Development of an Automated In-Line Resin Metering and Mixing System for Composites in the Automotive Industry

L'utilisation de composites structuraux pour les applications automobiles est considérée comme un moyen d'atteindre les nouvelles réglementations à venir en matière d'émission de CO2 des véhicules et les initiatives d'allégement. Le composé de moulage en feuille (SMC) de résine vinyle ester et de fibre de carbone utilisé avec le moulage par compression à chaud est actuellement l'une des solutions les plus performantes pour atteindre les cadences de production élevées requises par l'industrie. Les résines à polymérisation rapide utilisées contiennent une large gamme de charges et d'additifs permettant de réduire le coût de la matière et d'améliorer diverses propriétés. Les entreprises automobiles souhaitant rester compétitives doivent disposer d'une machine permettant le dosage et le mélange de cette résine, ainsi que de ses multiples additifs et charges, pour une distribution en continu à la chaîne de production. Magna International, un des principaux fournisseurs automobiles au monde, est actuellement en phase de validation d'un nouveau sous-châssis SMC et a demandé au Centre technologique en aérospatiale (CTA) de développer un nouveau prototype de système de dosage et de mélange de la résine en ligne. Le projet a été rendu possible grâce à la combinaison d'un étudiant à la maîtrise de l'École polytechnique de Montréal à travers une subvention Mitacs et d'une subvention RDA niveau 3 du CRSNG. Les objectifs du projet étaient de démontrer les performances de l'utilisation d'un mélangeur statique pour obtenir un échantillon de résine homogène, de développer et de fabriquer un nouveau système de dosage et de mélange de résine à deux composants et de valider la performance et les capacités du système. Les systèmes de dosage et de mélange à deux composants présentement disponibles ne sont pas adaptés pour traiter des fluides abrasifs et opérer dans des zones dangereuses de Classe 1 Division 1. En ce qui concerne le mélange, les mélangeurs statiques semblent offrir des performances suffisantes pour mélanger un système de résine à deux composants, mais leur performance est difficile à prédire à l'aide de modèles et de simulations. La performance d'un mélangeur statique de type Kenics a été évaluée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier à réflexion totale atténuée (ATR-FTIR). Les résultats des travaux ont démontré que l'utilisation d'un mélangeur statique permet de mélanger les composants avec 98% d'homogénéité. Le nouveau système de mélange a été conçu, fabriqué et testé au CTA avant d'être installé et intégré à la ligne expérimentale de production de préimprégné SMC de Magna International. Il offre une large plage de ratio de mélange de 0,8:1 à 320:1 et un débit allant jusqu'à 2500 ml/min à un ratio de mélange nominal de 20,5:1.

Abstract

The use of structural composites for automotive applications is seen as a means of reaching the upcoming new regulations regarding CO2 emission of vehicles and light-weighting initiatives. Carbon fibre vinyl ester Sheet Moulding Compound (SMC) used with hot compression moulding is currently one of the leading solutions to achieve high-volume production cadences required by the industry. The fast-cured resins used contain a wide range of fillers and additives to lower the material costs and improve various properties. Automotive companies wishing to remain competitive must have a machine that allows the dosing and mixing of this resin, along with its multiple additives and fillers, for delivery to the production line continuously. Magna International, a world-leading tier one automotive supplier, is currently in the validation phase of a new SMC front car subframe and mandated Centre technologique en aérospatiale (CTA) to develop a new prototype in-line resin metering and mixing system. The project was made possible with the combination of a master's student from Polytechnique Montréal through a Mitacs grant and an NSERC ARD level 3 grant. The objectives of the project were to demonstrate the performance of using a static mixer to obtain a homogeneous sample, develop and manufacture a new two-component resin metering and mixing system and validate its performance and capabilities. Commercially available two-component metering and mixing system are not capable of processing abrasive fluids while operating in Class 1 Division 1 classified locations. With respect to mixing, static mixers seem to offer adequate performance to mix two-component resin system but their performance is hard to predict with models and simulations. The performance of a Kenics static mixer was evaluated using attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR). The use of a static mixer allows the resin and thickening agent to be mixed to 98 % homogeneity. The new system was designed, manufactured and tested at CTA before being installed and integrated to Magna International SMC prepreg development line. It offers a wide range of mixing ratio of 0,8:1 to 320:1 and flow rate of up to 2500 ml/min at a nominal mixing ratio of 20,5:1.