Hybride thermoplasten verbeteren botsweerstand vloermodule in automobielontwerp

Een ambitieus meerjarig programma door het Duitse System integrated Multi-Material Lightweight Design for E-mobility (SMiLE) consortium heeft een demonstrator automobiele vloermodule ontwikkeld die deel uitmaakt van een grotere hybride body-in-white (BIW) structuur en grote belofte toont voor het gebruik van composieten en niet-ferrode metalen in een medium-volume productieomgeving. Deze batterij-elektrische voertuig (BEV) achterste vloer bestaat uit twee typen thermoplastisch composiet, plus metallische profielen en inserts. Het fungeert als de vloer van de kofferbak en achterste passagierscompartiment. Daarin wordt het lijmd en mechanisch gejoind aan een tweede, hybride/thermohardend composiet vloermodule, die geïnjecteerd is (RTM) uit koolstofvezel-versterkte epoxy met metallische inserts en lokale zandwichstructuren met polyurethaneenschuimkernen. Deze structuur is de vloer voor de voorste helft van het voertuig en houdt de batterijen. De complete vloermodule demonstrator is gelijmd en geschroefd aan aluminium rockers/zijrails, die zelf gebolt zijn aan dwarsbalken op het aluminium monocoque van het voertuig. De gehele vloermodule demonstrator was ontworpen om massa te reduceren en significante botsenergie-absorptie te bieden voor een serie-productievoertuig met bouwaantallen van 300 auto's/dag.

Ontwerpbeslissingen

Consortiumleden die werkten aan de achterste vloer omvatten automakers Audi AG (Ingolstadt, Duitsland – ook leider van het gehele SMiLE-programma) en Audi-eigenaar Volkswagen AG (Wolfsburg, Duitsland); Karlsruhe Institute of Technology's Institute of Vehicle System Technology (KIT-FAST, Karlsruhe, Duitsland); Fraunhofer Institute for Chemical Technology (F-ICT, Pfinztal, Duitsland, leider voor zowel voor- als achterste vloerprojecten), en Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials (F-IWM, Freiburg, Duitsland); thermoplastische composietleverancier BASF SE (Ludwigshafen, Duitsland); machine-OEM Dieffenbacher GmbH Maschinen- und Anlagenbau (Eppingen, Duitsland), en gereedschapsmaker/molder Frimo Group GmbH (Lotte, Duitsland).

De beslissing was genomen om de achterste vloer te produceren met thermoplastische composieten met metallische inserts. Het team wilde kofferbakkenmerken en bevestigingsstructuren voor tweede-riem gordels toevoegen, maar ze wilden ook de vloer gebruiken om significante botsenergieën te absorberen. Normaal vertrouwen automakers voornamelijk op metallische profielen aan de zijkanten van metallische vloeren om achterste botsenergieën op passagiersvoertuigen te managen. Echter, gegeven de impactsterkte van thermoplastische composieten, vroegen onderzoekers zich af of de gehele breedte en lengte van een composietvloer gebruikt kon worden om botslasten te managen. Ze vroegen zich ook af of hogere botsenergieën geabsorbeerd konden worden.

Onderzoekers bekeken gangbare automobiele thermoplastische composieten. Polypropyleen (PP) en polyamide 6 (PA6) matrices werden overwogen maar PP werd geëlimineerd om temperatuurredenen aangezien de achterste vloer mee reist met de BIW door het hoge-temperatuur elektrofotische coating (e-coat) roestpreventieproces. Continue vezelversterking was nodig om de hoogste stijfheid en sterkte te bereiken, dus voorproefwerk focuste op stof-versterkte organosheet (een vorm van glasmat thermoplastisch (GMT) composiet) en unidirectionele (UD) thermoplastische prepregbanden. Om diverse redenen werden banden geselecteerd voor verdere prototyping.

Onderzoekers wisten dat de geometrie van de achterste vloer complex zou zijn. Gebruik van geautomatiseerde bandleggemachines (ATL) – die UD-banden in elke oriëntatie plaatsen en gaten/vensters maken met minder materiaal dan organosheet – zou afval, massa en kosten verminderen, en het meest efficiënte gebruik van vezels lokaal en globaal over het onderdeel toestaan. Omdat vezels geplaatst via ATL plat en parallel liggen in elke laag van de laagstapel en niet geweven zijn zoals stoffen, is er geen ondeling en consequent verlies van stijfheid en sterkte.

UD-banden hebben wel beperkingen: ze zijn relatief duur en hebben slechte drapeerbaarheid met bijna geen vloeicapaciteit, wat het moeilijk maakt om complexe geometrieën te vullen. Deze problemen werden opgelost door selectief gebruik te maken van discontinue/gehakte direct-long fiber thermoplastic (D-LFT) composieten, die vloeibaar zijn, hoge niveaus van functionele integratie/onderdeelconsolidatie toestaan en veel gemakkelijker in complexe ribben te vormen zijn zonder vezelbrugvorming, maar toch significante botsenergie kunnen absorberen. Met D-LFT is het ook gemakkelijker om metallische bevestigingen in te gieten, vooral als inserts voorgeboord zijn zodat gaten composiet toestaan door en om het metaal te vloeien, wat een sterke binding creëert via mechanische vergrendeling. Verder is D-LFT goedkoper dan banden of organosheet en veel gemakkelijker te gieten in dikke secties. Gecompound aan de pers-kant, vereenvoudigt D-LFT materialenvoorraadbeheer en biedt hoge flexibiliteit op ontwikkelingsprogramma's om snel materiaaleigenschappen te wijzigen – vezellengte en type, vezel-volume-fractie (VVF) en matrix – terwijl onderdelen gemaakt en geëvalueerd worden. Tijdens productie zijn materiaal/procesinstellingen controleerbaar om hoge niveaus van herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid (R&R) te bereiken, waarom automobiel het proces al bijna twee decennia gebruikt voor medium-tot-hoog-volume productie.

Omdat onderzoekers de achterste vloer dun en licht wilden houden en in staat wilden zijn ketting te weerstaan tijdens het absorberen van hoge impactlasten, voerden ze simulaties en initiële ontwikkeling uit via kleponderdeeltesten met glas- en koolstofvezel-versterkte banden en D-LFT bij verschillende vezel-gewichtsbreuken (FWFs) om mechanische prestaties te evalueren ten opzichte van vulgedrag. Hoewel koolstofcomposieten dunner, lichtere, stijvere structuren produceerden dan glas, werd vanwege kostenoverwegingen en omdat de voorste vloer al koolstofvezelversterking gebruikte, gekozen voor glas om de achterste vloer te versterken tijdens opschaling naar full-size onderdelen. Ultramid B3K PA6 D-LFT met 40-gew.% glasvezel en acht lagen Ultratape B3WG12 PA6 met 60-gew.% glasvezel, beide van BASF, werden gebruikt.

Na veel simulatie-werk omvat het eindontwerp van de 1,3 bij 1,3 m achterste vloer een dunwandige, near-net-shape structuur geproduceerd uit UD-banden geconsolideerd in een laminaat verweven met een dikker D-LFT knelzone (zie Fig. 2). Grote golvingen, ook gemaakt van UD-tape, met diepe gollen (50 mm hoog bij 115 mm breed) werden gevormd langs de longitudinale as van het onderdeel voor hoge stijfheid bij lage massa en dikte. Daarnaast werden twee vensters gevormd tijdens bandlegging om D-LFT door het laminaat te laten penetreren naar waar het nodig was. Omdat diepe golvingen moeilijk te vormen zijn in grote laminaten, was het nodig om zowel het gietproces als het gereedschap te wijzigen om goede onderdelen te produceren (zie "Hoe onderzoek naar een automobiele vloermodule de ontwikkeling van een nieuw D-LFT/compressiemol-subproces dreven"). Deze golvingen, in combinatie met twee ladingen D-LFT die complexe ribben in X-vormige roosterstructuren vormden, genereren een hoog traagheidsmoment voor het oppervlak, wat de onderdeelstijfheid verhoogt in het dunne, lichte ontwerp terwijl ketting bij een botsing wordt vermeden. D-LFT-roosters aan de achterkant van het onderdeel vormden een knelzone om energie bij achterste botsingen te absorberen. Aluminiumprofielen werden integraal gegoten aan de axiale zijden van de vloer en gelijmd aan D-LFT en laminaat via speciale oppervlaktebehandelingen alsook gaten die vergrendeling bieden. Deze profielen waren zorgvuldig ontworpen om de onderdeelstijfheid verder te verhogen, goed kettingsgedrag te bieden en kracht in de D-LFT knelzone over te dragen tijdens een botsing. Ze bieden ook bevestigingspunten voor directe montage van de achterste vloer aan omringende metallische structuren. Additionele metallische inserts, ook integraal gegoten in de structuur, boden directe montage voor gordelsloten.

Succesvolle implementatie

Simulatiewerk alsook kleponderdeel- en grootonderdeeltesten verifieerden dat de hele hybride achterste vloer gebruikt kon worden om botslasten te managen. Verdere beoordeling onthulde dat deze technologie even veilig zou moeten zijn als conventionele metallische structuren.

Eén groter projectdoel – het reduceren van de totale BIW-massa tot 200 kg – was theoretisch gehaald tijdens simulatie en kleponderdeeontwikkeling. Echter, naarmate het project evolueerde, werd betere botsprestatie gewenst, wat het toevoegen van massa aan composietstructuren vereiste. Daarnaast leidde kostenoverwegingen tot een switch van koolstofvezel naar glasvezelversterking voor de achterste vloer. De resulterende achterste vloer met inserts weegt 32,9 kg, terwijl de voorste vloer (met inserts maar zonder batterijen) 12,1 kg weegt. Voor eindtestonderdelen werd het massadoel met slechts 4,3% gemist om hogere veiligheid en lagere kosten te bereiken. De SMiLE BIW zou ook duurder zijn dan conventionele metallische systemen vanwege het intensieve gebruik van koolstofvezelversterking in de voorste vloer.

Het achterste vloerproject leidde tot F-ICT's ontwikkeling van een D-LFT/compressie-subproces genaamd local advanced tailored LFT, dat selectief D-LFT-materiaal toepast op grotendeels UD-bandenstructuren om lokaal complexe geometrieën (zoals ribben) te produceren die niet met banden gemaakt kunnen worden. Een andere F-ICT-technologie ontwikkeld voor SMiLE maar gebruikt op het project is een methode om thermoplastische banden snel op te warmen en te consolideren via radiation-induced vacuum-consolidation, een technologie nu commercieel beschikbaar van Dieffenbacher op een machine genaamd Fibercon.

Opmerkelijk genoeg werkte het experimentele proces en het hoogst complexe gereedschap geproduceerd door Frimo vanaf de start en werden meer dan 100 demonstratoronderdelen geproduceerd voor daaropvolgende testen en demonstratie. Hoewel het team het gietproces ontwierp om in één stap te worden gedaan, gelooft Dr.-Ing. Sebastian Baumgärtner, F-ICT teamleider voor thermoplastische verwerking en leider van het achterste vloerproject, dat in een productieomgeving het efficiënter zou zijn om dit complexe onderdeel in twee stappen te vormen, met laminaat pre-vorming in een apart gereedschap. "We kozen om het moeilijkere eentrapsproces eerst te proberen en het werkte goed," legt Baumgärtner uit. "Echter, het gereedschap was heel complex en procescontrole was niet zo makkelijk. Als het laminaat te heet werd op plekken, had het een zeer sterke interactie met de LFT-strengen. Om goede herhaalbaarheid tijdens productie te garanderen, zou het beter zijn om dingen te vereenvoudigen en een tweetrapsproces te kiezen, wat robuuster zou zijn." Nog, gegeven de grote grootte van dit composietonderdeel en het complexe proces om het te vormen, was het team erg tevreden met de eindresultaten. "We hebben gedemonstreerd dat we een innovatief en economisch onderdeel konden produceren dat gewicht- en prestatiegeoptimaliseerd was en hoge functionele integratie had met commerciële technologie," voegt hij toe.

De complete vloer won de 2018 CCE-JEC Innovation Award in China en de Duitse regering erkende het grotere SMiLE-programma als een Lighthouse-project, wat betekent dat de technologie belangrijk zal zijn voor gebruik in toekomstige mobiliteitsontwerpen. Het team is in gesprek over volgende stappen.