Revolutioneren zonnedakontwerp met thermoplastische composiet geleidingsrails

Een team in Frankrijk geleid door Webasto SC in Les Châtelliers-Châteaumur heeft een nieuwe fixed-glass, rol-blind zonnedakmodule ontwikkeld die, voor het eerst, thermoplastische composiet geleidingsrails gebruikt om conventionele aluminiumrails te vervangen. Eerst gecommercialiseerd op diverse multi-purpose voertuigen (MPV's) geproduceerd door Groupe Renault (Boulogne-Billancourt), bespaart de verandering gewicht, kosten en tooling, elimineert hardware en meerdere verwerkingsstappen, vereenvoudigt assemblagerij-installatie, vermindert bedrijfsgeluid en vrijwaart 13 mm extra hoofdruimte tussen voertuiginsassen en het glaspaneel van het zonnedak.

Conventionele zonnedakassemblage

De auto-industrie heeft historisch aluminiumrails gebruikt om een zonnedak's rol-blindmodule met de body-in-white (BIW) dakstructuur te verbinden, vooral in het geval van grote en transparante, fixed-glass zonnedaksystemen, die doorgaans bijna de hele lengte en breedte van het autodak bespannen. Deze geleidingsrails, gemonteerd langs de bestuurders- en passagierszijde van het dak, doen dubbele dienst op rol-blind zonnedaksystemen omdat ze het glijvlak vormen waarover de gemotoriseerde stof rol-blind reist naarmate de schaduw opgerold wordt om meer licht in het voertuiginterieur toe te laten, of uitgezet wordt om dat licht te reduceren. In tegenstelling tot de starre zonneschermen gebruikelijk in Noord-Amerika, nemen de ingerolde rol-blind zonneschermen weinig ruimte in onder de kopbekleding waar ze niet gezien kunnen worden door voertuiginsassen, maar bieden nog steeds dezelfde thermische isolatie van de zon en geluidisolatie van de wind en regen die starre zonneschermen doen.

Het conventionele productieproces voor aluminiumrails begint met een constant doorsnede aluminiumprofiel en vereist een arbeidsintensief, multi-stap frees- en afwerkproces om de rail's complexe vorm te bereiken:

• zagen op lengte,
• vormen van kleine vouwen via stempelen en punchen,
• vormen van kurven,
• bewerken/frezen van complexe vormen die niet voorgevormd kunnen worden via stempelhoeren (vereist één toolset/operatie en één kwaliteitscontrole na elke stap),
• anodiseren van de rail in zwart of natuurlijke kleur,
• en monteren van elektrische kabelklemmen, spiraalkabelklemmen, centrering/positioneringspennen en moeren.

Elk passagiersvoertuig merk en model gebruikt een iets andere vorm en lengte rail, dus zonnedakfabrikanten moeten significante voorraad produceren en bijhouden tijdens de productielop van een gegeven zonnedakmodule. En wanneer een nieuw model wordt toegevoegd, is alle nieuwe tooling vereist tenzij het voertuig gemeenschappelijke delen deelt met de module voor een bestaand model's zonnedaksysteem.

Aluminiumgeleidingsrails zijn niet alleen arbeidsintensief in productie bij de zonnedakfabrikant, maar ook tijdens installatie bij de voertuigassemblagefabriek. Conventioneel worden rails handmatig bevestigd via schroeven aan de BIW. Daarna wordt de zonnedakmodule door de voorruitbaai doorgegeven en onderkant-geladen in de opening in het dak waar de operator het bevestigt aan de onlangs geïnstalleerde rails. Ten slotte wordt het glasdak zelf, via structurele lijm, aan de bovenkant van de auto gelijmd, wat de zonnedakmodule en de cabine-interieur afdicht.

Hoewel aluminiumrails bekende, gevestigde technologie vertegenwoordigen, hebben ze nadelen. Voor één, aluminium is een duur grondstof en uitdagender dan staal om in complexe vormen te buigen. Voor een ander, om het milieu te beschermen, is afvoer van de anodiseringschemicaliën gebruikt om corrosie te voorkomen een significante additionele kosten. Zoals hierboven gedetailleerd, is het productieproces lang en gecompliceerd en de toolingkosten hoog. Ook, pogingen om functionaliteit te vergroten vereisen het gebruik van additionele hardware toegepast via additionele assemblagestappen.

Nieuw railconcept

Gebaseerd op andere succesvolle conversies van zonnedakframes van aluminium naar composieten op veel kleiner-formaat bewegend-glas zonnedaksystemen, besloot een team bij Webasto een studie te voeren om te zien of de veel-grotere zijrails op rol-blind zonnedaksystemen ook geconverteerd konden worden naar composiet. (Voor- en achterste dwarsbalken waren al geconverteerd naar composiet – typisch glas-versterkt polypropyleen (GR-PP) – op dergelijke systemen.) Het doel was om functionaliteit toe te voegen, productiestappen, onderdeelaantal, kosten en onderdeelgewicht te verminderen, maar nog steeds OEM-prestatievereisten te halen.

Het team begon met het bestuderen van geleidingsrailfunctionaliteit en bedrijfsomstandigheden en identificeerde het meest kritieke kenmerk van rails als hun vermogen om soepele beweging van de gemotoriseerde zonneschaduw met dezelfde kracht voor-achter en links-rechts langs het spoorpad te faciliteren. Om dat te bereiken, vereisen rails nauwkeurige geometrie en een constante doorsnede langs hun gehele lengte, wat groter kan zijn dan een meter. Daarnaast moeten de rails voldoende structureel zijn om een veilige verbinding te bieden met andere zonnedak/modulecomponenten, inclusief voor- en achterste zonnedakdwarbalken en de dakstructuur zelf, het motormechanisme, dakglas en de kopbekleding. Om OEM-vereisten te halen, moet de gemotoriseerde zonneschaduw werken bij lage glijgeluidniveaus om geluid/trilling/scherpte (NVH) in de cabine-interieur te verminderen.

Een scan van veelgebruikte automobiele composieten elimineerde snel die met thermohardende matrices en favoriseerde thermoplasten. Vergeleken met thermoplastische composieten, neigen die met thermohardende uitgeharde naar hogere dichtheid, langzamere molcycli en meer na-molafwerking. Verder bieden hersmelbare thermoplasten een lijm- en bevestigingsvrije assemblageoptie tussen boven- en onderrails en vereenvoudigen enorm einde-van-leven recycling. Plus, thermohardende introduceerden zorgen over mogelijke bedamping en vluchtige-organische-stof (VOS) emissies, die strak gereguleerd zijn voor voertuiginterieurs in de Europese Unie.

Vanwege OEM-vereisten voor extreem strakke dimensionale controle – met name om vervorming te voorkomen, wat soepele werking van de zonneschaduw zou belemmeren – werden polyamide, polypropyleen (PP) en thermoplastische polyesters geëlimineerd. Omdat aluminiumrails vet vereisen voor soepele zonneschaduwwerking, en omdat Webasto-ingenieurs nog niet zeker waren of smeermiddel nodig zou zijn op composietrails, werd polycarbonaat geëlimineerd vanwege zijn slechte chemische weerstand en neiging tot spanningskraking. Acrylonitriel-butadieen-styreen (ABS) werd verworpen vanwege de zonnedak's 110°C thermische vereisten.

Het Webasto-team had eerder glasvezel-versterkt styreenmaleïneanhydride/ABS (GR-SMA/ABS) gebruikt voor het bewegend-glas zonnedakframe, dus richtte het de aandacht op dit materiaal, dat al decennialang in de automobielindustrie gebruikt wordt voor instrumentenpaneel-substraten. GR-SMA/ABS is lage dichtheid, stijf en sterk, heeft zeer lage vervorming en lage deformatie over een breed bereik van temperaturen en vochtigheidsniveaus. Omdat het amorfs is, is er geen zorg over na-mol kristallisatie en krimp. Bovendien is het hersmelbaar, last goed en zorgt het maleïneanhydride-component voor hoge hechtsterkte aan een verscheidenheid substraten, inclusief de polyuréthane-structurele lijm gebruikt om het glasdak aan de zonnedakmodule te hechten.

Webasto keerde zich tot zijn GR-SMA/ABS harsleverancier Polyscope Polymers BV (Geleen, Nederland) om graden voor te stellen die zouden werken. Polyscope leverde twee mogelijkheden – 15%-GR XIRAN SGH30EB en 30%-GR XIRAN SGH60EB – die vervolgens aan kleinschalige labtesten bij Webasto onderworpen werden. De 30%-GR graad was stijver, maar de hogere E-modulus was niet vereist om soepele werking van de zonscherm te garanderen. Testen gaven aan dat de 15%-GR graad de mechanische eigenschapsdoelen zou halen, dus het team koos om dat materiaal te gebruiken, niet alleen voor linker- en rechterrails maar ook voor de voorste dwarsbalk. De achterste dwarsbalk bleef in GR-PP.

De volgende beslissing was welk proces te gebruiken om de rails te produceren. Initieel werd profiel-extrusie overwogen omdat het zowel holle als massieve vormen kan produceren, en functioneel lijkt op het proces gebruikt om aluminiumprofielen te produceren. Het is ook een continu proces, snel genoeg om productievereisten te halen, maar de toolingkosten zijn relatief laag. Helaas waren onderzoekers bezorgd dat extrusie niet voldoende gladde interieurooppervlakken van vezel-versterkte harsen zou produceren om de zonneschaduw soepel en stil langs het spoor te laten bewegen. Ook zou het proces de mogelijkheid beperken om profielgeometrie over de lengte van de rail te veranderen om meer functionele integratie te incorporeren zonder hardware toe te voegen (zoals extra pennen en klemmen) tijdens na-verwerkingsstappen.

Het andere overwogen proces was injectiegieten, dat zeer complexe 3D-structuren met gladde afwerkingen en hoge esthetiek snel, nauwkeurig en met uitstekende herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid (R&R) kan produceren. Bovendien stelt het gaten, uithollingen, klikverbindingen en zelfs klemmen in te gieten, wat secundaire afwerking vermindert.

Voor de doeltoepassing is het nadeel dat injectiegieten geen holle structuur in één stap kan produceren (wat noodzaakt dat elke rail in twee stukken gegoten wordt en vervolgens gejoind.) Ook kan tooling duur zijn.

Besloten voor injectiegieten met als doel meerdere onderdelen in een familie-tool te incorporeren om toolingkosten te verminderen.

Concept bewijsvoering

Met het basisconcept veelbelovend, breidde het ontwikkelteam uit om OEM Groupe Renault en molder ARRK-Shapers (La Séguinière, Frankrijk) te omvatten. Het doel was om een composiet railsysteem te ontwerpen voor een fixed-glass rol-blind zonnedakmodule op het 2016 modeljaar Renault Scenic (vijf-zitter) en Grand Scenic (zeven-zitter) multi-purpose voertuigen (MPV's). Het team besloot elk rail te ontwerpen met een hoog niveau van functionele integratie, spiegel-symmetrie tussen rails voor linker- en rechterzijde en voor het ontwerp om zowel standaard (sedan/vijf-zitter) als lange (stationwagen/zeven-zitter) voertuigmodellen te accommoderen. Aspecten van het team's ontwerp worden nu gedekt door drie octrooien.

Om toolingkosten beheersbaar te houden, optimaliseerde het team het vormontwerp om de boven- en onderdelen van zowel linker- als rechterrails, de voorste dwarsbalk, plus drie stukken hechtinterface die verbinden met de achterste GR-PP dwarsbalk (apart gegoten) in elke cyclus te produceren. Een andere kostenbesparende stap was ARRK-Shapers' gebruik van modulaire blokken (die ingevoegd/verwijderd worden om zowel lange als korte railversies te draaien) in plaats van dure tooling-schuiven. Om alle acht GR-SMA/ABS componenten in een grote familie-tool te gieten, was een injectiepers met een klemkracht van 1.500 kN nodig. Ultrasonische lasing werd geselecteerd om de boven- en onderrails te hechten, en een speciale assemblage-jig werd ontworpen en gebouwd.

Een prototyping- en testfase stelde het team in staat om het railontwerp te finaliseren, productieuitdagingen te anticiperen en te verzekeren dat onderdelen Renault's validatietesten zouden halen, wat omvatte:

• Duurzaamheidstesten voor 10.000 levenscycli.
• Tri-as trillingstesten over een temperatuurbereik van -20°C tot 110°C bij 95% relatieve vochtigheid (RH).
• Temperatuurcycli van 85°C naar -20°C naar 50°C bij 95% RH naar 110°C.
• Afhechtsterkte en schuifsterkte na lijmhechting.
• Renault rijgeluidtest voor NVH.
• Rollover "korkendraaier" test.
• Rol-blind bedrijsnelheid van minstens 75 mm/sec bij 23°C bereikt na elke test.

"Het idee om geëxtrudeerde aluminiumgeleidingsrails om te zetten naar een plasticoplossing op een zonnedak roller-blind is een Webasto-idee en een dat al lang gepatenteerd is," legt Jacques Vivien uit, Webasto R&D, design to cost, industrieel expert. "Echter, tot recent heeft geen engineeringkunststof de harde vereisten van deze functie gehaald." Hij herinnert ons dat de plastische kandidaat moest voldoen aan eisen voor dimensionale nauwkeurigheid; stabiliteit over tijd, weerstand tegen temperatuur- en vochtigheidsveranderingen; stijfheid en glijcapaciteit behouden; uitstekende hechtbaarheid vertonen; en al dat doen en kostenconcurrentieel blijven. "We waren erg tevreden met de selectie van Polyscope's XIRAN SGH30EB, wat het project een vol succes maakte voor iedereen betrokken."

Verwachtingen overtroffen

Met meer dan twee jaar productie en verkoop, presteren de composietgeleidingsrails zoals voorspeld en zijn veel voordelen gezien op tier-, OEM- en klantniveau. Bijvoorbeeld, ARRK-Shapers' slimme tooling heeft significante kosten van het programma afgeknipt. Webasto's gebruik van een ontwerp met significant grotere functionele integratie dan de legacy aluminiumassemblage, en de keuze voor injectiegieten om de complexe structuren in één schot te creëren, elimineerde hardware en na-molafwerking, wat ook kosten verlaagde. Railproductie alleen werd verminderd van zeven stappen tot twee.

Bij Renault's assemblagefabriek arriveert het nieuwe zonnedaksysteem, inclusief de rol-blind, volledig geassembleerd en getest als een eenheidsunit die robotisch aan het dak gelijmd wordt, wat twee tot drie assemblagestappen elimineert en een operator hertoegewezen kan worden, wat kosten en tijd nog verder vermindert. Naar verluidt was de initiële systeemkostenreductie rond 20%, maar de nieuwe module heeft minder onderdelen, wat verwacht wordt garantiekosten langdurig te verminderen zoals aangegeven door lagere parts per million (PPM) defecten en hogere kwaliteit gezien bij Renault. Een ander voordeel van de nieuwe composietrails is dat een Z-as element-stackreductie van >13 mm bereikt werd omdat de hele module direct aan de BIW gelijmd wordt in plaats van het conventionele twee-tot-drie-stappenproces, waarbij rails bevestigd worden met schroeven aan de BIW en de module daarna bevestigd aan de rails. Dit biedt niet alleen meer werkruimte op de assemblagerij voor werknemers, maar geeft ook langere voertuiginsassen meer hoofdruimte. Een andere subtiele verbetering was dat NVH verminderd werd tijdens zonneschaduwbedrijf om de enorme daglichtopening op beide voertuigmodellen te openen of te sluiten. Als aluminium zijn de composietrails volledig recycleerbaar, maar er is minder energie nodig om ze initieel te produceren en aan het einde van de voertuiglevensduur te recyclen, wat, argumenteerbaar, ze ook beter voor het milieu maakt. (Interessant genoeg vond het team ook dat geen smeermiddel nodig was op de composietrails voor betrouwbare zonneschaduwwerking.)

"Toen Jacques Vivien van Webasto Frankrijk me eerst vertelde dat hij overwoog aluminiumgeleidingsrails te vervangen door SMA-composiet op een zonnedak roller-blind module, dacht ik dat het misschien een beetje uitdaging zou zijn, maar de kans waard," merkt Henri-Paul Benichou op, Polyscope's sales en business development manager. "Deze innovatieve toepassing bleek een technisch en industrieel succes te zijn, met talloze voordelen voor leveranciers, voor Renault en voor Renault's klanten."