Skeletontwerp maakt concurrerendere samengestelde autostructuren mogelijk

Terwijl fabrikanten proberen de kosten van composietcomponenten te verlagen, streven ontwerpers ernaar om de samenstellende materialen zo efficiënt mogelijk te gebruiken en tegelijkertijd geautomatiseerde productie en integratie van meerdere functies mogelijk te maken. Voor automobieltoepassingen wordt deze uitdaging nog verergerd door de noodzaak van cyclustijden van slechts 1-2 minuten.

Overmolding - het spuitgieten van thermoplastische composietkenmerken bovenop continue vezelvoorvormen - wordt al jaren nagestreefd als een mogelijke oplossing. Het CAMISMA-project demonstreerde bijvoorbeeld in 2014 een overmolded composiet rugleuning (zie "CAMISMA's autostoelrug:hybride composiet voor hoog volume"). "Maar deze benadering is naar een hoger niveau getild, waarbij nu een volledig geautomatiseerde productie van thermoplastische composiet BIW [body-in-white]-structuren is bereikt", legt Dr. Christoph Ebel, hoofd van SGL Carbon's (Wiesbaden, Duitsland) Lightweight &Application Center uit. (LAC, Meitingen, Duitsland).

Deze vooruitgang is te danken aan een "skelet"-ontwerpbenadering die al enkele jaren in ontwikkeling is. Als eerste gedemonstreerd in het MAI Skelett-project in 2015, het proces omvat het gebruik van unidirectionele (UD) koolstofvezel thermoplastisch pultrusies die thermisch gevormd en overgoten zijn in een proces van twee stappen en 75 seconden om een ​​structureel dakelement te produceren dat alle vereisten van eerdere versies overtreft. Het integreert ook clips voor hulpstukken en verandert het crashgedrag van bros naar ductiele faalmodus voor verhoogde BIW-reststerkte (zie "Meer details over het MAI Skelett-ontwerpproces").

MAI Skelett-demonstrator

Het 17 maanden durende MAI Skelett-project werd ondersteund door het Duitse federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) en voltooid door MAI Carbon, een regionale afdeling van de Carbon Composites e.V. (Augsburg) netwerk. Onder leiding van BMW (München, Duitsland) lag de focus van het project op het realiseren van een specifieke demonstrator:het voorruitframe, gelegen tussen de twee A-stijlen boven de glazen voorruit. Het ontwerp was gebaseerd op de huidige BMW i3 structuur, inclusief alle functionele en ruimtevereisten. Het voorruitframe dient niet alleen als een dwarsconstructiedeel voor het dak, maar biedt ook andere functies:stijfheid, die ook geluid, trillingen en hardheid vermindert (NVH); sterkte (dakperstest) om te helpen voldoen aan crashvereisten; een armatuur voor interieurcomponenten (bijvoorbeeld vizier, interieurbekleding, kabelboom voor verlichting, enz.), evenals ondersteuning voor verbindingen met de voorruit, het zonnedak en het buitenste dakpaneel.

Het voorruitframe met skeletontwerp omvatte vier met UD-vezel versterkte gepultrudeerde staven in de hoeken van het onderdeel, ingekapseld in een overgegoten frame om torsiestijfheid en complexe functionele bevestigingen te bieden. De gepultrudeerde profielen bevinden zich niet allemaal in één vlak, maar zijn in plaats daarvan op verschillende hoogtes gerangschikt:twee bevinden zich aan de onderkant van het 60 millimeter hoge deel en twee aan de bovenkant.

Pultrusies als onderdeel van de TP-toolbox

Voor het MAI Skelett-windschermframe werd een vierkante doorsnede van 10 bij 10 millimeter voltooid voor het ontwerp. Het doel was om minder dure, zware koolstofvezels te gebruiken. De gekozen 50K-kabel heeft echter een dichte pakking van talloze filamenten die het impregneren van hars moeilijker maken . "Over het algemeen kan deze uitdaging worden overwonnen door geoptimaliseerde vezelgeleiding en verspreiding om een ​​optimale impregnering en een hoog vezelvolumegehalte van ongeveer 50 volumeprocent te bereiken", zegt SGL-productmanager voor thermoplasten Veronika Bühler. SGL heeft deze technologie onder de knie en biedt nu pultrusies aan als onderdeel van zijn thermoplastische gereedschapskist. “We hadden al een brede kennis van halffabricaten door onze thermoplastische tapes, die ook op pultrusie gebaseerd zijn. Zo konden we onze huidige pultrusietechnologieën snel aanpassen om onze eigen profielen te creëren.” Het proces omvat kwaliteitstests voor vezelvolume, porositeit en maatnauwkeurigheid. “Dat laatste is erg belangrijk vanwege de automatisering en robothandling”, vervolgt ze. “Er kan geen kromming zijn, bijvoorbeeld door restspanning in de gepultrudeerde profielen.”

Naast pultrusieversterkingen werden ook thermoplastische harsen onderzocht in MAI Skelett. Verschillende soorten polyamide 6 (PA6 of nylon 6) werden getest om de vereiste viscositeit en reologie te bepalen voor een optimale pultrusiekwaliteit en snelheid. SGL bood een reeks materialen voor het project aan via zijn thermoplastische gereedschapskist, die bestaat uit UD-tapes, organovellen, gehakte vezels voor korte en lange vezelversterkte verbindingen, en nu UD-versterkte pultrusies, allemaal gebaseerd op SIGRAFIL 50K koolstofvezels met afmetingen geschikt voor een matrix van polypropyleen (PP) en polyamiden, waaronder PA6 of in-situ PA6. "Het is essentieel om vezels, maatvoering en matrix op elkaar af te stemmen om optimale prestaties van composietstructuren te bereiken", zegt Bühler.

Ze legt ook in-situ PA6 uit:"Dit is wanneer je caprolactam-monomeren, of een enkel monomeer, laat reageren met een katalysator en een activator, die vervolgens polymeriseren [vormen lange polymeerketens] tijdens het gieten van het composietdeel." Met andere woorden, het caprolactam polymeriseert in situ tot een polyamide. Bühler merkt op dat polyamiden als polymeergroep PA66 en PA12 omvatten, evenals bepaalde soorten PPA als aanvullende matrixkeuzes.

Een ander belangrijk aspect van de fabricage van het voorruitframe is het vermogen van thermoplastische halffabrikaten om tijdens en na het gieten thermisch te worden gevormd. Dit maakt verdere functionalisering van de vorm en fusiebinding tijdens overmolding mogelijk. Beide waren belangrijke factoren in het ontwerp van de MAI Skelett-demonstratie.

Thermovormen en overgieten

De productie van het MAI Skelett-windschermframe begon met gepultrudeerde koolstofvezel/PA6-profielen. Deze moesten vervolgens worden aangepast aan de vorm van het onderdeel en aan de belastingintroductie op verschillende punten. Hiervoor werd gekozen voor Thermoforming, met als voornaamste zorg dat de hoge sterkte en stijfheid van de koolstofvezel alleen kon worden gerealiseerd door deze zo recht mogelijk te houden. Dit werd bereikt wanneer de gepultrudeerde staven werden uitgerekt in de richting van de matrixstroom en vervolgens werden afgeplat en gebogen aan de uiteinden van de staven (Fig. 1).

De tweede stap van het proces was om de thermisch gevormde gepultrudeerde profielen onder een infraroodverwarmer te plaatsen om ze in minder dan 50 seconden op temperatuur te brengen, gevolgd door overdracht in een spuitgietmatrijs met behulp van een geautomatiseerd handlingsysteem dat hiervoor is ontwikkeld. Alle onderdelen binnen het project zijn geproduceerd op bestaande spuitgietmachines. Op en rond de profielen werd vervolgens een vezelversterkte verbinding gegoten. Precisie was vereist in zowel de matrijs als het proces tijdens het overgieten om de vier thermisch gevormde, gepultrudeerde staven op hun plaats te houden.

De totale cyclustijd voor het proces in twee stappen (thermoforming en overmolding van vooraf gemaakte pultrusies) duurde ongeveer 75 seconden. "Omdat de thermoplastische matrix vóór het overgieten opnieuw wordt gesmolten, kunnen de voorgevormde en gethermovormde staven in zeer korte cyclustijden worden gevormd en verlijmd in het voltooide onderdeel", legt Ebel uit. "Over het algemeen maakt de smeltbaarheid van thermoplasten het ook mogelijk om zelfs met metalen componenten te verbinden", voegt Bühler toe, en merkt op dat thermoplastische thermovorm- en spuitgietprocessen uitstekende reproduceerbaarheid en procesbeheersing bieden, wat kritische factoren zijn voor productie van grote volumes.

Ductiele storing

PPA- en PA6-profielen met compatibele vormmassa's met glas en koolstofvezel werden geëvalueerd om een ​​meer taaie faalmodus voor het onderdeel te onderzoeken. Hoewel een meer ductiele faalmodus de hoeveelheid belasting die het voorruitframe kon overbrengen, verminderde, verbeterde het de structurele integriteit van de BIW als geheel.

Analysemethoden omvatten solide modellering, wapeningmodellering (geometriemodellering waarbij de pultrusies fungeren als wapening die de overmolding versterkt) en modellering met behulp van schaalelementen, evenals verschillende combinaties hiervan. Software omvatte de FE-oplosser ABAQUS (Dassault Systèmes, Parijs, Frankrijk) en Dakota-parameteroplosser ontwikkeld door Sandia National Laboratories (Albuquerque, N.M., VS). OptiStruct (Altair Engineering, Troy, Mich., VS) werd gebruikt voor topologie-optimalisatie.

Hoewel BMW in het definitieve projectrapport geen voorkeursmateriaalcombinatie specificeerde, concludeerde het wel dat de uiteindelijke simulatie- en testresultaten aantoonden dat de skeletcomponenten overtrof alle vereisten voor het huidige met koolstofvezel versterkte plastic (CFRP) onderdeel, behalve de torsiestijfheid, waarvan werd vastgesteld dat dit geen belangrijke ontwerpdriver voor het voorruitframe was. Het skeletontwerp overschreed zowel het belastingsniveau als de energieabsorptie in gevallen van crashbelasting versus het huidige CFRP-onderdeel. Het is er ook in geslaagd om een ​​meer ductiele faalmodus te bereiken, die niet alleen de crashprestaties van een composietstructuur verder verbetert, maar ook het begrip van die crashprestaties en hoe deze zich verhoudt tot de BIW-structuur als geheel.

Toekomstige toepassingen voor skeletontwerp

In het MAI Skelett-eindrapport merkte BMW op dat het zes andere voertuigcomponenten had geïdentificeerd die zouden kunnen profiteren van de aanzienlijke verlaging van de productie-, materiaal- en gereedschapskosten door gebruik te maken van de skeletontwerpbenadering. SGL Carbon stelt toepassingen voor in stoelconstructies in de auto- en ruimtevaart, dashboards, robotarmen, röntgenbanken en meer.

De skeletontwerpbenadering werd echter nog verder ontwikkeld, en breidde zich uit tot multiaxiaal benadrukte componenten in het vervolgproject MAI Multiskelett (dat werd uitgevoerd van september 2015 tot juni 2017). Er werd gekeken naar gebieden waar lagercomponenten en gepultrudeerde profielen elkaar kruisen, en ook naar gebieden met hoge belasting, met name voor grote structurele componenten waar verschillende hoofdbelastingspaden elkaar kruisen. Net als in het vorige Skelett-project werden componentontwerpen en kostenefficiënte serieproductielijnen onderzocht.

Een voorbeeld van hoe het skeletontwerp bestaande composietcomponenten verder kan optimaliseren, is het interieur van de Carbon Carrier voor een elektrisch voertuig (Fig. 2), ontwikkeld door SGL en autotechnologiespecialist Bertrandt (Ehningen, Duitsland) in 2017. Integratie van alle belangrijke functie- en siercomponenten van een conventioneel instrumentenpaneel, was de Carbon Carrier gebaseerd op een thermogevormde organoplaat als de dragende "ruggengraat" om stijfheid toe te voegen. "In de toekomst zou dit onderdeel kunnen worden vervangen door een ontwerp met omgevormde thermoplastische profielen", zegt Ebel. "Hierdoor zouden snij-, lay-up- en trimbewerkingen voor het organoblad achterwege blijven. Ook zou de dwarsbalk achterhaald zijn omdat we deze zouden integreren als gepultrudeerde profielen en deze zouden overspuiten om het dashboardontwerp te bereiken. Dit overgoten onderdeel zou ook meer ruimte en flexibiliteit bieden om de vereiste bevestigde elementen op te nemen, evenals schroeven en clips voor het bevestigen van deze elementen of kabels, enz. "

Ebel geeft toe dat dit een enorme ontwerpwijziging 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 en geen afval, omdat profielen precies op lengte worden gesneden als nodig is en er geen koolstofvezelversterking verloren gaat in deze stappen of in het thermovormen voorafgaand aan overmolding. Bühler wijst erop dat stoelen ook uitstekende kandidaten zijn voor skeletontwerp. "In composieten worden ze meestal gemaakt met stoffen of tapes en zijn ze nog steeds plaatachtige structuren. Maar we zouden de dikte in het vlakke gebied kunnen verminderen door profielen aan de onderkant te integreren en de stijfheid te vergroten.” Ze merkt op dat gepultrudeerde profielen niet het enige efficiënte UD-product zijn dat mogelijk is om omheen te bouwen. "Het kan ook tape zijn, die gemakkelijk kan worden aangepast aan de laadpaden voor elk onderdeel."

"We touren veel bedrijven in het Lightweight &Application Center", zegt Ebel. "Het skeletontwerp als aanvullend innovatief concept heeft veel belangstelling gewekt en wordt door onze bezoekers als veelbelovend beschouwd." Hij legt uit dat het centrum zijn ontwerpcapaciteiten heeft opgebouwd en bedrijven kan helpen bij het integreren van innovatieve ideeën zoals het skeletconcept om een ​​nieuwe ontwerpruimte te openen voor toekomstige materiaalefficiënte componenten.

"Er zijn veel toepassingen waarbij we ontwerpen kunnen gebruiken die lijken op het frame van de voorruit", zegt Bühler. "Het is belangrijk voor de industrie om verder te gaan met quasi-isotrope lay-out, waardoor veel van de sterkte en stijfheid van koolstofvezel op tafel blijft liggen. In plaats daarvan moeten we efficiëntere materiële vormen benutten, en elk materiaal alleen daar plaatsen waar het nodig is. Dit is wat de industrie nodig heeft voor de toekomst.”