Composietversterkingen in Voertuig Carrosserie Structuren

Hoewel composieten enkele inroads hebben gemaakt in automotive body-in-white (BIW) structuren, is materiaalgebruik in dit gebied van het voertuig lang gedomineerd door staal en, meer recent, aluminium. Vanwege dit, vertrouwen automakers zwaar op lassen en mechanische bevestigingsmiddelen zoals bouten en schroeven om metallische structuren te verbinden. Hoewel over het algemeen robuust, kunnen gelaste verbindingen en bevestigingsmiddelen falen. Ze doen ook weinig om stijfheid te verbeteren (zonder onnodig de massa te verhogen) of om geluid/trilling/harsheid (NVH) of crashenergie die door een voertuig passeert te mitigeren. Een manier om deze uitdagingen te tegemoettrekken is om BIW verbindingen en kaviteiten te versterken met composieten gekoppeld aan structurele lijmen.

Composite Body Solutions (CBS)

Een voorbeeld van zo'n oplossing is een klasse materialen/technologieën genaamd composite body solutions (CBS). Deze omvatten 3D structurele inserts voor het versterken van primaire voertuigstructuren die elementen van de BIW of andere voertuigsubstructuren combineren, thermoplastische dragers (met continue of discontinu vezelversterking) en warmte-geactiveerde, schuimende structurele lijmen. CBS elementen worden geïnstalleerd in de carrosserieafdeling vroeg in de voertuigbouw, voor toepassing van electroforetische roestpreventieve coating (E-coat).

CBS componenten worden typisch geproduceerd in een 2K/injectie overmoldingsproces waar de drager — met lasplaatjes of snap-fits om de CBS tijdelijk aan metallische BIW componenten te verbinden — selectief overmolded wordt met uitdijbare lijm en mogelijk een additionele dichtmiddel (in een 3K proces) voor toegevoegde functionaliteit. De droog-aan-de-vinger ongecureerde lijm (gebaseerd op custom epoxychemie) kan in complexe gevormde vormen worden gemold, maar laat E-coat dekking van metallische elementen toe door een gat tussen composiet en metaaloppervlakken te handhaven voor warmte-geïnduceerde uitdijging tijdens na-E-coat oven uitharding. Als de schuim uitdijgt, worden gaten afgedicht tussen drager en omringende componenten, wat ze samen sluit in een doos-achtige "macro-structuur" die mechanische eigenschappen verbetert, met name onder hoge en dynamische belasting.

Wanneer vroeg in het voertuigontwerp geïntegreerd, zijn CBS modules massa- en kostenefficiënte opties voor het verhogen van lokale en globale BIW stijfheid en het verbeteren van passagiersveiligheid en comfort bij lagere massa. Ze maken ook neutrale of lagere kosten mogelijk versus zwaardere, volledig metallische oplossingen. Initieel alleen gebruikt in automotive, heeft een groeiend portefeuille van drager en lijmmaterialen CBS toepassingen verbreed, hoogtepunten van welke volgen.

Geengineerd voor Prestatieuitdagingen

CBS technologie werd ontwikkeld en gecommercialiseerd door L&L Products Inc. (Romeo, Michigan, VS). Met een lange geschiedenis als automotive leverancier van dichtmiddelen, akoestische tegenmaatregelen en versterkingen om BIW prestaties te verbeteren, ontwikkelde L&L de technologie om klanten te helpen passagiersveiligheid te verbeteren en strengere automotive crashvereisten te halen bij lagere kosten en gewicht tijdens het verbeteren van verwerking en assemblage tijdens voertuigbouw.

Tussen 1995 en 2004, was CORE Products, een joint venture tussen L&L en Gurit Essex (Wattwil, Zwitserland), verantwoordelijk voor vroege toepassingsontwikkeling en CBS productie. L&L verwierf uiteindelijk alle activa van CORE, wat nu opereert als L&L Products Europe.

L&L werkte nauw met zijn materiaalleveranciers tijdens initiële ontwikkeling en daaropvolgende uitbreiding van CBS technologie. Een dergelijk bedrijf, Lanxess AG (Keulen, Duitsland), heeft lang composiet drager materialen en materialenkarakterisatie en simulatiesteun aan L&L in Europa geleverd.

CBS in Toepassing

Naast de al genoemde voordelen, biedt CBS technologie betere belastingpad overgang, multiaxiale belastingbeheer en energie-absorptie; grotere sectiestabiliteit (weerstand tegen instorting of indringing); lagere NVH; en verbeterde rijddynamica en crashprestaties bij hogere belasting. Bovendien biedt het snellere implementatietijd tijdens voertuigontwerp/herontwerp en vereist geen assemblage volgorde veranderingen in de carrosserieafdeling. Omdat CBS technologie het makkelijker maakt om energieoverdracht door carrosseriestructuren te controleren terwijl deformatie en/of indringing geminimaliseerd worden, is het ideaal geschikt voor toepassingen ontworpen om frontale, zijdelingse of achterste botsingen of dakvervorming te weerstaan om insassen, passagierscompartimenten en batterijen beter te beschermen. Het is ook nuttig voor structuren die uitdagende protocollen moeten doorstaan zoals de Insurance Institute for Highway Safety (IIHS, Arlington, Virginia, VS) small overlap crash tests.

"De ontwerpversatiliteit van CBS technologie helpt assemblage vereenvoudigen in gebieden met complexe of moeilijk-te-benaderen condities," legt Núria Ignés, structural products engineering manager, L&L Products Reinforce bij L&L Products EMEA (Altorf, Frankrijk), uit. "Bijvoorbeeld, het gebruik van CBS technologie op deuren en andere afsluitingen verlaagt niet alleen gewicht en verhoogt stijfheid, maar kan deurfabricatie vereenvoudigen als geïntegreerd vroeg in het ontwerpproces. Dankzij CAE tools en decennialange ervaring, plus de combinatie van drager en schuim, wat een robuuste bevestiging aan de BIW biedt eenmaal gecureerd, kunnen we de juiste hoeveelheid van het juiste materiaal op de juiste plek gebruiken om stijfheid met massa en kosten of energie-absorptie met akoestiek en kosten te balanceren."

"Een echt interessant aspect van CBS technologie is zijn 'bio-mimetische' natuur," voegt Peter Cate, L&L global strategic marketing manager, toe. "Net als de cellulaire versterkende strepen in het midden van botten de meest massa-efficiënte manier van de natuur zijn om stijfheid toe te voegen en belasting te managen in holle structuren, zodra de lijm uitdijgt, versterken CBS eenheden voertuig carrosseriekaviteiten op dezelfde manier, wat ingenieurs helpt structurele stijfheid te optimaliseren bij de laagste massa."

"Door lokale en algemene stijfheid te verhogen en belasting effectiever te verdelen over een structuur, zijn CBS versterkingen op maat gemaakte oplossen om gelokaliseerde stijfheid en metaalmoeidheidskwesties aan te pakken zonder massa toe te voegen," vervolgt Pal Swaminathan, business development manager, Tepex Automotive, Lanxess Corp. (Pittsburgh, Pennsylvania, VS). "NVH verbeteringen zijn ook gebruikelijk wanneer CBS technologie geïntegreerd wordt in carrosseriestructuren. Weer, zorgvuldige engineering analyse stelt ontwikkeling en locatie-optimalisatie oplossingen in staat om rit- en handlingkarakteristieken te balanceren."

Vroege Toepassingen

Een vroege automotive toepassing van CBS technologie op de toenmalige PSA Group's 2006 Citroën C4 Picasso sedans betrof negen eenheden om A- en B-pilaren en de achterste dwarsbalk te versterken. De versterkende elementen knippen 12 kilogram van het voertuiggewicht af tijdens het verbeteren van insassenveiligheid. Het zwarte materiaal is het Lanxess composiet, het rode is L&L's epoxy schuim en het zilver is een deel van de metallische carrosseriestructuur waaraan het CBS element bevestigd is.

L&L's eerste commerciële automotive toepassing van CBS was in 1998; tot 2002 won de technologie marktacceptatie. Een goed vroege voorbeeld was geïmplementeerd op 2006 Citroën C4 Picasso sedans van PSA Group (Parijs, Frankrijk — nu Stellantis N.V., Amsterdam, Nederland). Negen CBS componenten — op lagere secties van A-pilaren, lagere en bovenste secties van B-pilaren, en op de dwarsbalk boven de achteras — verminderden voertuigmassa met 12 kilogram versus metallische opties. Sommige CBS inserts verhoogden selectief draagcapaciteit en minimaliseerden indringing in het passagierscompartiment tijdens impact, verbeterend insassenveiligheid. Andere verbeterden NVH prestaties van de BIW. Alle dragers waren injectiegevormd van 35 wt-% kort-glas/polyamide 6 (PA6). Vergelijkbare CBS eenheden werden gebruikt op 2012 Ford Transit vrachtwagentjes van Ford Motor Co. (Dearborn, Michigan, VS).

Nieuwe Drager, Schuim Opties

Over de jaren, hebben L&L en zijn leveranciers CBS technologie uitgebreid met nieuwe schuimformuleringen, een breder bereik van dragerharsen en versterkingen en door het concept toe te passen op verschillende structuren.

Bijvoorbeeld, de meeste CBS dragers voor crashtoepassingen zijn geëngineerd met warmte-gestabiliseerde, 30 wt-% glas-versterkte PA6 omdat een balans tussen stijfheid en duktiliteit binnen een complexe 3D vorm nodig is. Twee dergelijke dragers werden gebruikt op voorste lengtemededelen voor een groot elektrisch voertuig (EV) platform waar, naar verluidt, ze niet alleen assemblage vereenvoudigden (onderdeelcount verminderde) maar ook crash indringing in de brandschot met 20% verminderden.

Voor hogere impactvereisten, zijn hybride dragers nu beschikbaar, zoals die A-pilaren versterken op de grotendeels aluminium-carrosserie 2019 Porsche 911 Carrera Cabriolet sportwagen van Porsche AG (Stuttgart, Duitsland). Als een cabriolet, was het stijven van het dakloze frame cruciaal om passagiers bij omkeeren te beschermen. Om voertuigen licht en wendbaar te houden, verving Porsche zware buisvormige staal rollbars door CBS inserts in de A-pilaren. Pilaren schillen werden geproduceerd in hoogsterkte staal, die gestabiliseerd en gestijfd werden door CBS inserts binnen elke pilaar. De hoofddrager lichaam was compressiegevormd organovellen (47 vol-% koordweefsel glas stof/PA6), die voorverhit, voorgevormd, dan injectie overmolded met ribben (30 wt-% kort-glas/PA6/6). De organovellen kant draagt L&L's L-5235 uitdijbare lijm. Niet alleen voldede deze hybride technologie aan alle prestatie- en gewichtsdoelen (wat de buisvormige staaloptie naar verluidt niet deed), maar het verminderde voertuigmassa met 5,4 kilogram, vereenvoudigde assemblage en verlaagde het zwaartepunt van het voertuig, wat de rijddynamica verbeterde.

Voor toepassingen waar een ovenproces niet beschikbaar is om de uitdijbare lijm te activeren, of waar additionele ondersteuning nodig is in de verfafdeling, zegt L&L dat het aan andere omgevingscurende oplossingen werkt.

Diverse gerelateerde technologieën gebaseerd op CBS zijn ook ontwikkeld. Binnenkort zijn eerste commerciële toepassing te hebben, combineert L&L's continuous composite system (CCS) glas- of koolstofvezel-versterkte gepultrudeerde dragers — bijv., polyurethane (PUR) met of zonder stoffen alsmede rovings — met custom-geformuleerde dichtmiddelen of structurele lijmen. CCS elementen, die ook CBS onderdelen en metallische componenten kunnen incorporeren, verbeteren stijfheid en sterkte van constante doorsnede structuren bij lagere massa (typisch 75% minder dan staal en 30% minder dan aluminium). Ze zijn corrosiebestendig, niet-geleidend/elektrisch isolerend, bieden lage coëfficiënt van lineaire thermische uitdijting (CLTE) en bieden hoog voorspelbaar energiemanagement, wat ze ideaal maakt om structurele elementen op unibody voertuigen of frame secties voor body-on-frame voertuigen, plus batterijframes voor EV's te versterken.

Composiet paneel versterkingen omvatten zelf-hechtende, uitdijbare structurele lijmen co-extruderd met glasvezelversterking die toegepast worden op gevormde metaal paneeloppervlakken in de carrosserieafdeling. Het systeem verbetert niet alleen stijfheid (golving en knikvervorming van grote/relatief onondersteunde panelen verminderend), maar verbetert ook NVH door verhoogd moment van inertie. Verder biedt het kansen om panelen te dunner te maken voor lagere massa en kosten. Commerciële toepassingen omvatten auto deuren, daken en vloerpaneelen, kapppen, kotvleugels, achterklappen en achterdeks; potentiële toepassingen omvatten batterijbehuizingen.

Waaierpaneel versterkingen hebben lichtgewicht epoxy — in pasta vorm voor handmatige toepassing of lage-viscositeit vloeistof voor geautomatiseerde pomping — dat, eenmaal gecureerd, bewerkt of geschuurd kan worden. Deze zijn ontworpen om waaierkernen te stabiliseren, voornamelijk in strategische locaties in vliegtuiginterieurs, bijv., zonder overmatige massa toe te voegen. Andere gebruiken omvatten randversterking (afdichten/versterken van composiet paneel randen), insert lijming en lokale versterking waar metalen scharnieren/inserts in composiet panelen geïnstalleerd zijn.

Wat de Toekomst Inhoudt

Sinds zijn eerste octrooi in 1999, heeft L&L talloze uitvindingen ingediend voor CBS technologie. Gegeven het brede bereik van drager en lijmopties nu beschikbaar binnen deze productfamilie, is het niet verrassend dat toepassingen uitgebreid zijn naar vrachtwagens en luchtvaart. Wat is er volgende?

"Over de jaren, hebben CBS producten geëvolueerd om nieuwe toepassingsvereisten te dienen die functies combineren," voegt Ignés toe. "Bijvoorbeeld, wat begon als slechts een structurele versterking heeft geëvolueerd om niet alleen te stijven maar ook akoestische functies te verbeteren of energie-absorptie te verhogen. Gegeven de suite van hoogst wenselijke eigenschappen die CBS technologie biedt, verwachten we niet alleen dat automotive gebruik zal groeien, maar groei in andere industrieën ook."