Eerste Thermoplastische Deur Baant Weg voor Geavanceerde Automotive Composieten

Automotive OEMs en Tier 1's worstelen met de noodzaak om voertuigmassa te verminderen om brandstofverbruik- en CO2-uitstootdoelen te halen. Composietmaterialen kunnen significant bijdragen aan deze lichtgewichtinspanning in veel gebieden, maar kosten, ontwerpvraagstukken, onbekende verwerking en concurrentie van andere materialen blijven obstakels. Om deze te overwinnen, onderzoeken veel projecten hoe composieten geïntegreerd kunnen worden in multi-materiaal auto-structuren voor maximaal voordeel.

Eén project dat adresseren hoe composieten auto belastingdragende structuren kunnen verlichten, wordt uitgevoerd door 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 US Department of Energy (DOE, Washington, DC, VS).

De focus van het project, zegt hoofsonderzoeker Dr. Srikanth Pilla, die de Jenkins Endowed Professor of Automotive Engineering is en Dean's faculty fellow bij Clemson, is de vraag of composieten ultra-lichtgewicht sluitsystemen – deuren, motorhuiden, kofferklappen – kunnen mogelijk maken om gelijktijdige vooruitgang in aandrijvingstechnologie en betere aerodynamica te complementeren: „Binnen het technologieportfolie voor lichtgewichting is veel van de ‚low-hanging fruit' al geïmplementeerd – bijvoorbeeld motorverkleining. We geloven dat er potentieel is voor efficiëntiewinst in het gebied van belastingdragende, structurele sluitsystemen tegen een redelijke prijs.”

Samenwerking, teamvorming zijn cruciaal

Het vierjarige project, dat in 2016 begon, kwam voort uit een DOE-aanvraag, onderdeel van de Obama-administratie's reeks Grand Challenges om wetenschap en techniek op veel onderwerpen voort te zetten, inclusief het halen van auto-emissienormen. De voorstelvraag vraagde om ontwerp en ontwikkeling van een autodeur die een 42,5% gewichtsreductie bood ten opzichte van een standaard OEM-deur, terwijl vergelijkbare crashprestaties, duurzaamheid en gebruik/misbruik prestaties, en vergelijkbare geluid, trilling en hardeheid (NVH) prestaties behouden bleven. En, ongeacht hoe de lichtgewicht deur ontworpen was, moest het commercieel beschikbare materialsystemen gebruiken en schalen tot productievolumes van ten minste 20.000 voertuigen per jaar.

Honda trad toe als OEM-adviseur van het onderzoeksproject omdat het project past bij „onze visie om uiteindelijk een emissievrije samenleving te creëren,” zegt Skye Malcolm, principal engineer, Advanced Planning & Verification Vehicle Development Foundations bij Honda R&D Americas. Honda voegde ook zijn eigen beperkingen toe aan het project, hij voegt toe: „Het deurontwerp dat door het team ontwikkeld moet worden, moet dezelfde afdichtingsgeometrie gebruiken, alle dezelfde functionele uitrusting hebben als de basisdeur, een Class A afwerking bieden ononderscheidbaar van de basisdeur en voldoen aan Honda duurzaamheids- en verouderingseisen.” Het team heeft een additioneel doel gesteld dat de deur 100% herbruikbaar moet zijn. Misschien het meest belangrijk, stelde het DOE een maximaal toelaatbare kosten per pond gewichtsbesparing (ten opzichte van de basisdeur) van $5. Dit betekende dat voor een typische Acura MDX deur van 31,8 kg, een 42,5% gewichtsreductie het totale doelgewicht naar 18,3 kg zou brengen, wat (bij $5/pond gewichtsbesparing) betekende dat de composietdeur slechts $150 mag toevoegen aan de kosten van de deur.

Ondersteunend Pilla aan het project zijn diverse undergraduate en graduate studenten, Dr. Gang Li, professor engineering mechanics bij Clemson, en Drs. Bazle Haque en Shridhar Yarlagadda van de University of Delaware CCM, experts in multi-materiaal composieten. Yarlagadda, de mede-hoofdonderzoeker van het project, wijst erop: „Honda is een integraal onderdeel van onze inspanning geweest en heeft een uitzonderlijk niveau van samenwerking en toewijding aan ons programma geboden, inclusief HPC rekenondersteuning en toegang tot Honda ingenieurs over het hele spectrum. Ontwerp, productie en integratie van composietcomponenten moeten gecombineerd worden met een aantal klantgedreven ‚zachte' eisen om een acceptabel systeemontwerp te creëren, en dit zou niet mogelijk zijn geweest zonder Honda steun.” Deze sentiment wordt gedeeld door de andere teamleden, voegt Pilla toe: „Eenvoudige materiaalvervanging was geen oplossing. We moesten kijken naar een systeembenadering, en Honda hielp ons om alle deursysteemelementen tot op componentniveau te begrijpen. Inderdaad, hun partnerschap en betrokkenheid is ongeëvenaard.”

Een nieuwe deur ontwerpen

Initiële analyse, inclusief benchmarking van andere OEM-inspanningen voor lichtgewicht sluiters voor beperkte marktmodellen, waaronder Audi's aluminium deurframe voor zijn A8 model, de Porsche Panamera magnesium deurframe en BMW's i8 koolstofvezelversterkte thermoharsende deurframe. Geen van deze vorige OEM-benaderingen voldeden echter aan dit project's kosten- of gewichtsdoelen. Pilla zegt: „Ik wilde deel uitmaken van iets wat de toekomst ten goede zou komen, wat zou bijdragen aan een circulaire economie. Een thermoplastische deur was nog nooit geprobeerd, en het zou herbruikbaar zijn.” Vergeleken met andere candidatematerialen, inclusief thermoharsende composieten, aluminium en staal, booden thermoplasten niet alleen herbruikbaarheid maar ook zeer hoog potentieel voor lichtgewichting en snelle verwerkingssnelheden (vergeleken met thermoharsende) om productiedoelen te halen.

Met de oorspronkelijke Acura MDX deur als basislijn (Fig. 1), analyseerde het team de materialenmix: 62% metaal, 21% rigide zuivere polymere, 13% glas en 4% elastomeer. De grootste kans voor lichtgewichting, 60%, zou komen van het metallen deurframe, dat het team van een basisgewicht van 15,4 kg naar een doelgewicht van 6,2 kg wilde reduceren. Hoewel er geen kans was om gewicht te reduceren in de deur's interne componenten en elektronica (radio luidspreker, servo voor raam op en neer, deurslot, etc.), bepaalde het team dat het ramen gewicht met 20% gereduceerd kon worden, misschien het glas dunner maken maar zonder de doelmetrieken NVH en duurzaamheid in het geding te laten. Verder schatte het team dat het gewicht van trim-elementen aan de binnenzijde van de deur met 30% gereduceerd kon worden, of zelfs geëlimineerd.

De hoofdtaken van het project liepen gelijktijdig de eerste twee jaar. Sommige teamleden werkten aan materiaaldata generatie, terwijl anderen de deurspecifieke ontwerpvraagstukken aanpakte. De materiaaldata groep genereerde materiaaltestdata voor diverse thermoplasten – continue tapes, matten, korte en lange vezelversterkte polymeren en meer – om kandidaatmaterialen voor het binnenframe en buitenpaneel te bepalen; materialen werden bijgedragen door diverse industriële leverancierspartners. Data werden geëvalueerd via spinnewijnen, met algehele sterkte, schuifsterkte, toelaatbare kosten, toelaatbare dichtheid, stijfheid en zwaarte als assen.

De best presterende materiaalopties na initiële data-evaluatie – continue vezeltapes en lange vezelversterkte thermoplastische pellets – ondergingen materiellmodellering, legt Pilla uit: „Het was mogelijk om een simpele orthotrope materiaalstijfheidsmatrix voor de continue vezeltapes te construeren, gebaseerd op Hooke's wet.” Voor de lange vezelversterkte polymere waren echter secundaire simulaties nodig om de sterkte en stijfheid van een injectiegegoten deuronderdeel te voorspellen, vanwege anisotropie geïntroduceerd door zowel de finale onderdeelmgeometrie als het vulproces van de vorm. Pilla voegt toe: „Modellering van deze lange vezelmaterialen is moeilijk, omdat er niet veel gedaan is op simulatie.” Om de benodigde data te verzamelen, ontwikkelde het team een productie-optimalisatielus. Generieke onderdeelsvormen voor de deur's binnenframe en buitenpaneel werden gegenereerd met Dassault Systèmes' (Waltham, MA, VS) SolidWorks 3D ontwerpsoftware; vormvulsimulaties van die vormen werden uitgevoerd om smelstroomvectoren te bepalen met behulp van Moldex3D software van Moldex (Chupei City, Taiwan); smelstroomdynamiek en botsing werden geanalyseerd om vezeloriëntatie te bepalen via Digimat software van e-Xstream (Hautcharage, Luxemburg, een Hexagon bedrijf); en gegemapte vezeloriëntaties werden gebruikt om een stijfheidsmatrix te genereren met behulp van finite element analyse (FEA) tools, inclusief materiaalkaarten geleverd door Altair Engineering Inc.'s (Troy, MI, VS) HyperWorks CAE oplossing. Als onderdeelsvormen gewijzigd werden, en materialen getest, werd de optimalisatielus meerdere keren herhaald.

Gelijktijdig werkten andere teamleden aan daadwerkelijke deurconceptontwikkeling, en uiteindelijk, gereedschaps- en productiesimulaties. Beginnend met ruwe schetsen en hoog-niveau materiaalselectie, werd een reeks ontwerpen gecreëerd. Vervolgens werden ruwe CAD modellen gegenereerd, samen met initiële FEA simulaties voor eenvoudige statische belastinggevallen. In de herfst van 2016, zegt Pilla, werd een ontwerpworkshop gehouden bij CU-ICAR waar het team de deurconceptopties beperkte tot zeven, voor verder werk. „Onze ontwerpfilosofie vanaf het begin was om functionele integratie van onderdelen en materialen te maximaliseren, onderdeelaantal te minimaliseren, effectiviteit van gebruikte materialen te maximaliseren door optimalisatie en montage te vereenvoudigen,” zegt Pilla.

Op dit moment werden gedetailleerde CAD modellen gegenereerd en FEA simulaties uitgevoerd voor elk concept om statische prestaties te valideren in overeenstemming met Honda's doelen. Rekening houdend met fabricagebaarheid en integratie van subsystemen, begon Concept 7 (een ruimteframe benadering) te convergeren naar Concept 2 (een een-stuks structureel frame), dus het team besloot door te gaan met Concept 2, lessen geleerd uit de ruimteframe benadering incorporerend. Dat concept bestaat uit vier elementen: het buiten Class A paneel, de deurinterieurs, een binnenframe of paneel, en de interieur trim elementen.

Multi-materiaal binnen, Class A buiten

Het team selecteerde materialen en productieprocessen voor het finale deurontwerp in mid-2018, met een ontwerpvries op 15 januari 2019; gereedschapsproductie en prototyping is begonnen. Figuur 2 toont de details voor het 1,2-mm-dikke binnenframe en zijn componenten (het buiten Class A paneel wordt niet getoond). „Beltline” verwijst naar een stijllijn gevormd door de onderkant van het raamglas, waar verstevigers geplaatst zijn om de gegoten composietpanelen te ondersteunen. Pilla merkt op dat de anti-intrusie balk, voor passagiersbescherming bij een zijwaarts impact, in staal moest blijven om het totale deurgewicht lager te houden – een composietbalk met dezelfde prestaties zou te zwaar zijn geweest. Een sleutelelement van het ontwerp is het bevestigingssysteem voor het verbinden van het binnenframe met het buitenpaneel. Pilla legt uit: „Het buiten Class A paneel zal aan de deur bevestigd worden aan het einde van de montagelijn, wat monteurs in staat stelt om de deurinterieurs van tevoren gemakkelijk te installeren, en ook schade aan het Class A oppervlak tijdens montage te voorkomen.” Gegoten snap-fit kenmerken op het binnenframe zijn afstelbaar, om productietoleranties in de Y-richting te accommoderen, voegt hij toe, terwijl gatgaten voor metallen bevestigingsmiddelen helpen om productietoleranties in de X- en Z-richtingen te compenseren, tijdens montage.

Om te helpen met gewichtsreductie, heeft het huidige deurontwerp geen conventioneel interieur trimpaneel. In plaats daarvan zijn een paar functionele gegoten onderdelen ontworpen, inclusief een injectiegegoten kaartzak, een armsteun van natuurlijk hout achtergegoten met ABS kunststof, en enkele leerpadding gelamineerd met schuim. Samen wegen deze onderdelen 1,34 kg, vergeleken met het basispaneel van 3,49 kg. Pilla zegt dat het team meer gewichtsbesparing verwacht met ontwerpoptimalisatie.

Momenteel is FEA analyse en optimalisatie gaande, om zowel statische belastinggevallen als dynamische crashlasten te modelleren die de composietdeur moet weerstaan. De statische belastinggevallen alleen zijn al ontzagwekkend, en omvatten deurzakking, beltline stijfheid, spiegels bevestiging rigiditeit, deurgreep trek rigiditeit en meer. De dynamische belastingstests, zegt Pilla, bestaan voorlopig uit de Federal Motor Vehicle Safety Standard (FMVSS) 214 quasi-statische paaltest, waarin een voertuigdeur naar binnen geperst wordt door een paal (die het dak en de carrosserie mist) voor 18 inch terwijl alle minimum krachteisen gehandhaafd blijven: „Dit geval is de minst rekenintensieve in vergelijking met de andere twee crash tests [de 75° FMVSS 5^e Percentile Female (AF5) Paaltest en de Insurance Institute for Highway Safety Side Impact Criteria Evaluation (IIHS SICE) test]. Dit zal ons in staat stellen meer ontwerpexperimenten en optimalisatielussen te doen.”

Gang Li voegt toe: „De integratie van het composietproductieproces en structurele prestatiesimulaties met optimalisatiealgoritmen is zowel intrigerend als uitdagend. Terwijl de uitdaging ligt in de complexiteit van het systeem en de schaal van de berekeningen, voegt dergelijke integratie de structurele, materiaal- en productieproces ontwerpruimtes samen en biedt ons meer kansen voor lichtgewichting en verbeterde prestaties.” En, het halen van deze paaltest belastinggeval betekent dat de deur dichtbij de andere twee paal- en zijwaarts impact tests zit, voegt hij toe.

„Onze tests tot nu toe tonen dat de composietdeur gemakkelijk aan de federale eisen voldoet, maar onze basis Acura deur's uitgebreide prestaties is veel hoger dan die eisen,” zegt Pilla. FEA resultaten tot nu toe tonen dat de lichtgewicht composietdeur meer energie absorbeert dan de basisdeur (23,59 kJ vs. 15,34 kJ) wat Pilla toeschrijft aan composieten's vermogen om additionele deformatie-energie te absorberen na de initiële yield punt. Maar, simulaties tonen aan dat verbeteringen gemaakt kunnen worden, zowel aan de buitenste beltline versteviger als aan de versterkingsarchitectuur van het binnenframe.

Met nog één jaar over in de initiële projecttijdlijn, genereert de groep productiesimulaties en gereedschapsbenaderingen; creëert een massaproductieplan voor opschaling en geschatte kosten van een productielijn; en produceert prototype(s) voor crash- en mechanische prestatietesten, pas- en afwerkings testen, en versneld verouderen.

Pilla zegt: „De composietdeur haalt het doel nog niet, vanwege de panel diktes, en is nog niet volledig geoptimaliseerd. Hoewel we veel lichter zijn dan de staal basislijn, hebben we nog niet ons 42,5% gewichtsreductie doel gehaald, maar we zijn optimistisch dat we het kunnen bereiken.” Een prototype deur voor pas- en functionele tests zal binnenkort klaar zijn. Het projectteam gelooft dat de materialen en technologieën ontwikkeld voor deze deur gemakkelijk schaalbaar zijn naar andere auto-onderdelen (bijvoorbeeld bolt-on en body-in-white onderdelen), en de relatief lage infrastructuurkosten van de composietprocessen kunnen nieuwe OEMs en leveranciers in staat stellen deze technologieën te implementeren – een winst voor automotive composieten.