Desain kerangka memungkinkan struktur otomatis komposit yang lebih kompetitif

Sebagai produsen berusaha untuk mengurangi biaya komponen komposit, desainer berusaha untuk menggunakan bahan konstituen seefisien mungkin sementara memungkinkan produksi otomatis dan integrasi beberapa fungsi. Untuk aplikasi otomotif, tantangan ini diperparah dengan kebutuhan waktu siklus sesingkat 1-2 menit.

Overmolding — fitur komposit termoplastik cetakan injeksi di atas preform serat kontinu — telah diupayakan sebagai solusi yang memungkinkan selama bertahun-tahun. Sebagai contoh, proyek CAMISMA mendemonstrasikan sandaran kursi komposit yang overmolded pada tahun 2014 (lihat “Kursi belakang kursi mobil CAMISMA:Komposit hibrida untuk volume tinggi”). “Tetapi pendekatan ini telah dibawa ke tingkat berikutnya, sekarang mencapai produksi yang sepenuhnya otomatis dari komposit termoplastik struktur BIW [body-in-white],” jelas Dr. Christoph Ebel, kepala SGL Carbon (Wiesbaden, Jerman) Lightweight &Application Center (LAC, Meitingen, Jerman).

Kemajuan ini berkat pendekatan desain "kerangka" yang telah dikembangkan selama beberapa tahun. Sebagai yang pertama didemonstrasikan dalam proyek MAI Skelett pada tahun 2015, prosesnya melibatkan penggunaan serat karbon searah (UD) termoplastik pultrusions yang thermoformed dan overmolded dalam dua langkah, proses 75 detik untuk menghasilkan anggota atap struktural yang melebihi semua persyaratan versi sebelumnya. Ini juga mengintegrasikan klip untuk attachment dan mengubah perilaku crash dari mode kegagalan getas menjadi ulet untuk meningkatkan kekuatan sisa BIW (lihat “Detail lebih lanjut tentang proses desain MAI Skelett”).

Demonstran Kerangka MAI

Proyek MAI Skelett selama 17 bulan didukung oleh Kementerian Pendidikan dan Penelitian Federal Jerman (BMBF) dan diselesaikan oleh MAI Carbon, sebuah divisi regional dari Carbon Composites e.V. (Augsburg) jaringan. Dipimpin oleh BMW (Munich, Jerman), fokus proyek ini adalah mewujudkan demonstrator tertentu:rangka kaca depan, yang terletak di antara dua pilar A di atas kaca depan kaca. Desainnya didasarkan pada BMW i3 saat ini struktur, termasuk semua kebutuhan fungsional dan ruang. Rangka kaca depan tidak hanya berfungsi sebagai anggota struktural melintang untuk atap, tetapi juga menyediakan fungsi lain:kekakuan, yang juga mengurangi kebisingan, getaran, dan kekerasan (NVH); kekuatan (uji pengepresan atap) untuk membantu memenuhi persyaratan tabrakan; perlengkapan untuk komponen interior (misalnya, visor, trim interior, wiring harness untuk penerangan, dll.), serta dukungan untuk koneksi dengan kaca depan, sun roof dan panel atap eksterior.

Rangka kaca depan dengan desain rangka terdiri dari empat batang pultruded yang diperkuat serat UD di sudut-sudut bagian, dirangkum dalam rangka yang dicetak berlebih untuk memberikan kekakuan torsional dan attachment fungsional berbentuk kompleks. Profil pultruded tidak semuanya dalam satu bidang, melainkan disusun pada ketinggian yang berbeda:dua di dekat bagian bawah bagian setinggi 60 milimeter, dan dua di dekat bagian atas.

Pultrusi sebagai bagian dari kotak alat TP

Untuk rangka kaca depan MAI Skelett, penampang persegi 10 kali 10 milimeter diselesaikan untuk desain. Tujuannya adalah untuk menggunakan serat karbon derek berat yang lebih murah. Namun, serat penarik 50K yang dipilih memiliki kemasan rapat dari berbagai filamen yang membuat impregnasi resin lebih sulit . “Secara umum, tantangan ini dapat diatasi dengan panduan dan penyebaran serat yang dioptimalkan untuk mencapai impregnasi optimal dan kandungan volume serat tinggi sekitar 50 persen volume,” kata manajer produk SGL untuk termoplastik Veronika Bühler. SGL telah menguasai teknologi ini dan sekarang menawarkan pultrusions sebagai bagian dari kotak peralatan termoplastiknya. “Kami sudah memiliki pengetahuan yang luas tentang produk setengah jadi karena pita termoplastik kami, yang juga berbasis pultrusion. Jadi kami dapat dengan cepat mengadaptasi teknologi pultrusion yang kami gunakan saat ini untuk membuat profil kami sendiri.” Proses ini mencakup uji kualitas untuk volume serat, porositas, dan akurasi dimensi. “Yang terakhir ini sangat penting karena otomatisasi dan penanganan robot,” lanjutnya. “Tidak boleh ada kelengkungan, misalnya, karena tegangan sisa pada profil yang hancur.”

Di luar bala bantuan pultrusion, resin termoplastik juga diselidiki di MAI Skelett. Berbagai jenis poliamida 6 (PA6 atau nilon 6) diuji untuk menentukan viskositas dan reologi yang diperlukan untuk kualitas dan kecepatan pultrusi yang optimal. SGL menawarkan berbagai bahan untuk proyek melalui kotak peralatan termoplastiknya, yang terdiri dari pita UD, lembar organo, serat cincang untuk senyawa yang diperkuat serat pendek dan panjang, dan sekarang pultrusion yang diperkuat dengan UD, semuanya berdasarkan serat karbon SIGRAFIL 50K dengan ukuran yang sesuai untuk matriks polipropilen (PP) dan poliamida, termasuk PA6 atau PA6 in-situ. “Sangat penting untuk menyelaraskan serat, ukuran dan matriks untuk mencapai kinerja optimal dari struktur komposit,” kata Bühler.

Dia juga menjelaskan PA6 in-situ:“Ini adalah saat Anda mereaksikan monomer kaprolaktam, atau monomer tunggal dengan katalis dan aktivator, yang kemudian berpolimerisasi [membentuk rantai polimer panjang] selama pencetakan bagian komposit.” Dengan kata lain, kaprolaktam berpolimerisasi in situ menjadi poliamida. Bühler mencatat bahwa poliamida sebagai kelompok polimer termasuk PA66 dan PA12, serta jenis PPA tertentu sebagai pilihan matriks tambahan.

Aspek penting lainnya dari pembuatan rangka kaca depan adalah kemampuan produk setengah jadi termoplastik untuk diformat ulang selama dan setelah pencetakan. Hal ini memungkinkan fungsionalisasi lebih lanjut dari bentuk serta ikatan fusi selama overmolding. Keduanya merupakan faktor penting dalam desain demonstran MAI Skelett.

Termoforming dan overmolding

Produksi rangka kaca depan MAI Skelett dimulai dengan profil pultruded serat karbon/PA6. Ini kemudian harus dimodifikasi untuk mengakomodasi bentuk komponen serta pengenalan beban pada titik yang berbeda. Thermoforming dipilih untuk melakukan ini, dengan perhatian utama bahwa kekuatan dan kekakuan tinggi dari serat karbon hanya dapat diwujudkan dengan menjaganya tetap lurus mungkin. Hal ini dicapai ketika batang pultruded diregangkan ke arah aliran matriks, dan kemudian diratakan dan ditekuk di ujung batang (Gbr. 1).

Langkah kedua dari proses ini adalah menempatkan profil pultruded thermoformed di bawah pemanas inframerah untuk menaikkan suhunya dalam waktu kurang dari 50 detik, diikuti dengan transfer ke dalam cetakan injeksi menggunakan sistem penanganan otomatis yang dikembangkan untuk tujuan tersebut. Semua bagian dalam proyek diproduksi pada mesin cetak injeksi yang ada. Senyawa yang diperkuat serat kemudian dicetak berlebihan ke dan di sekitar profil. Presisi diperlukan baik dalam cetakan dan proses selama overmolding untuk menahan empat batang pultruded thermoformed pada posisinya.

Total waktu siklus untuk proses dua langkah (thermoforming dan overmolding pultrusions premade) kira-kira 75 detik. “Karena matriks termoplastik dicairkan kembali sebelum overmolding, ini memungkinkan untuk membentuk dan mengikat batangan yang telah dibuat sebelumnya dan yang telah dibentuk menjadi bagian yang sudah jadi dalam waktu siklus yang sangat singkat,” jelas Ebel. “Umumnya, peleburan termoplastik juga memungkinkan penyatuan bahkan dengan komponen logam,” tambah Bühler, mencatat bahwa termoplastik termoplastik dan proses pencetakan injeksi menawarkan reproduktifitas dan kontrol proses yang sangat baik, yang merupakan faktor penting untuk produksi volume tinggi.

Kegagalan ulet

Profil PPA dan PA6 dengan senyawa cetakan yang kompatibel menggunakan kaca dan serat karbon dievaluasi untuk mengeksplorasi mode kegagalan yang lebih daktail untuk komponen. Meskipun mode kegagalan yang lebih daktail menurunkan jumlah beban yang dapat ditransfer oleh rangka kaca depan, ini meningkatkan integritas struktural BIW secara keseluruhan.

Metode analisis termasuk pemodelan padat, pemodelan rebar (pemodelan geometri di mana pultrusions bertindak sebagai rebar memperkuat overmolding) dan pemodelan menggunakan elemen shell, serta berbagai kombinasi ini. Perangkat lunak termasuk pemecah FE ABAQUS (Dassault Systèmes, Paris, Prancis) dan pemecah parameter Dakota yang dikembangkan oleh Sandia National Laboratories (Albuquerque, N.M., U.S.). OptiStruct (Altair Engineering, Troy, Mich., U.S.) digunakan untuk optimasi topologi.

Meskipun BMW tidak menentukan kombinasi material yang disukai dalam laporan proyek akhir, BMW menyimpulkan bahwa simulasi akhir dan hasil pengujian menunjukkan bahwa komponen kerangka melebihi semua persyaratan untuk bagian plastik yang diperkuat serat karbon (CFRP) saat ini kecuali untuk kekakuan torsional, yang ditentukan untuk tidak menjadi pendorong desain utama untuk rangka kaca depan. Desain kerangka melebihi tingkat beban dan penyerapan energi dalam kasus beban tabrakan vs. bagian CFRP saat ini. Ini juga berhasil mencapai mode kegagalan yang lebih daktail, yang selanjutnya memajukan tidak hanya kinerja crash struktur komposit tetapi juga pemahaman tentang kinerja crash itu dan bagaimana kaitannya dengan struktur BIW secara keseluruhan.

Aplikasi desain kerangka masa depan

Dalam laporan akhir MAI Skelett, BMW mencatat bahwa mereka telah mengidentifikasi enam komponen kendaraan lain yang dapat mengambil manfaat dari pengurangan signifikan dalam biaya manufaktur, material dan perkakas yang disediakan dengan menggunakan pendekatan desain kerangka. SGL Carbon menyarankan aplikasi di struktur kursi otomotif dan dirgantara, dasbor, lengan robot, bangku sinar-X, dan banyak lagi.

Namun, pendekatan desain kerangka dikembangkan lebih jauh, meluas ke multiaksial menekankan komponen dalam proyek lanjutan MAI Multiskelett (yang dilakukan dari September 2015 hingga Juni 2017). Itu terlihat di area di mana komponen bantalan dan profil pultruded berpotongan, dan juga di area pengenalan beban tinggi, terutama untuk komponen struktural besar di mana beberapa jalur beban utama bersilangan. Seperti pada proyek Skelett sebelumnya, desain komponen dan jalur produksi serial yang hemat biaya diselidiki.

Contoh bagaimana desain kerangka dapat lebih mengoptimalkan komponen komposit yang ada adalah interior depan Carbon Carrier untuk kendaraan listrik (Gbr. 2) yang dikembangkan oleh SGL dan spesialis teknologi otomotif Bertrandt (Ehningen, Jerman) pada tahun 2017. Mengintegrasikan semua fungsi utama dan komponen trim dari panel instrumen konvensional, Carbon Carrier didasarkan pada organosheet thermoformed sebagai "tulang punggung" bantalan beban untuk menambah kekakuan. “Di masa depan, bagian ini bisa diganti dengan desain dengan profil termoplastik yang overmolded,” kata Ebel. “Ini akan menghilangkan operasi pemotongan, layup dan pemangkasan untuk organosheet. Juga, anggota silang akan menjadi usang karena kami akan mengintegrasikannya sebagai profil pultruded dan overmold mereka untuk mencapai desain dasbor. Bagian overmolded ini juga akan memberikan lebih banyak ruang dan fleksibilitas untuk mengakomodasi elemen terpasang yang diperlukan serta sekrup dan klip untuk memasang elemen atau kabel ini, dll.”

Ebel mengakui ini akan menjadi perubahan desain yang besar, “tetapi ini mengurangi biaya dan membuat seluruh komponen lebih efisien.” Dia menunjukkan bahwa adalah mungkin untuk merancang proses dengan hampir tanpa limbah tanpa limbah karena profil dipotong sesuai panjang yang diperlukan dan tidak ada penguatan serat karbon yang hilang dalam langkah-langkah ini atau dalam thermoforming sebelum overmolding. Bühler menunjukkan bahwa kursi juga merupakan kandidat utama untuk desain kerangka. “Dalam komposit, mereka biasanya dibuat dengan kain atau pita, dan masih berupa struktur seperti lembaran. Tetapi kami dapat mengurangi ketebalan di area bidang dengan mengintegrasikan profil di bagian bawah dan meningkatkan kekakuan.” Dia mencatat bahwa profil pultruded bukan satu-satunya produk UD efisien yang mungkin dibuat. “Bisa juga pita, yang mudah disesuaikan dengan jalur pemuatan untuk setiap bagian.”

“Kami mengunjungi banyak perusahaan di Pusat Ringan &Aplikasi,” kata Ebel. “Desain kerangka sebagai tambahan konsep inovatif telah menginspirasi banyak minat dan terlihat sangat menjanjikan oleh pengunjung kami.” Dia menjelaskan bahwa pusat tersebut telah membangun kemampuan desainnya dan dapat membantu perusahaan mengintegrasikan ide-ide inovatif seperti konsep kerangka untuk membuka ruang desain baru untuk komponen masa depan yang hemat material.

“Ada banyak aplikasi di mana kita dapat menggunakan desain yang mirip dengan rangka kaca depan,” kata Bühler. “Penting bagi industri untuk maju dari quasi-isotropic layup, yang menyisakan banyak kekuatan dan kekakuan serat karbon di atas meja. Sebaliknya, kita harus memanfaatkan bentuk material yang lebih efisien, menempatkan setiap material hanya di tempat yang dibutuhkan. Inilah yang dibutuhkan industri untuk masa depan.”