Thermoplastische deur een primeur voor autocomposieten

Automotive OEM's en Tier 1's worstelen met de noodzaak om de voertuigmassa te verminderen om te voldoen aan de doelstellingen voor brandstofverbruik en koolstofemissie. Composietmaterialen hebben het potentieel om op veel gebieden aanzienlijk bij te dragen aan deze gewichtstoename, maar kosten, ontwerpproblemen, onbekende verwerking en concurrentie van andere materialen blijven obstakels vormen. Om deze problemen te verhelpen, onderzoeken veel projecten hoe composieten kunnen worden geïntegreerd in autoconstructies uit meerdere materialen voor maximaal voordeel.

Het Clemson University (Clemson, SC, VS) Composites Center, het Clemson University International Center for Automotive Research (CU-ICAR) en Honda R&D Americas (Raymond, OH , VS), met steun van het University of Delaware Center for Composite Materials (CCM, Newark, DE, VS) en financiering van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE, Washington, DC, VS).

De focus van het project, zegt hoofdonderzoeker Dr. Srikanth Pilla, de Jenkins Endowed Professor of Automotive Engineering en Dean's Faculty fellow bij Clemson, is de vraag of composieten ultralichte sluitsystemen - deuren, motorkappen, kofferdeksels - kunnen aanvulling op gelijktijdige vooruitgang in aandrijflijntechnologie en betere aerodynamica:“Binnen het technologieportfolio voor lichtgewichten is veel van het 'laaghangende fruit' al geïmplementeerd, bijvoorbeeld het verkleinen van de motor. Wij geloven dat er potentieel is voor efficiëntiewinsten op het gebied van dragende, structurele sluitsystemen tegen een redelijke prijs.”

Samenwerking, teaming zijn de sleutelwoorden

Het vierjarige project, dat in 2016 begon, kwam tot stand als een DOE-verzoek, onderdeel van de reeks Grand Challenges van de regering-Obama om wetenschap en techniek op velerlei gebied te bevorderen, waaronder het voldoen aan emissienormen voor auto's. De aanvraag voor een voorstel vroeg om het ontwerp en de ontwikkeling van een autodeur die een gewichtsvermindering van 42,5% bood ten opzichte van een standaard OEM-deur, met behoud van vergelijkbare crashprestaties, duurzaamheid en gebruik/misbruikprestaties, en vergelijkbare prestaties op het gebied van geluid, trillingen en hardheid (NVH) . En ongeacht hoe de lichtgewicht deur werd ontworpen, moest hij gebruik maken van in de handel verkrijgbare materiaalsystemen en moest hij worden opgeschaald naar productievolumes van minstens 20.000 voertuigen per jaar.

Honda kwam aan boord als OEM-adviseur van het onderzoeksproject omdat het project in lijn was met "onze visie om uiteindelijk een emissievrije samenleving te creëren", zegt Skye Malcolm, hoofdingenieur, Advanced Planning &Verification Vehicle Development Foundations bij Honda R&D Americas. Honda voegde ook zijn eigen beperkingen aan het project toe, voegt hij eraan toe:“Het deurontwerp dat door het team moet worden ontwikkeld, moet dezelfde afdichtingsgeometrie gebruiken, dezelfde functionele uitrusting hebben als de basisdeur, een klasse A-afwerking bieden die niet te onderscheiden is van de basislijn en voldoen aan de eisen van Honda op het gebied van duurzaamheid en veroudering.” Het team heeft als extra doel gesteld dat de deur 100% recyclebaar is. Misschien wel het belangrijkste, de DOE verplichtte een maximaal toelaatbare kosten per pond bespaard gewicht (boven de basislijndeur) van $ 5. Dit betekende dat voor een typische Acura MDX deur met een gewicht van 31,8 kg, zou een gewichtsvermindering van 42,5% het totale streefgewicht op 18,3 kg brengen, wat (tegen $ 5 / lb aan bespaard gewicht) betekende dat de composietdeur alleen kon toevoegen $150 tot de kosten van de deur.

Pilla wordt bij het project ondersteund door verschillende niet-gegradueerde en afgestudeerde studenten, Dr. Gang Li, een professor in technische mechanica aan Clemson, en Drs. Bazle Haque en Shridhar Yarlagadda van de University of Delaware CCM, experts in composieten van meerdere materialen. Yarlagadda, de co-hoofdonderzoeker van het project, merkt op:"Honda is een integraal onderdeel van onze inspanningen geweest en heeft een uitzonderlijk niveau van samenwerking en toewijding aan ons programma geboden, inclusief HPC-computingondersteuning en toegang tot Honda-ingenieurs over het hele spectrum. Ontwerp, fabricage en integratie van composietcomponenten moeten worden gecombineerd met een aantal klantgestuurde 'zachte' vereisten om een ​​acceptabel systeemontwerp te creëren, en dit zou niet mogelijk zijn geweest zonder Honda-ondersteuning." Dit gevoel wordt gedeeld door de andere teamleden, voegt Pilla toe:“Eenvoudige materiële vervanging was geen oplossing. We moesten kijken naar een systeembenadering en Honda hielp ons alle elementen van het deursysteem tot op componentniveau te begrijpen. Hun partnerschap en betrokkenheid is inderdaad ongeëvenaard.”

Een nieuwe deur ontwerpen

Eerste analyse, inclusief benchmarking van andere OEM-inspanningen voor lichtgewicht sluitingen voor beperkte marktmodellen, inclusief Audi's aluminium deurframe voor zijn A8 model, de Porsche Panamera magnesium deurframe en BMW's i8 met koolstofvezel versterkte thermohardende deurkozijn. Geen van deze eerdere OEM-benaderingen voldeed echter aan de kosten- of gewichtsdoelstellingen van dit project. Pilla zegt:"Ik wilde deel uitmaken van iets dat de toekomst ten goede zou komen, dat zou bijdragen aan een circulaire economie. Een thermoplastische deur was nog niet eerder geprobeerd en zou recyclebaar zijn.” Wanneer ze werden gestapeld tegen andere kandidaatmaterialen, waaronder thermohardende composieten, aluminium en staal, boden thermoplasten niet alleen recycleerbaarheid, maar ook een zeer hoog potentieel voor lichtgewicht en hoge verwerkingssnelheden (vergeleken met thermoharders) om de productiedoelen te halen.

Met de originele Acura MDX deur als basislijn (Fig. 1), brak het team de materiaalmix uit:62% metaal, 21% onbuigzaam zuiver polymeer, 13% glas en 4% elastomeer. De grootste kans voor lichtgewicht, 60%, zou komen van het metalen deurframe, dat het team van plan was te verminderen van een basisgewicht van 15,4 kg tot het streefgewicht van 6,2 kg. Hoewel er geen kans was om het gewicht in de interne componenten en elektronica van de deur te verminderen (radioluidspreker, servo om het raam omhoog en omlaag te brengen, deurslot, enz.), besloot het team dat het gewicht van het raamglas met 20% kon worden verminderd, waardoor het glas dunner, maar zonder afbreuk te doen aan de doelstatistieken van NVH en duurzaamheid. Verder schatte het team dat het gewicht van sierelementen op het binnenoppervlak van de deur met 30% zou kunnen worden verminderd of zelfs geëlimineerd.

De belangrijkste taken van het project liepen de eerste twee jaar gelijktijdig. Sommige teamleden werkten aan het genereren van materiaalgegevens, terwijl anderen zich bezighielden met specifieke kenmerken van het deurontwerp. De materiaalgegevensgroep genereerde materiaaltestgegevens voor een verscheidenheid aan thermoplasten - continue tapes, matten, korte en lange vezelversterkte polymeren en meer - om kandidaatmaterialen voor het binnenframe en het buitenpaneel te bepalen; materialen werden bijgedragen door een aantal industriële leverancierspartners. Gegevens werden geëvalueerd via spinkaarten, waarbij de totale sterkte, afschuifsterkte, toegestane kosten, toegestane dichtheid, stijfheid en taaiheid de kaartassen vormden.

De best presterende materiaalopties na de initiële gegevensevaluatie - continue vezeltapes en lange vezelversterkte thermoplastische pellets - ondergingen materiaalmodellering, legt Pilla uit:"Het was mogelijk om een ​​eenvoudige orthotrope materiaalstijfheidsmatrix te construeren voor de continue vezeltapes, gebaseerd op Hooke's wet." Voor het lange vezelversterkte polymeer waren echter secundaire simulaties nodig om de sterkte en stijfheid van een spuitgegoten deurdeel te voorspellen, vanwege anisotropie geïntroduceerd door zowel de uiteindelijke geometrie van het onderdeel als het vormvulproces. Pilla voegt eraan toe:"Het modelleren van deze langvezelige materialen is moeilijk, omdat er niet veel is gedaan aan simulatie." Om de benodigde gegevens te verzamelen, ontwikkelde het team een ​​productie-optimalisatielus. Generieke onderdeelvormen voor het binnenframe en het buitenpaneel van de deur werden gegenereerd met de SolidWorks 3D-ontwerpsoftware van Dassault Systémes (Waltham, MA, VS); Met behulp van Moldex3D-software van Moldex (Chupei City, Taiwan) werden mal-vullende simulaties van die vormen uitgevoerd om smeltstroomvectoren te bepalen; smeltstroomdynamiek en collusie werden geanalyseerd om de vezeloriëntatie te bepalen via Digimat-software van e-Xstream (Hautcharage, Luxemburg, een bedrijf van Hexagon); en in kaart gebrachte vezeloriëntaties werden gebruikt om een ​​stijfheidsmatrix te genereren met behulp van eindige elementenanalyse (FEA) tools, inclusief materiaalkaarten geleverd door Altair Engineering Inc.'s (Troy, MI, VS) HyperWorks CAE-oplossing. Terwijl onderdeelvormen werden aangepast en materialen werden getest, werd de optimalisatielus meerdere keren herhaald.

Tegelijkertijd werkten andere teamleden aan de daadwerkelijke ontwikkeling van het deurconcept en uiteindelijk aan tooling- en productiesimulaties. Beginnend met ruwe schetsen en materiaalkeuze op hoog niveau, werd een reeks ontwerpen gecreëerd. Vervolgens werden ruwe CAD-modellen gegenereerd, samen met initiële FEA-simulaties voor eenvoudige statische belastingsgevallen. In de herfst van 2016, zegt Pilla, werd er een ontwerpworkshop gehouden bij CU-ICAR, waar het team de opties voor het deurconcept beperkte tot zeven, voor verder werk. "Onze ontwerpfilosofie was vanaf het begin om de functionele integratie van onderdelen en materialen te maximaliseren, het aantal onderdelen te minimaliseren, de effectiviteit van de gebruikte materialen te maximaliseren door middel van optimalisatie en de montage te vereenvoudigen", zegt Pilla.

Op dit punt werden gedetailleerde CAD-modellen gegenereerd en werden FEA-simulaties uitgevoerd voor elk concept om statische prestaties te valideren in overeenstemming met Honda's doelstellingen. Rekening houdend met de maakbaarheid en integratie van subsystemen, begon Concept 7 (een ruimteframebenadering) te convergeren naar Concept 2 (een structureel frame uit één stuk), dus besloot het team door te gaan met Concept 2, waarbij de lessen uit de ruimteframebenadering werden meegenomen. . Dat concept bestaat uit vier elementen:het buitenste klasse A-paneel, de binnenkant van de deur, een binnenframe of paneel en de interieurbekledingselementen.

Multi-materiaal binnenkant, klasse A buitenkant

Het team selecteerde medio 2018 materialen en fabricageprocessen voor het definitieve deurontwerp, met een ontwerpstop op 15 januari 2019; tooling productie en prototyping is begonnen. Afbeelding 2 toont de details van het 1,2 mm dikke binnenframe en zijn componenten (het buitenste klasse A-paneel wordt niet getoond). "Beltline" verwijst naar een stijllijn die wordt gevormd door de onderrand van het vensterglas, waar verstijvers zijn geplaatst om de gegoten composietpanelen te helpen ondersteunen. Pilla merkt op dat de anti-inbraakbalk, ter bescherming van de passagiers bij een zijdelingse aanrijding, van staal moest blijven om het totale deurgewicht lager te houden - een composietbalk met dezelfde prestaties zou te zwaar zijn geweest. Een belangrijk element van het ontwerp is het bevestigingssysteem voor het verbinden van het binnenframe met het buitenpaneel. Pilla legt uit:"Het buitenste klasse A-paneel wordt aan het einde van de assemblagelijn aan de deur bevestigd, waardoor medewerkers de binnenkant van de deur gemakkelijk vooraf kunnen installeren en ook eventuele schade aan het klasse A-oppervlak tijdens de montage kan worden voorkomen." Gegoten snap-fit-functies op het binnenframe zijn verstelbaar om rekening te houden met fabricagetoleranties in de Y-richting, voegt hij eraan toe, terwijl sleufgaten voor metalen bevestigingsmiddelen helpen om fabricagetoleranties in de X- en Z-richtingen tijdens de montage te compenseren.

Om te helpen bij gewichtsvermindering, heeft het huidige deurontwerp geen conventioneel interieurpaneel. In plaats daarvan werden een paar functionele gegoten onderdelen ontworpen, waaronder een spuitgegoten kaartzak, een armleuning van natuurlijk hout dat aan de achterkant is gegoten met ABS-kunststof en een leren bekleding gelamineerd met schuim. Samen wegen deze onderdelen 1,34 kg, in vergelijking met het basisbinnenpaneel van 3,49 kg. Pilla zegt dat het team verwacht meer gewicht te besparen met ontwerpoptimalisatie.

Momenteel is FEA-analyse en -optimalisatie aan de gang om zowel statische belastingsgevallen als dynamische crashbelastingen te modelleren die de composietdeur zal moeten weerstaan. De statische belastingsgevallen alleen al zijn ontmoedigend, en omvatten deurverzakking, stijfheid van de gordellijn, stijfheid van spiegelmontage, trekstijfheid van deurklinken en meer. De dynamische belastingtest, zegt Pilla, bestaat voorlopig uit de Federal Motor Vehicle Safety Standard (FMVSS) 214 quasi-statische paaltest, waarbij een voertuigdeur naar binnen wordt verpletterd door een paal (die het dak en de carrosserie mist) gedurende 18 inch terwijl alle minimale krachtvereisten worden gehandhaafd:"Dit geval is het minst rekenintensief in vergelijking met de andere twee crashtests [de 75 ° FMVSS 5 ^de Percentiel Vrouw (AF5) Pole test en de Insurance Institute for Highway Safety Side Impact Criteria Evaluation (IIHS SICE) test]. Dit stelt ons in staat om meer ontwerpexperimenten en optimalisatielussen uit te voeren.”

Gang Li voegt eraan toe:“De integratie van het composietproductieproces en structurele prestatiesimulaties met optimalisatiealgoritmen is zowel intrigerend als uitdagend. Hoewel de uitdaging ligt in de complexiteit van het systeem en de schaal van de betrokken berekeningen, voegt een dergelijke integratie de ontwerpruimten van de constructie, het materiaal en het productieproces samen en biedt ons meer mogelijkheden voor lichtgewicht en verbeterde prestaties.” En als hij voldoet aan dit belastinggeval met paaltest, betekent dit dat de deur bijna voldoet aan de andere twee paal- en zijdelingse botsingen, voegt hij eraan toe.

"Onze tests tot nu toe tonen aan dat de composietdeur gemakkelijk voldoet aan de federale vereisten, maar de uitgebreide prestaties van onze basis Acura-deur zijn veel beter dan die vereisten", zegt Pilla. FEA-resultaten tot nu toe laten zien dat de lichtgewicht composietdeur meer energie absorbeert dan de basisdeur (23,59 kJvs.15,34 kJ), wat Pilla toeschrijft aan het vermogen van composieten om extra vervormingsenergie te absorberen na het initiële vloeipunt. Maar simulaties tonen aan dat er verbeteringen kunnen worden aangebracht, zowel aan de buitenste versteviging van de riemlijn als aan de versterkingsarchitectuur van het binnenste frame.

Met nog een jaar te gaan in de initiële projecttijdlijn, genereert de groep productiesimulaties en toolingbenaderingen; het maken van een massaproductieplan voor opschaling en geschatte kosten van een productielijn; en het produceren van prototype(s) voor crashtests en mechanische prestatietests, fit- en finishtests en versnelde veroudering.

Pilla zegt:"De composietdeur bereikt het doel nog steeds niet vanwege de dikte van de panelen en is niet volledig geoptimaliseerd. Hoewel we veel lichter zijn dan de stalen basislijn, hebben we ons doel van 42,5% gewichtsreductie nog niet bereikt, maar we zijn optimistisch dat we het kunnen bereiken." Een prototype deur voor pasvorm- en functietesten zal binnenkort gereed zijn. Het projectteam is van mening dat de materialen en technologieën die voor deze deur zijn ontwikkeld gemakkelijk schaalbaar kunnen zijn naar andere auto-onderdelen (bijvoorbeeld geschroefde en carrosserie-in-witte onderdelen), en dat de relatief lage infrastructuurkosten van de composietprocessen nieuwe OEM's en leveranciers om deze technologieën te implementeren - een overwinning voor autocomposieten.