Vormpersen: hoe kunststof en composiet onder druk hun vorm krijgen
Stel je een wafelijzer voor, maar dan veel groter en veel krachtiger. Je legt een portie zacht, kneedbaar materiaal in de onderste helft van een verwarmde mal, klapt de bovenkant dicht en drukt met enorme kracht. Onder de combinatie van hitte en druk vloeit het materiaal tot in elke hoek van de vorm, wordt het hard en komt er na afkoeling een kant-en-klaar onderdeel uit. Dat is in de kern vormpersen, in het Engels compression molding genoemd.
Vormpersen wordt al tientallen jaren gebruikt om onderdelen te maken van kunststof, rubber en vooral van composietmaterialen: mengsels van kunststof met versterkende vezels, zoals glas- of koolstofvezel. Denk aan een autodeur, een dashboardonderdeel, een stuk van een windturbinewiek of een dop op een accupakket in een elektrische auto. Het bijzondere aan de techniek is dat ze in één stap zowel de vorm als de sterkte van een onderdeel bepaalt, wat het aantrekkelijk maakt voor massaproductie van lichte, stevige onderdelen.
Wat is het precies?
Het proces begint met het materiaal dat gevormd moet worden. Dat kan een half-vloeibare kunststofmassa zijn, een vooraf gemengde compound van hars en vezels (bekend onder afkortingen als SMC, sheet moulding compound, en BMC, bulk moulding compound), of tegenwoordig ook een stapel voorverwarmde, met vezels versterkte kunststofplaten ("organosheets").
Dat materiaal wordt in de juiste hoeveelheid op de onderste helft van een metalen mal gelegd. De mal is verwarmd, vaak tot temperaturen van 140 tot 200 graden Celsius, afhankelijk van het materiaal. Vervolgens klemt een hydraulische pers de bovenste malhelft naar beneden met een kracht die kan oplopen tot honderden tonnen.
Onder die druk vloeit het materiaal uit tot in de verste uithoeken van de mal. Bij kunststofharsen zorgt de combinatie van hitte en druk ervoor dat een chemische reactie op gang komt waarbij het materiaal onomkeerbaar uithardt, vergelijkbaar met hoe twee-componentenlijm hard wordt zodra je de componenten mengt. Bij thermoplastische materialen, die bij verhitting juist zacht worden in plaats van een chemische reactie aan te gaan, zorgt afkoeling onder druk voor de definitieve vorm.
Na enkele tientallen seconden tot enkele minuten, afhankelijk van het materiaal en de dikte van het onderdeel, gaat de pers weer open en wordt het onderdeel uitgeworpen. Overtollig materiaal, de zogeheten braam, wordt vaak in een aparte stap weggezaagd of gefreesd.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter vormpersen is gewicht besparen zonder aan sterkte in te boeten. Een met glas- of koolstofvezel versterkt kunststofonderdeel kan vaak net zo stijf en sterk zijn als een vergelijkbaar onderdeel van staal, maar aanzienlijk lichter. In auto's en vliegtuigen scheelt gewicht direct in brandstofverbruik of, bij elektrische voertuigen, in actieradius.
Daarnaast is vormpersen relatief snel en geschikt voor grote series, in tegenstelling tot sommige andere composiettechnieken die per onderdeel veel handwerk vergen. Waar het met de hand opbouwen van een koolstofvezelonderdeel in een autoclaaf (een soort grote drukoven) al gauw uren kan duren, is een vormpersonderdeel binnen minuten klaar. Dat maakt de techniek geschikt voor de auto-industrie, waar per dag duizenden onderdelen van de band moeten rollen.
Tot slot maakt vormpersen het mogelijk om complexe vormen, verstevigingsribben en bevestigingspunten in één stap in het onderdeel te integreren, waardoor er na het persen minder extra bewerkingen of montagestappen nodig zijn.
Voorbeelden uit de praktijk
De Chevrolet Corvette, die in 1953 op de markt kwam, wordt vaak genoemd als een van de eerste in serie geproduceerde auto's met een carrosserie van geperst glasvezelversterkt kunststof, in plaats van plaatstaal. Dat maakte destijds grote indruk in de auto-industrie.
De Renault Espace, geïntroduceerd in 1984, ging nog een stap verder: de complete buitenpanelen van deze minivan waren gemaakt van vormgeperst SMC-materiaal, gemonteerd op een stalen frame. Dit zorgde voor een lichtere en corrosiebestendige carrosserie en werd destijds als opmerkelijk beschouwd voor een auto die in grote aantallen werd gebouwd.
In de windenergiesector worden onderdelen zoals de wortelbussen van rotorbladen, waarmee het blad aan de naaf van de turbine wordt bevestigd, al decennialang met vormpersen van BMC of vergelijkbare materialen gemaakt, vanwege de precisie en herhaalbaarheid die de techniek biedt.
In de elektrische-autobranche experimenteren verschillende fabrikanten de afgelopen jaren met vormgeperste composietdeksels en -behuizingen voor accupakketten, als lichter alternatief voor staal of aluminium. Dit is nog een relatief jonge toepassing die zich verder ontwikkelt.
In de luchtvaart wordt vormpersen van thermoplastische composieten ingezet voor kleinere, secundaire onderdelen zoals bevestigingsbeugels en klemmen, onder meer omdat deze techniek sneller is dan de traditionele autoclaafmethode. De grote draagstructuren van vliegtuigen, zoals rompdelen, worden vooralsnog vrijwel altijd met andere technieken gemaakt.
Hoe ver is de techniek?
Vormpersen zelf is geen nieuwe technologie. Voor rubber en eenvoudige kunststoffen wordt het al meer dan een eeuw toegepast, en voor SMC en BMC in de auto-industrie al sinds de jaren zestig en zeventig van de vorige eeuw. In die zin is de basistechniek volwassen en breed beproefd.
Wat wel volop in ontwikkeling is, is het vormpersen van vezelversterkte thermoplastische composieten voor toepassingen waar voorheen vooral metaal of langzamere composiettechnieken werden gebruikt. Onderzoekers en machinebouwers werken aan het verkorten van cyclustijden, het combineren van persen met spuitgieten in één machine ("hybride vormen"), en het beter beheersen van de vezeloriëntatie tijdens het vloeien van het materiaal, wat cruciaal is voor de uiteindelijke sterkte.
De belangrijkste obstakels zijn technisch en economisch van aard. Bij het vloeien van het materiaal in de mal kunnen vezels breken of verkorten, wat de sterkte van het onderdeel kan verminderen. Kwaliteitscontrole bij hoge productiesnelheden blijft lastig, omdat interne gebreken niet altijd direct zichtbaar zijn. Daarnaast zijn composietmaterialen doorgaans nog duurder dan staal, en is het hergebruiken of recyclen van uitgehard composietafval nog beperkt mogelijk, al wordt daar wel aan gewerkt.
Wie werken eraan?
In Duitsland speelt het Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT) een prominente rol in onderzoek naar snellere en betere vormpersprocessen voor vezelversterkte kunststoffen, vaak in samenwerking met de auto-industrie. Machinebouwers als Dieffenbacher, Engel en KraussMaffei ontwikkelen de persen en hybride productielijnen waarmee deze processen in de praktijk worden gebracht.
Grote autofabrikanten zoals BMW, Mercedes-Benz en Volkswagen laten composietonderdelen vormpersen bij gespecialiseerde toeleveranciers, als onderdeel van hun strategie om voertuigen lichter te maken. In de luchtvaart onderzoekt onder meer Airbus samen met composietinstituten de toepassing van thermoplastische vormpersonderdelen voor secundaire structuren.
Op universitair niveau doen instellingen als de RWTH Aachen (met haar Institut für Kunststoffverarbeitung) en, in Nederland, de TU Delft onderzoek naar materiaalgedrag en procesoptimalisatie bij het vormpersen van composieten. Nederland kent daarnaast een praktische composietsector, onder meer rond de lucht- en ruimtevaart en de scheepsbouw, waar verwante persprocessen worden toegepast en verder ontwikkeld.