Hybride thermoplasten geven de laadvloer slagvastheid

Een ambitieus meerjarenprogramma van het Duitse System Integrated Multi-Material Lightweight Design for E-mobility (SMiLE) consortium heeft een demonstrator-autolaadvloermodule ontwikkeld die deel uitmaakt van een grotere hybride body-in-white (BIW) structuur en dat toont grote belofte voor het gebruik van composieten en non-ferro metalen in een middelgrote productieomgeving. De achterste laadvloer van dit batterij-elektrische voertuig (BEV) bestaat uit twee soorten thermoplastisch composiet, plus metalen profielen en inzetstukken. Het fungeert als de vloer van de kofferbak en het passagierscompartiment achterin. Het is op zijn beurt klevend en mechanisch verbonden met een tweede, hybride/thermoset composiet laadvloer, die is gevormd door harsoverdracht (RTM'd) van koolstofvezelversterkte epoxy met metalen inzetstukken en lokale sandwichstructuren met kernen van polyurethaanschuim. Deze structuur is de vloer voor de voorste helft van het voertuig en bevat de batterijen. De complete laadvloermodule is verlijmd en geschroefd aan aluminium tuimelaars/zijrails, die zelf met bouten zijn vastgemaakt aan dwarsbalken op de aluminium monocoque van het voertuig. De hele demonstrator van de laadvloermodule is ontworpen om de massa te verminderen en een aanzienlijke absorptie van botsenergie te bieden voor een in serie geproduceerd voertuig met een bouwvolume van 300 auto's per dag.

Ontwerpbeslissingen

Leden van het consortium die aan de achterste laadvloer werkten, waren onder meer autofabrikanten Audi AG (Ingolstadt, Duitsland - ook leider van het hele SMiLE-programma) en Audi-eigenaar Volkswagen AG (Wolfsburg, Duitsland); Karlsruhe Institute of Technology's Institute of Vehicle System Technology (KIT-FAST, Karlsruhe, Duitsland); Fraunhofer Institute for Chemical Technology (F-ICT, Pfitztal, Duitsland, leider voor zowel voor- als achterlaadvloerprojecten), en Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials (F-IWM, Freiburg, Duitsland); leverancier van thermoplastische composieten BASF SE (Ludwigshafen, Duitsland); machines OEM Dieffenbacher GmbH Maschinen- und Anlagenbau (Eppingen, Duitsland) en gereedschapmaker/vormer Frimo Group GmbH (Lotte, Duitsland).

De beslissing werd genomen om de achterste laadvloer te produceren met thermoplastische composieten met metalen inzetstukken. Het team wilde kofferbakkenmerken en constructies voor veiligheidsgordels op de tweede rij toevoegen, maar ze wilden ook de laadvloer gebruiken om aanzienlijke botsingsenergieën te absorberen. Normaal gesproken vertrouwen autofabrikanten voornamelijk op metalen profielen aan de zijkanten van metalen laadvloeren om de energie van aanrijdingen van achteren op personenauto's te beheersen. Gezien de slagvastheid van thermoplastische composieten, vroegen onderzoekers zich echter af of de volledige breedte en lengte van een composiet laadvloer zou kunnen worden gebruikt om crashbelastingen te beheersen. Ze vroegen zich ook af of hogere crash-energieën konden worden geabsorbeerd.

Onderzoekers beoordeelden veelvoorkomende thermoplastische composieten voor auto's. Polypropyleen (PP) en polyamide 6 (PA6)-matrices werden overwogen, maar PP werd om temperatuurredenen geëlimineerd, aangezien de achterste laadvloer met de BIW door het roestpreventieproces met hoge temperatuur elektroforetische coating (e-coat) gaat. Continue vezelversterking was nodig om de hoogste stijfheid en sterkte te bereiken, dus het voorbereidende werk concentreerde zich op met stof versterkte organosheet (een vorm van glasmat thermoplastisch (GMT) composiet) en unidirectionele (UD) thermoplastische prepregtapes. Om vele redenen werden banden geselecteerd voor verdere prototyping.

Onderzoekers wisten dat de geometrie van de achterste laadvloer complex zou zijn. Het gebruik van geautomatiseerde tape-legmachines (ATL) — die UD-tapes in elke richting plaatsen en vensters/gaten maken met minder materiaal dan organoplaat — zou het afval, de massa en de kosten verminderen en het meest efficiënte gebruik van vezels lokaal en wereldwijd over de hele wereld mogelijk maken. een deel. Omdat vezels die via ATL worden geplaatst, plat en parallel in elke laag van de stapel lagen liggen en niet geweven zijn zoals stoffen, is er geen golving en bijgevolg verlies van stijfheid en sterkte.

UD-tapes hebben echter beperkingen:ze zijn relatief duur en hebben een slechte drapeerbaarheid met bijna geen vloei, waardoor het moeilijk is om complexe geometrieën te vullen. Deze problemen werden overwonnen door selectief gebruik te maken van discontinue/gehakte direct-lange vezel thermoplastische (D-LFT) composieten, die vloeibaar zijn, een hoge mate van functionele integratie/consolidatie van onderdelen mogelijk maken en veel gemakkelijker te vormen zijn tot complexe ribben zonder vezeloverbrugging, maar toch kunnen aanzienlijke crash-energie absorberen. Met D-LFT is het ook gemakkelijker om metalen hulpstukken in te brengen, vooral als de inzetstukken zijn voorgeboord, zodat gaten het composiet door en rond het metaal laten stromen, waardoor een sterke verbinding ontstaat via mechanische vergrendeling. Verder is D-LFT minder duur dan tapes of organoblad en veel gemakkelijker te vormen in dikke secties. D-LFT is samengesteld aan de perszijde en vereenvoudigt het materiaalvoorraadbeheer en biedt een hoge mate van flexibiliteit bij ontwikkelingsprogramma's om snel materiaalkenmerken te wijzigen - vezellengte en -type, vezelvolumefractie (FVF) en matrix - terwijl onderdelen worden gemaakt en geëvalueerd. Tijdens de productie zijn de materiaal-/procesinstellingen controleerbaar om een ​​hoge herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid (R&R) te bereiken. Daarom gebruikt de automobielindustrie het proces al bijna twee decennia voor productie van middelgrote tot grote volumes.

Omdat onderzoekers de achterste laadvloer dun en licht wilden houden en in staat wilden zijn om knikken te weerstaan ​​en tegelijkertijd hoge schokbelastingen te absorberen, voerden ze simulaties en initiële ontwikkeling uit door middel van kleine onderdelentests met met glas- en koolstofvezelversterkte tapes en D-LFT op verschillende vezels. -gewichtsfracties (FWF's) om mechanische prestaties versus vulgedrag te evalueren. Hoewel koolstofcomposieten dunnere, lichtere en stijvere structuren produceerden dan glas, omdat de kosten ook een punt van zorg waren en de voorste laadvloer al koolstofvezelversterking gebruikte, kozen onderzoekers glas om de achterste laadvloer te versterken tijdens het opschalen naar onderdelen op ware grootte. Ultramid B3K PA6 D-LFT met 40 gew.% glasvezel en acht lagen Ultratape B3WG12 PA6 met 60 gew.% glasvezel, beide van BASF, werden gebruikt.

Na veel simulatiewerk is de 1,3 bij 1,3 m Het uiteindelijke ontwerp van de achterste laadvloer bestaat uit een dunne, bijna netvormige structuur die is gemaakt van UD-tapes die zijn voorgeconsolideerd tot een laminaat dat is verweven met een dikkere D-LFT-drukzone (zie Fig. 2). Grote ribbels, ook gemaakt van UD-tape ,   met diepe troggen (50 mm hoog en 115 mm breed) werden langs de lengteas van het onderdeel gevormd voor een hoge stijfheid bij een lage massa en dikte. Bovendien werden tijdens het leggen van de tape twee vensters gevormd om D-LFT door het laminaat te laten dringen tot waar het nodig was. Omdat diepe golvingen moeilijk te vormen zijn in grote laminaten, was het noodzakelijk om zowel het gietproces als het gereedschap aan te passen om goede onderdelen te produceren (zie "Hoe onderzoek naar een autovloermodule de ontwikkeling van een nieuw D-LFT/compressiegietsubproces mogelijk heeft gemaakt"). Deze golvingen, in combinatie met twee ladingen D-LFT die complexe ribben vormden in X-vormige roosterstructuren, genereren een hoog traagheidsmoment voor het gebied, waardoor de stijfheid van het dunne, lichtgewicht ontwerp toeneemt en knikken bij een crash wordt voorkomen. D-LFT-roosters aan de achterkant van het onderdeel vormden een kreukelzone om energie te absorberen bij aanrijdingen van achteren. Aluminiumprofielen werden integraal gegoten aan de axiale zijden van de laadvloer en verlijmd met D-LFT en laminaat via speciale oppervlaktebehandelingen en gaten die in elkaar grijpen. Deze profielen zijn zorgvuldig ontworpen om de stijfheid van het onderdeel verder te vergroten, een goed knikgedrag te bieden en kracht over te brengen naar de D-LFT-knelzone tijdens een crash. Ze bieden ook bevestigingspunten voor directe montage van de achterste laadvloer aan omringende metalen constructies. Extra metalen inzetstukken, ook integraal in de structuur gegoten, zorgden voor directe montage voor veiligheidsgordelsloten.

Succesvolle implementatie

Simulaties en tests met kleine en grote onderdelen hebben uitgewezen dat de volledige hybride laadvloer achter kan worden gebruikt om de crashbelasting te beheren. Nader onderzoek wees uit dat deze technologie net zo veilig zou moeten zijn als conventionele metalen constructies.

Eén groter projectdoel — het verminderen van de totale BIW-massa tot 200 kg — werd theoretisch gehaald tijdens simulatie en ontwikkeling van kleine onderdelen. Naarmate het project evolueerde, werden echter betere crashprestaties gewenst, waarvoor massa aan composietstructuren moest worden toegevoegd. Daarnaast leidden kostenoverwegingen tot een overstap van koolstofvezel naar glasvezelversterking voor de achterste laadvloer. De resulterende achterste laadvloer met inzetstukken weegt 32,9 kg, terwijl de voorste laadvloer (met inzetstukken maar zonder batterijen) 12,1 kg weegt. Voor de laatste testonderdelen werd het massadoel met slechts 4,3% gemist om hogere veiligheid en lagere kosten te bereiken. De SMiLE BIW zou ook duurder zijn dan conventionele metalen systemen vanwege het intensieve gebruik van koolstofvezelversterking in de voorste laadvloer.

Het achterlaadvloerproject leidde tot de ontwikkeling door F-ICT van een D-LFT/compressie-subproces genaamd local advanced tailor made LFT , dat selectief D-LFT-materiaal aanbrengt op grotendeels UD-tapestructuren om lokaal complexe geometrieën (zoals ribben) te produceren die niet met tapes kunnen worden gemaakt. Een andere F-ICT-technologie die vóór SMiLE is ontwikkeld maar in het project wordt gebruikt, is een methode om thermoplastische tapes snel te verwarmen en te consolideren via straling-geïnduceerde vacuümconsolidatie, een technologie die nu commercieel verkrijgbaar is bij Dieffenbacher op een machine genaamd Fibercon.

Opmerkelijk is dat het experimentele proces en de zeer complexe tool geproduceerd door Frimo vanaf het begin werkten en meer dan 100 demonstratieonderdelen werden geproduceerd voor latere tests en demonstraties. Hoewel het team het vormproces zo heeft ontworpen dat het in één stap kan worden uitgevoerd, heeft Dr.-Ing. Sebastian Baumgärtner, F-ICT-teamleider voor thermoplastische verwerking en leider van het achterste laadvloerproject, is van mening dat het in een productieomgeving efficiënter zou zijn om dit complexe onderdeel in twee stappen te vormen, waarbij het voorvormen van laminaat in een afzonderlijk gereedschap wordt gedaan. "We hebben ervoor gekozen om eerst het moeilijkere eenstapsproces te proberen en het werkte goed", legt Baumgärtner uit. “De tool was echter erg complex en procescontrole was niet zo eenvoudig. Als het laminaat op plekken te heet werd, had het een zeer sterke interactie met de LFT-strengen. Om een ​​goede herhaalbaarheid tijdens de productie te garanderen, zou het beter zijn om dingen te vereenvoudigen en een proces in twee stappen te kiezen, dat robuuster zou zijn.” Toch was het team, gezien de grote omvang van dit composietonderdeel en het complexe proces dat werd gebruikt om het te vormen, zeer tevreden met de eindresultaten. "We hebben aangetoond dat we een innovatief en economisch onderdeel konden produceren dat geoptimaliseerd was voor gewicht en prestaties en dat een hoge functionele integratie bood met behulp van commerciële technologie", voegt hij eraan toe.

De complete laadvloer won de CCE-JEC Innovation Award 2018 in China en de Duitse regering erkenden het grotere SMiLE-programma als een Lighthouse-project, wat betekent dat de technologie belangrijk zal zijn voor gebruik in toekomstig mobiliteitsontwerp. Het team is in gesprek over de volgende stappen.