Membuktikan kinerja di powertrain EV

Penurunan berat badan terus menjadi tujuan kendaraan listrik (EV), meningkatkan kinerja dan memperluas jangkauan. Untuk itu, desainer dan pabrikan sedang menjajaki penggunaan komposit pada penutup baterai, panel bodi, struktur sasis, dan komponen suspensi. Namun, satu proyek telah mengarahkan perhatiannya pada powertrain di luar baterai ke rumah girboks, menggantikan aluminium cor dengan komposit termoplastik yang diperkuat serat karbon dan serat kaca untuk memangkas bobot hingga 30%.

Proyek ini direkayasa oleh beberapa perusahaan dalam Grup ARRK (Osaka, Jepang). Didirikan pada tahun 1948, grup ini terdiri dari 20 perusahaan di 15 negara, dengan lebih dari 3.500 karyawan, dan menyediakan layanan pengembangan produk termasuk desain, pembuatan prototipe, perkakas, dan produksi volume rendah ke berbagai industri. Sejak awal 2018, ARRK Corp. telah menjadi anak perusahaan dari Mitsui Chemicals Group (Tokyo, Jepang), yang memproduksi senyawa termoplastik yang diperkuat serat panjang dan pita serat karbon/polipropilena (CF/PP) searah (UD) serat karbon/polipropilen (CF/PP). ARRK telah menetapkan komposit sebagai salah satu dari 14 pusat kompetensinya, bergabung dengan asosiasi industri Jerman Carbon Composites e.V. dan MAI Carbon pada 2012 dan Composites UK pada 2015.

Untuk proyek housing gearbox ini, engineering diselesaikan oleh ARRK/P+Z Engineering GmbH (Munich, Germany) dengan dukungan dari ARRK Shapers' France (La Séguinière dan Aigrefeuille-sur-Maine, France) untuk proses produksi serta stamping dan alat cetakan, sementara prototyping dipimpin oleh ARRK LCO Protomoules (Alby sur Chéran, Prancis). “Tujuannya adalah untuk menunjukkan bobot yang ringan dan kekakuan yang dapat diberikan termoplastik yang diperkuat serat untuk mesin kendaraan listrik dan komponen transmisi yang biasanya terbuat dari aluminium,” jelas pemimpin proyek ARRK Engineering Raik Rademacher.

Gearbox yang digunakan sebagai dasar untuk proyek ini dibuat oleh Getrag (Untergruppenbach, Jerman) untuk Smart Fortwo mobil kota listrik. Hanya rumah yang didesain ulang, dengan semua bagian interior digunakan kembali dan beroperasi tanpa perubahan. Pendekatan rekayasa ulang menggunakan berbagai simulasi — model elemen hingga (FEM), optimasi topologi dan simulasi proses stamping preform dan injeksi overmolding. Ini juga membuktikan proses untuk mengubah desain logam menjadi komposit menggunakan banyak mitra dengan beragam keahlian material, proses, dan struktur.

Menentukan target, beban, dan material

Rumah gearbox EV ini terdiri dari dua bagian yang diikat secara mekanis di sekitar roda gigi dan poros transmisi kendaraan. Fase konsep dimulai dengan menentukan target desain. Langkah pertama adalah merekayasa balik model elemen hingga dengan memindai 3D Fortwo yang dibongkar gearbox, termasuk komponen internal, poros dan roda gigi. Torsi input dan output maksimum, rasio roda gigi dan torsi pada poros input dan output berasal dari data pabrikan. Simulasi FEM kemudian digunakan untuk menghitung torsi pada rumah girboks untuk penggerak kendaraan dan beban pantai, serta beban gravitasi hingga 60G untuk mensimulasikan situasi tabrakan.

Rumah gearbox harus menangani beban ini tanpa melebihi deformasi yang diizinkan; jika tidak, mungkin ada defleksi yang signifikan pada poros roda gigi, yang menyebabkan kontak yang tidak akurat pada roda gigi. “Kontak seperti itu akan merusak roda gigi dan, dalam kasus terburuk, menyebabkan kegagalan,” kata Rademacher. “Kesalahan transmisi karena penyelarasan gigi yang tidak akurat juga menyebabkan perilaku akustik yang tidak diinginkan di gearbox,” tambahnya. “Mereka menyebutnya ‘rengekan.’ Karena EV sangat senyap, penting agar gearbox komposit ini benar-benar tenang dan senyap.” Dengan demikian, kekakuan adalah target kinerja yang penting, dan harus sesuai atau melebihi dari dasar aluminium.

Diidentifikasi sejak awal sebagai bahan kandidat untuk desain ulang ini, serat kaca tenunan dan organosheet poliamida 6 (PA6) yang diperkuat serat karbon dari TenCate (Nijverdal, Belanda) diuji sifat mekaniknya. Karena komposit serat kaca hanya menunjukkan 50% dari kekakuan organosheet serat karbon, yang terakhir dipilih. “Bahannya adalah TenCate CETEX TC912 menggunakan serat 12K dalam kain kepar 2-kali-2,” kata Rademacher. “Kami menentukan organosheet khusus yang dibuat menggunakan sembilan lapisan dalam urutan susunan kuasi-isotropik (0 °/90 °/45 °/-45 °/90 °/-45 °/45 °/90 °/0°)".

Konsep dan fase desain

Lima konsep rumah gearbox dikembangkan, tetapi hanya dua yang menawarkan potensi yang memadai untuk penghematan berat dan biaya, bersama dengan waktu siklus yang rendah. Pemeriksaan kelayakan mengungkapkan bahwa hanya satu konsep yang memungkinkan kekakuan yang cukup, dengan menggunakan kursi bantalan logam. “Kursi adalah koneksi langsung antara bantalan untuk poros roda gigi dan rumah girboks,” jelas Rademacher. “Kami hanya melihat cetakan injeksi ini, tetapi memilih insert aluminium overmolded untuk meningkatkan kekakuan.” Konsep ini dipilih untuk pengembangan.

Optimalisasi topologi untuk meminimalkan energi regangan dilakukan pada fase desain berikutnya. Dari analisis ini, geometri housing gearbox disempurnakan, termasuk jari-jari minimum untuk lengkungan yang dibentuk. Geometri ini digunakan untuk membangun model simulasi untuk desain detail. Laminasi organosheet kemudian dioptimalkan lebih lanjut, menunjukkan bahwa lapisan +45°/-45° harus yang paling tebal. Hal ini berkorelasi baik dengan fakta bahwa torsi pada rumahan adalah sumber utama deformasi yang harus ditahan.

Kekakuan housing masih ditemukan tidak mencukupi, sehingga pita UD yang bersilangan dan rib overmolded dimasukkan ke dalam geometri housing. Untuk overmolding, tim memilih 40% serat kaca/PA6 (GF/PA6) senyawa dari EMS-Grivory (Domat/Ems, Swiss).

Fase detail dan manufaktur

Titik pemasangan fungsional dan koneksi untuk dua bagian rumah girboks dirinci dalam fase ketiga desain ulang ini. Setengahnya akan dikencangkan secara mekanis, jadi sisipan aluminium ditambahkan ke desain untuk mengirimkan beban bantalan dari pengencang. Fitur lain kemudian dirinci, termasuk flensa overmolded yang berisi insert ini dan rib serta geometri fungsional lainnya yang diovermoled ke eksterior housing.

Proses stamping dipilih untuk preforming organosheet sebelum overmolding. Simulasi stamping telah diselesaikan (Gbr. 1) oleh mitra ESI Group (Paris, Prancis) menggunakan perangkat lunak PAM-FORM untuk mengantisipasi masalah apa pun selama preforming dan untuk mendapatkan potongan awal untuk organosheet mentah.

“Simulasi menunjukkan deformasi lentur karena ketebalan organosheet yang tinggi dan jari-jari yang rapat pada geometri housing, yang menyebabkan kerutan pada preform,” kata Rademacher. “Jadi, kami memodifikasi jari-jari desain dan mengurangi ketebalan organosheet menjadi 4 mm. Saat itulah kami menunjukkan bahwa lapisan 45° yang lebih tebal harus digunakan, tetapi kami tidak bisa mendapatkan organosheet seperti itu dari pemasok. Kami memutuskan untuk mempertahankan tumpukan kuasi-isotropik tetapi menerapkan 45° UD di atasnya untuk memungkinkan pengurangan ketebalan, sambil mempertahankan kekakuan.”

Tim menggunakan 12 lapis pita serat karbon/PA6 CETEX TC910 dengan lebar 25,4 mm dan tebal 0,16 mm serta simulasi pencetakan ulang. Ini menunjukkan bahwa pita UD yang disilang meluncur keluar dari tempatnya selama stamping. Untuk mengatasi hal ini, slot dirancang di alat stamping untuk mengunci kaset UD pada posisinya.

Proses overmolding juga disimulasikan, dilakukan oleh Shapers menggunakan software MoldFlow Autodesk (San Rafael, CA, US), dan juga software Moldex3D dari CoreTech System Co. Ltd. (Chupei City, Taiwan). Salah satu manfaat dari overmolding adalah pencegahan korosi galvanik. Senyawa cetakan pendek yang diperkuat serat kaca menyediakan isolasi antara pengencang aluminium dan serat karbon di organosheet. Dengan demikian, tidak diperlukan perekat, sealant, atau pelapis tambahan.

Setelah menyelesaikan simulasi ini, proses manufaktur diselesaikan sebagai berikut (lihat Gambar 2):

1. Organosheet dipotong dan ditumpuk menjadi quasi-isotropic layup;
2. Stack laminasi dan pita UD ditempatkan ke dalam bingkai yang mempertahankan posisi pita;
3. Pemanas inframerah melelehkan matriks termoplastik hingga 240-260 °C;
4. Bingkai dengan bahan bentuk awal dipindahkan ke mesin pres dan alat (dipanaskan hingga 90-110 °C);
5. Preform dicap (waktu siklus 5 detik);
6. Konsolidasi bentuk awal dipangkas menjadi bentuk akhir menggunakan sistem pemotongan waterjet;
7. Bantalan poros dan sisipan sekrup ditempatkan ke dalam alat overmolding sementara bentuk awal yang dipangkas dipanaskan kembali;
8. Bentuk awal dan sisipan dicetak berlebih (waktu siklus 2 menit termasuk penempatan dan pelepasan manual);
9. Flensa bagian akhir dan dudukan bantalan digiling sesuai toleransi yang disyaratkan.

Prototipe dan keberhasilan proses

Paruh pertama dari prototipe housing gearbox komposit diproduksi dan ditampilkan di JEC World 2017. Kemudian diuji untuk memvalidasi simulasi FEM. Prototipe menunjukkan sifat mekanik yang baik, sekaligus mengurangi berat menjadi 4 kg dari 5,8 kg untuk dasar aluminium, penghematan berat sekitar 30%. Biaya penutup prototipe paruh pertama ini diperkirakan €50-80, dengan organosheet menjadi komponen yang paling mahal.

Proyek ini juga berhasil membuat prototipe bagaimana kumpulan perusahaan ini bekerja sama untuk menghasilkan desain ulang komposit. “Latar belakang kami di ARRK Engineering adalah simulasi untuk komponen komposit kecil tetapi tidak menggunakan organosheet,” kenang Rademacher. Pembentuk memiliki pengalaman luas dengan cetakan injeksi dan pengembangan alat cetakan, tetapi juga tidak memiliki latar belakang organosheet. Tim ARRK yang mengerjakan simulasi organosheet adalah ahli dalam simulasi komposit, tetapi pekerjaan mereka sebelumnya adalah di bidang kedirgantaraan. “Kami berdiskusi dengan tim setiap minggu,” kata Rademacher. “Saya dari departemen powertrain, jadi lebih banyak di sisi logam, tetapi sebagai pemimpin proyek, saya harus menggabungkan dunia logam dan komposit ini. Kami para pria metal berpikir, 'Mengapa melakukannya dalam komposit?' sementara para pria komposit berpikir, 'ini mudah dilakukan dalam komposit.' Kami terlalu skeptis, dan mereka terlalu optimis, jadi bagus untuk bekerja sama. Kami belajar banyak dan telah mengembangkan proses desain yang sangat efisien.” Dia membandingkan proses ARRK dengan metode yang lebih umum untuk mengembangkan satu desain, menggunakan lebih sedikit simulasi dan kemudian mencoba mengoptimalkan melalui pembuatan prototipe berulang. “Kami melihat bahwa lebih efisien untuk memulai dengan beberapa desain dan memilih dari ini menggunakan simulasi, dan kemudian lebih mengoptimalkan desain sebelum membuat prototipe. Butuh waktu di awal untuk melakukan pemodelan ini, tetapi lebih sedikit waktu selama pembuatan prototipe, jadi lebih murah.” Rademacher menunjukkan bahwa karena waktu dan biaya untuk memproduksi perkakas baru, "Selalu lebih mahal untuk memproduksi sepuluh bagian prototipe vs. sepuluh model simulasi."

Tantangan dan langkah selanjutnya

Tim juga mengatasi tantangan manufaktur yang signifikan. “Kaset UD dalam kombinasi dengan laminasi organosheet sembilan lapis memiliki area yang tidak dikonsolidasikan,” catat Rademacher. “Ini sebagian karena udara di antara kaset dan organosheet dan juga mempengaruhi perlekatan mereka setelah pencetakan. Kontributor lainnya adalah distribusi suhu yang tidak homogen di seluruh organosheet. Itu terlihat bagus dalam pengukuran kami, tetapi sedikit lebih dingin di tepi luar, yang menyebabkan area kecil kegagalan matriks di struktur luar. Jadi, kami telah belajar banyak tentang pemodelan dan pencetakan sebenarnya dari bagian-bagian organosheet.”

Langkah selanjutnya dalam proyek ini adalah membuat prototipe paruh kedua rumah gearbox dan memvalidasi kekakuan perakitan lengkap. Tim juga sedang bekerja untuk menghilangkan langkah pemotongan waterjet sehingga tumpukan bentuk awal dapat segera overmolded setelah dicap. “Karena kami telah mengubah prosesnya, kami masih mengerjakan sampul kedua,” kata Rademacher. “Tantangan terbesar bagi kami sekarang adalah mencapai harga yang dapat diterima oleh klien. Kami melihat serat kaca dan matriks polifenilena amida (PPA), yang terakhir memungkinkan kinerja yang lebih tinggi pada suhu tinggi sekaligus mengurangi ketebalan organosheet. Kami tidak akan menggunakan kain tenun tapi mungkin pita bertumpuk untuk membantu memenuhi kekakuan yang dibutuhkan.”