Liftgate-ontwerp gerevolutioneerd: test van gemodificeerde filament winding

Automobiele liftgates, of achterluiken, zijn al decennia lang langzaam aan het overgaan van metalen naar composieten. Hoewel het pas in 2013 was dat de eerste volledig plastic/composiet liftgate, minus metaal ondersteuningsstructuur, gecommercialiseerd werd, hebben de meeste liftgates vandaag nog steeds dit ondersteuningscomponent waarop buitenhuiden en binnenpanelen bevestigd zijn, met name bij grotere, zwaardere sportutiliteitsvoertuigen (SUV's) en crossover-utiliteitsvoertuigen (CUV's) met grotere achterdeuren.

Echter, wat wel de volgende evolutie in composiet liftgates kan zijn, debuteerde in 2019 op de Toyota Supra sportwagen van Toyota Motor Corp. (Toyota City, Japan). Een filament gewonden composietframe verving een metalen frame en zou hogere stijfheid en sterkte bieden bij lager gewicht dan traditionele metaalstructuren, met grotere ontwerpvrijheid, met name in beperkte verpakkingsruimte. Rapportelijk is het filament windingproces zo uitgebreid gemodificeerd dat, naarmate de interesse groeit en toepassingen prolifereren, het de snelheids- en kostendoelstellingen van hogere-volume voertuigproductie kan halen. Dit is hoe het ontwerp en de technologie tot stand zijn gekomen.

Driehoekige productie

Magna International Inc. (Aurora, Ontario, Canada) is een Tier 1-integrator in Noord-Amerika, maar in Europa ontwerpt en monteert zijn dochter Magna Steyr AG & Co. KG (Graz, Oostenrijk) ook complete auto's voor OEM's die extra productiecapaciteit nodig hebben.

Onlangs nam Magna deel aan een interessant programma met automakers Toyota en BMW AG (München, Duitsland), die sinds 2013 samenwerken aan ontwerp- en productieprojecten. Voor de meest recente inspanning, wilde Toyota de Supra-naamplaat herlevendigen en had samengewerkt met BMW om ontwerp en afstelling voor het voertuig en een zusterauto, BMW's 2-zitter Z4, te leveren. De twee voertuigen delen motor, vering en stuurstelsels. Magna Steyr zou beide auto's in Graz monteren, alsook de Supra voorzien van zitplaatsen, carrosseriepaneelen, deurklinken en liftgates. Hoewel er genoeg innovatie op beide auto's is, is de liftgate die in de Supra geïntegreerd is, waar composietontwerpinnovatie het meest duidelijk is.

Manchester van Bohemen

Jaren voor Magna's betrokkenheid bij het 2020 modeljaar Supra, had zijn operatie in Liberec, Tsjechië, al technologieën voor composiet ruimteframes voor een aantal potentiële toepassingen onderzocht. Gelukkig heeft het gebied een rijke traditie als toonaangevend textielcentrum en was ooit bekend als "het Manchester van Bohemen." Het Liberec-team zocht een technologie-architectuur die hoge lasten ondersteunde, de totale massa verminderde, strakke dimensionale toleranties handhaafde en kon worden geproduceerd in een proces met hoge herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid (R&R) om aan de prestatie- en productie-eisen van Europese automakers te voldoen.

"We concludeerden dat we een thermohardend product nodig hadden met hoge thermische en dimensionale stabiliteit," herinnert Riad Chaaya, Magna global product line director - composiet liftgates. "We wisten ook dat we een gesloten vorm nodig hadden met de mogelijkheid om dwarsdoorsnedes van variabele vormen en diktes te produceren – nodig om mechanische prestaties, verpakkingsruimte, massa en kosten te optimaliseren – die in een proces geproduceerd kon worden dat in staat is 150.000 onderdelen per jaar te maken. We keken naar veel technologieën, inclusief blasvormen, vlechten en filament winding, maar geen van beide voldede precies aan onze behoeften. Na veel proeven, selecteerden we filament winding als de beste match voor wat we wilden, omdat het ons controle gaf over oriëntaties en aantallen filamenten om de hoogste modulus bij het laagste gewicht te halen."

Ondanks veel voordelen, was er bezorgdheid dat filament winding te langzaam zou zijn voor conventionele autoproductie. Daarnaast had het team een methode nodig om het windingproces te beginnen en te beëindigen om een gesloten vorm frame te creëren. Gelukkig, hoewel het team geen geschiedenis had met filament winding, betekende Liberec's erfgoed van textielproductie dat de lokale gemeenschap vol was met experts in roving en het winden van filamenten.

"Gelukkig voor ons, hadden deze experts de passie om hun traditionele know-how te herleven om ons te helpen het op nieuwe manieren toe te passen om aan hoog-volume auto-behoeftes te voldoen," voegt Dr.-Ing. Josef Půta, Magna Exteriors technology leader - Tsjechië, toe.

"Omdat traditionele filament winding te langzaam was voor onze behoeften, keken we met onze partners naar veel manieren om het sneller te laten lopen," herinnert Lukáš Strouhal, hoofd van industrialisatie, Magna Liberec. "We overwogen manieren om elke stap in het proces te versnellen alsook dingen heel anders te doen. Hoewel we niet te veel kunnen zeggen over hoe we dat deden, kunnen we zeggen dat we enorme verbeteringen in snelheid hebben bereikt, zodat ons gemodificeerd proces 'automotive worthy' kon worden."

Magna en zijn partners verkenden veel harsystemen, inclusief epoxy, polyurethaan (PUR) en een PUR/vinylester mengsel, plus een verscheidenheid aan versterkingen, van glas tot koolstof tot basalt vezels. Het uiteindelijke systeem kenmerkt PUR en glasvezel, wat de beste balans bood van vezel-efficiëntie, prestaties, kosten en productiesnelheid.

Magna's generieke filament gewonden ruimteframe wordt in drie stappen geproduceerd, elk zorgvuldig geoptimaliseerd voor snelheid. Eerst wordt een rigide, cellulaire PUR-kern geproduceerd via reactie-injectievorming (RIM); ten tweede wordt die kern, die fungeert als mandrel, gewonden met glasvezel; en ten derde wordt die gewonden structuur vervolgens geïmpregneerd met PUR en geconsolideerd in het hoogdruk hars overbrengvormproces (HP-RTM). Er wordt zorgvuldig gezorgd dat de kern niet instort tijdens infusie/consolidatie. Půta legt uit dat veel werk ging in het specificeren van de typen roving, sizing en harsen die gebruikt werden – wat nauwe samenwerking met leveranciers op materiaalmodificaties vereiste – alsook het bepalen van het aantal windingen en oriëntatie van filamenten in elke laag. Niet verrassend, heeft het bedrijf talloze octrooien ontvangen die alles dekken van ontwerp en kernproductie, tot de filament winding machine, plus extra handelsgeheimen die ze voor zich houden.

"We hebben meerdere innovaties in elke processtap en product gemaakt," legt Strouhal uit. "Je zou een van onze frames kunnen demonteren, de vormen en geometrieën zien die gebruikt worden, en je zou je nog steeds afvragen waarom en hoe we dat deden."

Hoewel het Magna Liberec-team zijn ruimteframe-technologie niet voor een specifieke toepassing had ontwikkeld, stonden ze op het punt een interessante kans te krijgen om het te gebruiken.

Uitdagende liftgate

Magna heeft een lange geschiedenis in het produceren van personenauto-liftgates. Het bedrijf bouwde rapporteerbaar de eerste volledig-olefine liftgates in Noord-Amerika en Europa voor de 2013 BMW i3 elektrische stadswagen, en ontwierp en bouwde een next-generation volledig-olefine liftgate voor FCA NA LLC's (Auburn Hills, Mich., VS) 2019 Jeep Cherokee SUV's. Gegeven dat liftgate-productie een leverbaar was voor het Supra-programma, trok Magna niet alleen op het werk dat in Liberec gedaan was, maar ook op zijn lange geschiedenis van het converteren van metalen liftgate-structuren naar composieten en kunststoffen.

"De Supra liftgate bood een aantal directe uitdagingen," herinnert Chaaya. "Eerst, verpakkingsruimte was zeer beperkt, wat betekende dat toleranties erg strak waren en coëfficiënten van lineaire thermische uitdijing zorgvuldig beheerd moesten worden om liftgates vrij openen en sluiten te houden. Tweedens, de vorm van deze deur was nog uitdagender. Toyota wilde niet alleen een lichtere liftgate, maar had zeer specifieke stijleisen voor hoe de achterkant van het voertuig viel. Derdens, met de verwachte bouwaantallen van het voertuig, zou tooling om die vorm in metalen te bereiken erg duur zijn. In feite concludeerden we dat het liftgate-frame niet in een enkel stuk metaal geproduceerd kon worden en nog steeds aan Toyota's ontwerp- en prestatie-eisen kon voldoen. Dat betekende dat het ruimteframe uit composieten moest worden gemaakt, en meer specifiek, thermohardende composieten."

De buitenhuid zou een geschilderd, injectiegevormd talk-versterkt TPO-paneel zijn om de agressieve vorm aan te kunnen, terwijl het binnenpaneel uit lang-glas polypropylene (PP) zou bestaan; beide zouden met een structurele 2K PUR lijm aan het frame worden gehecht. Chaaya voegt toe dat veel werk gedaan is om het ruimteframe te optimaliseren en de liftgate te voltooien om aan de torsiebelastingseisen te voldoen. Een vroege uitdaging was een manier te vinden om materiaaleigenschappen nauwkeurig te simuleren om nauwkeurige correlatie tussen voorspelde versus gemeten resultaten te bereiken.

"Het was een harde strijd om goede correlatie te krijgen met onze materiaalmodellen, aangezien we elke laag van winding moesten simuleren en vorm, stralen en de windeisen zelf moesten incorporeren," voegt hij toe. "Hoewel we begonnen met 20% afwijking, na veel afstemming en het bepalen van de beste manier om onze stijfheid te verbeteren, waren onze uiteindelijke voorspellingen erg dichtbij. Op zo'n groot frame, hebben we ook dimensionale toleranties van 1 millimeter weten te handhaven."

Veel voordelen

Het uiteindelijke donutvormige frame heeft variabele diameters en wanddiktes doorheen, maar heeft een nominale diameter van 50-60 millimeter. Behalve een kleine beugel in de hoek, en harde bevestigingen zoals sloten en scharnieren, plus folie om de geïntegreerde antenna's te earthing, is het hele frame – wat 104 x 111 centimeter is – volledig composiet. Zelfs "oor" beugels, gebruikt om het binnenpaneel aan de onderhelft van de liftgate te verbinden, zijn composiet en geproduceerd via HP-RTM. Hoewel het composietframe 10% lichter is dan een vergelijkbaar metaalframe, betekent massa-decompounding effecten dat de complete liftgate ~20-25% lichter is dan een metalen liftgate. Lichtere liftgates vereisen minder inspanning voor consumenten om te openen/sluiten, zijn gemakkelijker voor een werknemer te installeren tijdens voertuigassemblage, besparen brandstof tijdens de levensduur van het voertuig en bieden wat Strouhal beschrijft als "een geweldig solid geluid" wanneer de liftgate dichtgaat. Het composietsysteem elimineerde ook stappen zoals randen hechten en lassen van punten/verbindingen die vereist waren met metalen liftgates.

Chaaya geeft aan dat zijn bedrijf een ander groot filament gewonden autoproject gaande heeft. Hij zegt ook dat Magna andere toepassingen voor de technologie ziet dan liftgates. "Deuren, dekdeksels, motorkappen, FEMs (front-end modules) en zelfs autonom voertuigen – zoals een bus die bestaat uit een glas-omwonden frame – zouden zo'n ruimteframe kunnen gebruiken," voegt hij toe. "En het hoeft niet eens verborgen te zijn. Als we koolstofvezelweefsel zouden gebruiken, zou het een teken van prestige zijn om die prachtige oppervlakte bloot te leggen en het frame niet binnen te verstoppen."