold forming (formatura in stampo) e l’in-mold joining (incollaggio, rivettatura o assemblaggio in stampo). I materiali ibridi metallo-plastica sono stati utilizzati per ridurre il numero di giunzioni bullonate e saldature. Una lamiera in metallo che assolve le funzioni prettamente resistenziali è utilizzata come inserto stampo e le nervature di rinforzo vengono sovrastampate per incrementare la rigidezza del componente. Nella medesima fase possono essere ricavati gli elementi per l’assemblaggio con le altri parti dell’assieme. L’adesione tra lamiera metallica e materiale polimerico viene garantita dal bloccaggio fisico dovuto alla rugosità della superficie metallica, che può essere trattata, e dall’impiego di sottosquadri. Durante la fase di iniezione, il materiale fuso riempie la cavità e, dopo il raffreddamento della parte, lavora come un sistema di rivetti. Tuttavia, trattamenti della superficiali come sabbiatura, foratura, ablazione laser o attivazione con plasma, sono preferibili per la preparazione della superficie dell’inserto e sono necessari all’incremento dell’adesione. Diversamente, quando adesivi termoindurenti o bicomponenti vengono utilizzati per la giunzione primaria, il processo viene chiamato in-mold bonding. L’adesivo, che può essere mono-componente come i cianoacrilati, bi-componente come le colle epossidiche o un mix dei due, è applicato sull’inserto prima del sovrastampaggio. Il suo tempo di reticolazione deve essere sufficientemente rapido per non incidere sul tempo ciclo del processo di stampaggio e garantire l’elevata produttività. Molto recentemente, la tecnologia in-mold forming, anche conosciuta come FiberForm, Organomelt o Organo Sheet Injetion (Iniezione di fogli organici), è stata proposta per la fabbricazione di compositi ibridi termoplastici. In particolare, un guscio termoformato rinforzato con fibre continue, viene irrigidito da un sistema di nervature sovrainiettate. La tecnologie permette di accoppiare direttamente i processi di termoformatura e di stampaggio ad iniezione. L’adesione tra le due parti avviene grazie all’interdiffusione delle macromolecole attraverso l’interfaccia. La saldatura è basata sulla teoria della reptazione ed è promossa dalle elevate temperature di processo al quale le matrici termoplastiche si trovano al momento del contatto. Per materiali semi-cristallini, il grado di adesione è correlato al tempo in cui l’interfaccia permane a temperature superiori alla temperatura di cristallizzazione e di fusione della matrice polimerica. Inoltre, una buona adesione è favorita dalla buona compatibilità chimica delle matrici. Per processi in cui è integrato lo stampaggio ad iniezione, il tempo di permanenza è breve e fortemente non-isotermico. Questo indica che la massima forza di adesione raggiungibile sull’area della saldatura potrebbe essere inferiore a quella delle linee di giunzione di un composito e può teoricamente corrispondere alla resistenza della matrice termoplastica in quanto non vi è interdiffusione del rinforzo. Generalmente, se nei compositi ibridi termoplastici viene ottenuta una buona saldatura, la zona più debole della giunzione si sposta all’interfaccia matrice-tessuto in fibra all’interno del laminato. Conseguenza diretta di questo fenomeno è la presenza di una zona debole in prossimità dell’interfaccia che può essere sede di rottura per delaminazione. La delaminazione in materiali compositi è largamente simulata con modelli coesivi proposti da Dugdale e approfonditi da Berrenblatt. La legge coesiva, che si basa su relazioni di sforzo-spostamento, descrive il danneggiamento dell’interfaccia. Ogni tipo di frattura che implica delaminazione può essere simulato ricorrendo alla più appropriata legge coesiva che richiede una calibrazione sui dati sperimentali. La legge bi-lineare, conosciuta anche come triangolare, è utilizzata per materiali che presentano una rottura fragile, mentre leggi esponenziali e trapezoidali sono più appropriate per descrivere rotture duttili. Anche la legge bi-triangolare può essere utilizzata e in particolare viene impiegata per descrivere la frattura nei materiali compositi dove le fibre che si trovano sulla superficie dell’area costituiscono l’unico collegamento tra le due parti del componente (fiber-bridging). Questo fa sì che dopo l’inizio del danneggiamento e una certa propagazione all’interno del composito, siano le fibre a sopportare il carico così da avere un’ulteriore propagazione che risulta essere meno repentina. Sulla base di quanto è stato esposto, è richiesta una buona progettazione della parte per poter giustificare gli investimenti finanziari per la catena produttiva. Specialmente nei processi che si basano sulla stampaggio ad iniezione e che sono di conseguenza sensibili ai volumi produttivi, la creazione di pre-serie richiede tempo e strumentazioni semi-definitive caratterizzate da costi di produzione non trascurabili. Proprio per questo motivo sono state presentate delle nuove tecnologie, che sono tutt’ora in via di sviluppo, per produzioni individualizzate o customizzate. Per esempio, il progetto LightFlex, finanziato dal ministero federale tedesco per l’educazione e la ricerca, è finalizzato a proporre un’alternativa alla fase di sovrastampaggio ad iniezione. In particolare la parte iniettata viene sostituita da una ottenuta mediante tecniche additive, con i vantaggi ad essa legati, che costituisce la metà stampo inferiore, mentre la metà stampo superiore viene sostituita da una membrana elastomerica che è parte integrante della camera a pressione. Lo stampaggio 3D permette la customizzazione del prodotto, consentendo idealmente di ottenere qualsiasi geometria per l’asservimento di ogni specifica funzione (collegamenti, appendici, ecc.), mentre la camera in pressione provvede alla formatura del laminato termoplastico che viene formato sulla parte sottostante previo riscaldamento localizzato fino a fusione dell’interfaccia. Il progetto è ancora in via di sviluppo e anche in questo caso l’adesione tra le due parti e basata sull’interdiffusione e costituisce uno degli aspetti critici del processo. L’unica alternativa per poter definire le prestazioni della parte è l’ottimizzazione delle simulazioni agli elementi finiti. Per questa ragione, la definizione delle condizioni a contorno, così come la definizione della resistenza dell’interfaccia, diventano di fondamentale importanza. Tuttavia, l’incremento della resistenza della saldatura ottenuto mediante l’ottimizzazione dei parametri di processo consente il miglioramento globale delle prestazioni meccaniche della parte.