Skeletontwerp verbetert kosteneffectieve composiet-autostructuren

Naar mate fabrikanten de kosten van composietonderdelen willen verlagen, streven ontwerpers ernaar de bestanddelen zo efficiënt mogelijk te gebruiken, terwijl geautomatiseerde productie en integratie van meerdere functies mogelijk blijft. Voor automobiele toepassingen wordt deze uitdaging verergerd door de noodzaak voor cyclus tijden van slechts 1-2 minuten.

Overmolden - spuitgieten van thermoplastische composietfeatures bovenop continuevezelprevormen - wordt al jaren onderzocht als mogelijke oplossing. Bijvoorbeeld, het CAMISMA-project demonstreerde in 2014 een overmold composiet zitrug (zie "CAMISMA's autostoelrug: Hybride composiet voor hoge volumes"). "Maar deze aanpak is nu naar een hoger niveau getild, met volledig geautomatiseerde productie van thermoplastische composiet BIW-structuren [body-in-white]", legt dr. Christoph Ebel uit, hoofd van SGL Carbon's (Wiesbaden, Duitsland) Lightweight & Application Center (LAC, Meitingen, Duitsland).

Deze vooruitgang is te danken aan een "skeletontwerp" benadering die al enkele jaren in ontwikkeling is. Eerst gedemonstreerd in het MAI Skelett-project in 2015, omvat het proces het gebruik van unidirectionele (UD) koolstofvezel thermoplastische pultrusies die thermovorming ondergaan en in een tweestaps, 75-seconden proces worden overmold om een structureel daklid te produceren dat alle eerdere vereisten overschrijdt. Het integreert ook klemmen voor bevestiging en verandert het crashgedrag van bros naar duktil falen voor verhoogde BIW-reststerkte (zie "Meer details over MAI Skelett-ontwerpproces").

MAI Skelett demonstrator

Het 17-maanden durende MAI Skelett-project werd gesteund door het Duitse Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) en voltooid door MAI Carbon, een regionale afdeling van het Carbon Composites e.V. (Augsburg) netwerk. Onder leiding van BMW (München, Duitsland) was de focus van het project het realiseren van een specifieke demonstrator: de voorruitframe, gelegen tussen de twee A-pilaren boven de voorruit. Het ontwerp was gebaseerd op de huidige BMW i3 structuur, inclusieve alle functionele en ruimtelijke eisen. De voorruitframe dient niet alleen als dwars structureel lid voor het dak, maar biedt ook andere functies: stevigheid, die ook lawaai, trillingen en hardheid (NVH) vermindert; sterkte (dakpersingstest) om te voldoen aan crashvereisten; een bevestiging voor interieure componenten (bijv. zonnescherm, interieurbekleding, bedrading voor verlichting), alsmede ondersteuning voor verbindingen met de voorruit, schuifdak en exterieur dakpaneel.

De skeletontwerp voorruitframe bestond uit vier UD-vezelversterkte pultrusieprofielen in de hoeken van het onderdeel, ingekapseld in een overmold frame om torsiestevigheid en complex gevormde functionele bevestigingen te bieden. De pultrusieprofielen liggen niet allemaal in één vlak, maar zijn op verschillende hoogtes gerangschikt: twee zijn nabij de onderkant van het 60-millimeter hoge onderdeel, en twee nabij de bovenkant.

Pultrusies als onderdeel van TP-toolbox

Voor de MAI Skelett voorruitframe werd een vierkante doorsnede van 10 bij 10 millimeter gekozen. Het doel was om goedkopere, zware-touw koolstofvezels te gebruiken. De gekozen 50K touwvezel heeft echter een strakke verpakking van talloze filamenten die harsimpregnatie bemoeilijkt. "In het algemeen kan deze uitdaging worden overwonnen door geoptimaliseerde vezelbegeleiding en spreiding om optimale impregnatie en een hoog vezelvolumegehalte van ongeveer 50 procent te bereiken", zegt SGL-productmanager voor thermoplastieken Veronika Bühler. SGL heeft deze technologie onder de knie en biedt nu pultrusies aan als onderdeel van zijn thermoplastische toolbox. "We hadden al een brede kennis van half-fabrikaten vanwege onze thermoplastische tapes, die ook pultrusie-gebaseerd zijn. Daarom konden we onze huidige pultrusietechnologieën snel aanpassen om onze eigen profielen te creëren." Het proces omvat kwaliteitstesten voor vezelvolume, porositeit en dimensionele nauwkeurigheid. "De laatste is erg belangrijk vanwege automatisering en robotafhandeling", vervolgt ze. "Er mag geen kromte zijn, bijvoorbeeld door restspanning in de pultrusieprofielen."

Naast pultrusieversterkingen werden thermoplastische harsen ook onderzocht in MAI Skelett. Verschillende typen polyamide 6 (PA6 of nylon 6) werden getest om de benodigde viscositeit en rheologie voor geoptimaliseerde pultrusiekwaliteit en -snelheid te bepalen. SGL bood een reeks materialen aan voor het project via zijn thermoplastische toolbox, die bestaat uit UD-tapes, organovellen, gehakte vezel voor korte en lange vezelversterkte compounds, en nu UD-versterkte pultrusies, allemaal gebaseerd op SIGRAFIL 50K koolstofvezels met sizing geschikt voor een matrix van polypropyleen (PP) en polyamiden, inclusief PA6 of in-situ PA6. "Het is essentieel om vezels, sizing en matrix te harmoniseren om optimale prestaties van composietstructuren te bereiken", zegt Bühler.

Zij legt ook in-situ PA6 uit: "Dit is wanneer je caprolactam-monomen, of een enkele monomeer met een katalysator en een activerer, laat reageren, wat dan polymeriseert [vormt lange polymere ketens] tijdens het vormgeven van het composietonderdeel." Met andere woorden, de caprolactam polymeriseert in situ tot een polyamide. Bühler merkt op dat polyamiden als polymere groep PA66 en PA12 omvatten, evenals bepaalde typen PPA als extra matrixkeuzes.

Een ander belangrijk aspect van de fabricage van de voorruitframe is de mogelijkheid van thermoplastische half-fabrikaten om tijdens en na vormgeving thermovorming te ondergaan. Dit stelt verdere functionalisering van de vorm en smeltverbinding tijdens overmolden in. Beide waren belangrijke factoren in het MAI Skelett demonstratorontwerp.

Thermovorming en overmolden

De productie van de MAI Skelett voorruitframe begon met koolstofvezel/PA6 pultrusieprofielen. Deze moesten worden aangepast om de vorm van het onderdeel en krachtinvoering op verschillende punten te accommoderen. Thermovorming werd gekozen om dit te doen, met als primaire zorg dat de hoge sterkte en stijfheid van de koolstofvezel alleen gerealiseerd kon worden door het zo recht mogelijk te houden. Dit werd bereikt toen de pultrusie-staven in de richting van de matrixstroom werden gerekt, en vervolgens platgedrukt en gebogen aan de uiteinden van de staven (Fig. 1).

De tweede stap van het proces was het plaatsen van de thermovormde pultrusieprofielen onder een infraroodverhitter om ze in minder dan 50 seconden op temperatuur te brengen, gevolgd door overbrenging in een spuitgietvorm met een geautomatiseerd afhandelingssysteem dat daarvoor was ontwikkeld. Alle onderdelen binnen het project werden geproduceerd op bestaande spuitgietmachines. Vezelversterkt compound werd vervolgens overmold op en rond de profielen. Precisie was vereist in zowel de vorm als het proces tijdens overmolden om de vier thermovormde, pultrusie-staven in positie te houden.

De totale cyclus tijd voor het tweestapsproces (thermovorming en overmolden van voorgefabriceerde pultrusies) was ruwweg 75 seconden. "Omdat de thermoplastische matrix voor overmolden opnieuw wordt gesmolten, stelt het vormgeven en verbinden van de voorgefabriceerde en thermovormde staven in het eindonderdeel in zeer korte cyclus tijden mogelijk", legt Ebel uit. "In het algemeen stelt de smeedbaarheid van thermoplastieken ook verbinding met zelfs metalen componenten mogelijk", voegt Bühler toe, wetende dat thermoplastische thermovorming en spuitgietprocessen uitstekende reproduceerbaarheid en procescontrole bieden, wat cruciale factoren zijn voor hoge-volume productie.

Duktil falen

PPA- en PA6-profielen met compatibele vormmassa's met glas- en koolstofvezel werden geëvalueerd om een duktiler falenmodus voor het onderdeel te verkennen. Hoewel een duktiler falenmodus de hoeveelheid belasting die de voorruitframe kon overdragen verlaagde, verbeterde het de structurele integriteit van de BIW als geheel.

Analysemethoden omvatten vastemodellering, beugelarmodellering (geometrische modellering waarbij de pultrusies fungeren als beugelarmaturing die het overmold versterkt) en modellering met schillelementen, evenals diverse combinaties hiervan. Software omvatte de FE-solver ABAQUS (Dassault Systèmes, Parijs, Frankrijk) en Dakota parameter solver ontwikkeld door Sandia National Laboratories (Albuquerque, NM, VS). OptiStruct (Altair Engineering, Troy, MI, VS) werd gebruikt voor topologie-optimalisatie.

Hoewel BMW geen voorkeur voor een materiaalcombinatie specificerde in het eindprojectverslag, concludeerde het wel dat de eindsimulatie- en testresultaten lieten zien dat de skeletonderdelen alle vereisten voor het huidige koolstofvezelversterkte plastic (CFRP) onderdeel overschreden, met uitzondering van torsiestevigheid, wat niet als een cruciale ontwerpdrijver voor de voorruitframe werd bepaald. Het skeletontwerp overschreed zowel belastingsniveau als energie-absorptie in crashgevallen ten opzichte van het huidige CFRP-onderdeel. Het slaagde er ook in een duktiler falenmodus te bereiken, wat niet alleen de crashprestaties van de composietstructuur verbetert, maar ook het begrip van die crashprestaties en hoe deze verband houden met de BIW-structuur als geheel.

Toekomstige toepassingen van skeletontwerp

In het MAI Skelett-eindrapport merkte BMW op dat het zes andere voertuigcomponenten had geïdentificeerd die kunnen profiteren van de significante reductie in productie-, materiaal- en gereedschapskosten die het skeletontwerp biedt. SGL Carbon stelt toepassingen voor in zowel auto- en luchtvaartstoelstructuren, dashboards, robotarmen, röntgenbanken en meer.

Echter, de skeletontwerpbenadering werd nog verder ontwikkeld, uitgebreid tot multiaxial belaste componenten in het opvolgproject MAI Multiskelett (uitgevoerd van september 2015 tot juni 2017). Het keek naar gebieden waar lagercomponenten en pultrusieprofielen elkaar kruisen, en ook naar hoge-belastinginvoeringgebieden, met name voor grote structurele componenten waar verschillende hoofdbelastingpaden kruisen. Net als in het vorige Skelett-project werden componentontwerpen en kostenefficiënte seriële productielijnen onderzocht.

Een voorbeeld van hoe skeletontwerp bestaande composietcomponenten verder kan optimaliseren is de Carbon Carrier frontinterieur voor een elektrisch voertuig (Fig. 2) ontwikkeld door SGL en automobieltechnologiespecialist Bertrandt (Ehningen, Duitsland) in 2017. De Carbon Carrier integreert alle belangrijke functie- en trimcomponenten van een conventioneel instrumentenpaneel, gebaseerd op een thermovormd organovel als lastdragende 'ruggengraat' om stijfheid toe te voegen. "In de toekomst kan dit onderdeel vervangen worden door een ontwerp met overmold thermoplastische profielen", zegt Ebel. "Dit zou snijden, leggen en trimmen van het organovel overbodig maken. Ook zou de dwarsbalk overbodig zijn omdat we deze integreren als pultrusieprofielen en overmolden om het dashboardontwerp te bereiken. Dit overmold onderdeel zou ook meer ruimte en flexibiliteit bieden om de benodigde bevestigingselementen en schroeven en klemmen voor het bevestigen van deze elementen of kabels, etc. onder te brengen."

Ebel erkent dat dit een enorme ontwerpswijziging zou zijn, "maar het verlaagt de kosten en maakt het hele onderdeel efficiënter." Hij wijst erop dat het mogelijk is om een proces te ontwerpen met bijna geen afval, omdat profielen precies op lengte worden gesneden zoals nodig en geen koolstofvezelversterking verloren gaat in deze stappen of in de thermovorming voor overmolden. Bühler wijst erop dat stoelen ook prima kandidaten zijn voor skeletontwerp. "In composieten worden ze meestal gemaakt met weefsels of tapes, en zijn ze nog steeds velachtige structuren. Maar we kunnen de dikte in het vlakke gebied verminderen door profielen aan de onderkant te integreren en de stijfheid te verhogen." Ze merkt op dat pultrusieprofielen niet het enige efficiënte UD-product zijn om omheen te bouwen. "Het kan ook tape zijn, wat gemakkelijk aangepast kan worden aan de belastingpaden voor elk onderdeel."

"We geven veel bedrijven een rondleiding door het Lightweight & Application Center", zegt Ebel. "Het skeletontwerp als additioneel innovatief concept heeft veel interesse gewekt en wordt door onze bezoekers als veelbelovend gezien." Hij legt uit dat het centrum zijn ontwerpmogelijkheden heeft uitgebreid en bedrijven kan helpen innovatieve ideeën zoals het skeletconcept te integreren om een nieuwe ontwerpruimte te openen voor toekomstige materiaalefficiënte componenten.

"Er zijn veel toepassingen waar we ontwerpen vergelijkbaar met de voorruitframe kunnen gebruiken", zegt Bühler. "Het is belangrijk voor de industrie om over te stappen van quasi-isotrope opbouw, die veel van de sterkte en stijfheid van koolstofvezel onbenut laat. In plaats daarvan moeten we efficiëntere materiaalvormen benutten, waarbij elk materiaal alleen daar wordt geplaatst waar het nodig is. Dit is wat de industrie voor de toekomst nodig heeft."