Thermoplastische composieten:schilderachtig uitzicht

Een team in Frankrijk onder leiding van Webasto SC in Les Châtelliers-Chateaumur heeft een nieuwe zonnedakmodule met vast glas ontwikkeld die voor het eerst gebruik maakt van geleiderails van thermoplastisch composiet om conventionele aluminium rails te vervangen. Voor het eerst gecommercialiseerd op verschillende multifunctionele voertuigen (MPV's) geproduceerd door Groupe Renault (Boulogne-Billancourt), bespaart de verandering gewicht, kosten en gereedschap, elimineert hardware en meerdere verwerkingsstappen, vereenvoudigt de installatie aan de lopende band, vermindert het bedrijfsgeluid en maakt 13 mm extra hoofdruimte tussen de inzittenden en het glaspaneel van het zonnedak.

Gemeenschappelijk in Europa, maar ongewoon in Noord-Amerika, worden rolgordijnmodules doorgaans gebruikt om vaste glazen daksystemen te bedekken - vaak grote panoramische daken die bijna de gehele breedte en lengte van de daklijn van het voertuig beslaan. Wanneer ze worden ingezet, hebben ze vrijwel dezelfde functie als stijve zonneschermen op Noord-Amerikaanse voertuigen, waarbij ze overtollig zonlicht blokkeren en het geluid van regen en wind dempen. Ze bestaan ​​uit een dunne maar lichtblokkerende stof die wordt uitgerold en ingezet langs een gemotoriseerde baan, en vervolgens weer wordt opgerold rond een as die onder de hemelbekleding aan de achterkant van het dak op het voertuiginterieur is ondergebracht.

Conventioneel zonnedak

De auto-industrie heeft in het verleden aluminium rails gebruikt om de rolgordijnmodule van een zonnedak te verbinden met de body-in-white (BIW) dakconstructie, vooral in het geval van grote en transparante zonnedaksystemen met vast glas, die doorgaans bijna de gehele lengte beslaan en breedte van het dak van de auto. Deze geleiderails, die langs de bestuurders- en passagierszijde van het dak zijn gemonteerd, doen dubbel werk op rolgordijnen zonnedaksystemen omdat ze het glijoppervlak vormen waarlangs het gemotoriseerde stoffen rolgordijn beweegt als de schaduw wordt opgerold om meer licht in de het interieur van het voertuig, of wanneer het wordt ingezet om dat licht te verminderen. In tegenstelling tot de starre zonneschermen die gebruikelijk zijn in Noord-Amerika, nemen de rolgordijnzonweringen, wanneer ze zijn ingetrokken, weinig ruimte in onder de hemelbekleding waar ze niet kunnen worden gezien door de inzittenden van het voertuig, maar bieden toch dezelfde thermische isolatie van de zon en geluidsisolatie van de wind en regen die stijve parasols wel.

Het conventionele productieproces voor aluminium rails begint met een aluminium profiel met constante doorsnede en vereist een arbeidsintensief, meerstaps frees-en-afwerkingsproces om de complexe vorm van de rail te bereiken:

• op lengte knippen,
• het vormen van kleine vouwen door middel van stempelen en ponsen,
• curven vormen,
• het bewerken/frezen van complexe vormen die niet kunnen worden voorgevormd met stempelgereedschappen (vereist één gereedschapset/bewerking en één kwaliteitscontrole na elke stap),
• anodisatierail in zwarte of natuurlijke kleur,
• en montage van elektrische kabelclips, spiraalkabelclips, centreer-/positioneringspinnen en moeren.

Elk merk en model van een personenwagen gebruikt een iets andere vorm en lengte van de rail, dus fabrikanten van zonnedaken moeten aanzienlijke voorraden produceren en opslaan tijdens de productierun van een bepaalde zonnedakmodule. En wanneer een nieuw model wordt toegevoegd, is geheel nieuwe tooling vereist, tenzij het voertuig gemeenschappelijke onderdelen deelt met de module voor het zonnedaksysteem van een bestaand model.

Aluminium geleiderails zijn niet alleen arbeidsintensief bij de productie bij de fabrikant van het schuifdak, maar ook bij de montage in de voertuigassemblagefabriek. Conventioneel worden rails handmatig met schroeven aan de BIW bevestigd. Vervolgens wordt de zonnedakmodule door het voorruitvak geleid en van onderaf in de opening in het dak geplaatst waar de bediener deze aan de recent geïnstalleerde rails vastmaakt. Ten slotte wordt het glazen dak zelf, via structurele lijm, aan de bovenkant van de auto verlijmd, waardoor de zonnedakmodule en het interieur van de cabine worden afgedicht.

Hoewel aluminium rails bekende, gevestigde technologie vertegenwoordigen, hebben ze nadelen. Ten eerste is aluminium een ​​kostbare grondstof en is het moeilijker dan staal om in complexe vormen te buigen. Ten tweede, om het milieu te beschermen, is het verwijderen van de anodiserende chemicaliën die worden gebruikt om corrosie te voorkomen, een aanzienlijke extra kostenpost. Zoals hierboven beschreven, is het fabricageproces lang en gecompliceerd en zijn de gereedschapskosten hoog. Ook vereisen inspanningen om de functionaliteit te vergroten het gebruik van extra hardware die wordt toegepast via extra montagestappen.

Nieuw spoorconcept

Op basis van andere succesvolle conversies van zonnedakframes van aluminium naar composieten op schuifdaksystemen met veel kleiner formaat, besloot een team van Webasto een onderzoek uit te voeren om te zien of de veel grotere zijhekken op rolgordijnsystemen ook zouden kunnen worden omgezet naar composiet. (De dwarsbalken voor en achter waren op dergelijke systemen al omgebouwd tot composiet — typisch met glas versterkt polypropyleen (GR-PP)). Het doel was om functionaliteit toe te voegen, de fabricagestappen, het aantal onderdelen, de kosten en het gewicht van de onderdelen te verminderen. voldoen nog steeds aan de OEM-prestatievereisten.

Het team begon met het bestuderen van de functionaliteit en bedrijfsomstandigheden van de geleiderails en identificeerde het meest kritieke kenmerk van rails als hun vermogen om een ​​soepele beweging van het gemotoriseerde zonnescherm te vergemakkelijken met dezelfde kracht van voren naar achteren en van links naar rechts langs het pad van het spoor . Om dat te bereiken, hebben rails een nauwkeurige geometrie en een constante doorsnede over de gehele lengte nodig, die groter kan zijn dan een meter. Bovendien moeten de rails voldoende structureel zijn om een ​​veilige verbinding te bieden met andere onderdelen van het zonnedak/module, inclusief de dwarsbalken van het zonnedak voor en achter en de dakconstructie zelf, het motormechanisme, het dakglas en de hemelbekleding. Om aan de OEM-vereisten te voldoen, moet het gemotoriseerde zonnescherm werken met een laag schuifgeluidsniveau om geluid/trillingen/hardheid (NVH) in het interieur van de cabine te verminderen.

Een scan van veelgebruikte autocomposieten elimineerde snel die met thermohardende matrices en favoriete thermoplasten. Vergeleken met thermoplastische composieten, hebben composieten die nat worden met thermoharders de neiging om een ​​hogere dichtheid te hebben, langzamere vormcycli te hebben en meer nabewerking nodig te hebben. Bovendien bieden hersmeltbare thermoplasten een lijm- en bevestigingsmogelijkheid tussen boven- en onderrails en vereenvoudigen ze de recycling aan het einde van hun levensduur enorm. Bovendien zorgden thermoharders voor bezorgdheid over mogelijke beslaan en uitstoot van vluchtige organische stoffen (VOS), die streng zijn gereguleerd voor voertuiginterieurs in de Europese Unie.

Vanwege OEM-eisen voor een extreem strakke dimensionale controle - met name om kromtrekken te voorkomen, wat een goede werking van het zonnescherm zou belemmeren - werden polyamide, polypropyleen (PP) en thermoplastische polyesters geëlimineerd. Omdat aluminium rails vet nodig hebben voor een soepele werking van de parasol, en omdat Webasto-ingenieurs nog niet zeker wisten of smeermiddel nodig zou zijn op composietrails, werd polycarbonaat geëlimineerd vanwege de slechte chemische weerstand en de neiging tot spanningsscheuren. Acrylonitrilbutadieenstyreen (ABS) werd afgewezen vanwege de thermische vereisten van 110°C voor het zonnedak.

Het Webasto-team had eerder met glasvezel versterkt styreenmaleïnezuuranhydride/ABS (GR-SMA/ABS) gebruikt voor het schuifdakframe van bewegend glas, dus vestigde het de aandacht op dit materiaal, dat al tientallen jaren in de auto-industrie wordt gebruikt voor instrumentenpaneel substraten. GR-SMA/ABS is een lage dichtheid, stijf en sterk, heeft een zeer lage kromming en lage vervorming over een breed bereik van temperaturen en vochtigheidsniveaus. Omdat het amorf is, is er geen probleem met kristallisatie en krimp na de mal. Bovendien is het herverwerkbaar in de smelt, las het mooi en zorgt het maleïnezuuranhydride-bestanddeel voor een hoge hechtsterkte op een verscheidenheid aan substraten, waaronder de structurele polyurethaanlijm die wordt gebruikt om het glazen dak met de zonnedakmodule te verbinden.

Webasto wendde zich tot zijn GR-SMA/ABS-harsleverancier Polyscope Polymers BV (Geleen, Nederland) om kwaliteiten voor te stellen die zouden werken. Polyscope leverde twee mogelijkheden - 15% GR XIRAN SGH30EB en 30% GR XIRAN SGH60EB - die vervolgens werden onderworpen aan kleinschalige laboratoriumtests bij Webasto. De 30% GR-klasse was stijver, maar de hogere E-modulus was niet vereist om een ​​soepele werking van het zonnescherm te garanderen. Tests gaven aan dat de 15% GR-klasse zou voldoen aan de mechanische eigenschappen, dus het team koos ervoor om dat materiaal te gebruiken, niet alleen voor de linker- en rechterrails, maar ook voor de voorste dwarsbalk. De achterste dwarsbalk bleef in GR-PP.

De volgende beslissing was welk proces te gebruiken om de rails te produceren. Aanvankelijk werd profielextrusie overwogen omdat het zowel holle als massieve vormen kan produceren, en functioneel lijkt het op het proces dat wordt gebruikt om aluminium profielen te produceren. Het is ook een continu proces, snel genoeg om aan de productie-eisen te voldoen, maar de gereedschapskosten zijn relatief laag. Helaas waren onderzoekers bang dat extrusie niet voldoende gladde binnenoppervlakken zou produceren van vezelversterkte harsen om het zonnescherm soepel en stil langs de baan te laten bewegen. Het proces zou ook de mogelijkheid beperken om de profielgeometrie over de lengte van de rail te wijzigen om meer functionele integratie op te nemen zonder hardware (zoals extra pinnen en clips) toe te voegen tijdens nabewerkingsstappen.

Het andere overwogen proces was spuitgieten, waarmee zeer complexe 3D-structuren met gladde afwerkingen en hoge esthetiek snel, nauwkeurig en met uitstekende herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid (R&R) kunnen worden geproduceerd. Bovendien kunnen er gaten, uitsnijdingen, snap-fits en zelfs clips worden ingegoten, waardoor secundaire afwerking wordt verminderd.

Voor de beoogde toepassing is het nadeel dat spuitgieten niet in één stap een holle structuur kan produceren (waardoor elke rail in twee stukken moet worden gegoten en vervolgens moet worden samengevoegd). Ook kan gereedschap kostbaar zijn.

Het team koos voor spuitgieten met als doel meerdere onderdelen op te nemen in een familiegereedschap om de gereedschapskosten te verlagen.

Concept bewijzen

Het basisconcept zag er veelbelovend uit en het ontwikkelingsteam breidde zich uit met OEM Groupe Renault en gieter ARRK-Shapers (La Séguinière, Frankrijk). Het doel was om een ​​composiet railsysteem te ontwerpen voor een zonnedakmodule met vast glas en rolgordijnen op de Renault Scenic (vijfzitter) en Grand Scenic (zevenzitter) modeljaar 2016 multifunctionele voertuigen (MPV's). Het team besloot om elke rail zo te ontwerpen dat deze een hoge mate van functionele integratie omvat, spiegelsymmetrie tussen de rails voor de linker- en rechterzijde en dat het ontwerp geschikt is voor zowel standaard (sedan/saloon/vijfzitter) als lang (wagon/stationair) auto/zevenzitter) voertuigmodellen. Aspecten van het ontwerp van het team worden nu gedekt door drie patenten.

Om de gereedschapskosten beheersbaar te houden, heeft het team het ontwerp van de matrijs geoptimaliseerd om de boven- en onderkant van zowel de linker- als de rechterrails, de voorste dwarsbalk en drie stukken verbindingsinterface die aansluiten op de achterste GR-PP-dwarsbalk ( afzonderlijk gegoten) om in elke cyclus te produceren. Een andere kostenbesparende stap was het gebruik van modulaire blokken door ARRK-Shapers (die worden ingebracht/verwijderd om zowel lange als korte railversies te laten werken) in plaats van dure gereedschapsgeleiders. Om alle acht GR-SMA/ABS-componenten in een groot familiegereedschap te vormen, was een injectiepers met een klemkracht van 1.500 kN nodig. Er werd gekozen voor ultrasoon lassen om de boven- en onderrails met elkaar te verbinden, en er werd een speciale montagemal ontworpen en gebouwd.

Een prototype- en testfase stelde het team in staat om het spoorontwerp af te ronden, te anticiperen op productie-uitdagingen en te verzekeren dat onderdelen de validatietests van Renault zouden doorstaan, waaronder:

• Duurzaamheidstest voor 10.000 levenscycli.
• Tri-assige trillingstests over een temperatuurbereik van -20°C tot 110°C bij 95% relatieve vochtigheid (RV).
• Temperatuurwisseling van 85°C tot -20°C tot 50°C bij 95% RH tot 110°C.
• Afpelsterkte en afschuifsterkte na verlijming.
• Rijgeluidstest Renault voor NVH.
• Kurkentrekkertest met rollover.
• Werksnelheid van rolgordijnen van minimaal 75 mm/sec bij 23°C bereikt na elke test.

"Het idee om geleiderails van geëxtrudeerd aluminium om te bouwen tot een kunststof oplossing op een rolgordijn met zonnedak is een idee van Webasto en al lang gepatenteerd", legt Jacques Vivien, Webasto R&D, design to cost, industrieel expert uit. "Tot voor kort voldeed geen enkel technisch plastic echter aan de hoge eisen van deze functie." Hij herinnert ons eraan dat de kunststofkandidaat moest voldoen aan eisen voor maatnauwkeurigheid; stabiliteit in de tijd, weerstand tegen temperatuur- en vochtigheidsveranderingen; behoud van stijfheid en glijdend vermogen; vertonen uitstekende hechtbaarheid; en doe dat allemaal en blijf kostenconcurrerend. "We waren erg blij met de selectie van Polyscope's XIRAN SGH30EB, waardoor het project een volledig succes werd voor alle betrokkenen."

Verwachtingen overtreffen

Met meer dan twee jaar productie en verkoop presteren de composietgeleiderails zoals voorspeld en zijn er veel voordelen waargenomen op het niveau van de niveaus, OEM's en klanten. De slimme tooling van ARRK-Shapers heeft bijvoorbeeld aanzienlijke kosten bespaard op het programma. Webasto's gebruik van een ontwerp met een aanzienlijk grotere functionele integratie dan de oude aluminium constructie, en de keuze voor spuitgieten om de complexe structuren in één keer te creëren, elimineerde hardware en post-mold afwerking, wat ook de kosten reduceerde. Alleen al de spoorproductie werd teruggebracht van zeven stappen naar twee.

In de assemblagefabriek van Renault arriveert het nieuwe zonnedaksysteem, inclusief het rolgordijn, volledig gemonteerd en vooraf getest als een eendelige eenheid die robotisch aan het dak is bevestigd, waardoor twee tot drie montagestappen worden geëlimineerd en een operator opnieuw kan worden toegewezen, wat de kosten verlaagt en tijd nog verder. Naar verluidt bedroeg de aanvankelijke verlaging van de systeemkosten ongeveer 20%, maar de nieuwe module heeft minder onderdelen, wat naar verwachting de garantiekosten op de lange termijn zal verlagen, zoals blijkt uit lagere onderdelen per miljoen (PPM) defecten en een hogere kwaliteit bij Renault. Een ander voordeel van de nieuwe composietrails is dat een Z-as element-stack reductie van>13 mm werd bereikt, omdat de hele module rechtstreeks op de BIW wordt gelijmd in plaats van het conventionele twee-naar-drie-stappen proces, waarbij de rails worden met schroeven aan de BIW bevestigd en de module wordt vervolgens aan de rails bevestigd. Dit zorgt niet alleen voor meer werkruimte op de lopende band voor werknemers, maar geeft ook grotere inzittenden van voertuigen meer hoofdruimte. Een andere subtiele verbetering was dat de NVH tijdens de werking van de zonwering werd verminderd om de enorme daglichtopening op beide modellen van het voertuig te openen of te sluiten. Net als aluminium zijn de composietrails volledig recyclebaar, maar er is minder energie nodig om ze in eerste instantie te produceren en aan het einde van de levensduur van het voertuig te recyclen, wat ze waarschijnlijk ook beter maakt voor het milieu. (Interessant is dat het team ook ontdekte dat er geen smeermiddel nodig was op de composietrails voor een betrouwbare werking van de parasol.)

"Toen Jacques Vivien van Webasto Frankrijk me voor het eerst vertelde dat hij overwoog om aluminium geleiderails te vervangen door SMA-composiet op een zonnedak-rolgordijnmodule, dacht ik dat het misschien een beetje een uitdaging zou zijn, maar de moeite waard om het risico te nemen", merkt Henri- op. Paul Benichou, de verkoop- en bedrijfsontwikkelingsmanager van Polyscope. “Deze innovatieve toepassing bleek een technisch en industrieel succes te zijn, met tal van voordelen voor leveranciers, Renault en de klanten van Renault.”