Termoplastik hibrida memberikan kekuatan impak lantai beban

Program multi-tahun yang ambisius oleh Konsorsium Desain Ringan Multi-Material Terintegrasi Sistem Jerman untuk E-mobilitas (SMiLE) telah mengembangkan modul lantai beban otomotif demonstran yang merupakan bagian dari struktur body-in-white (BIW) hybrid yang lebih besar dan yang menunjukkan janji besar untuk penggunaan komposit dan logam non-ferrous dalam lingkungan produksi volume menengah. Lantai beban belakang kendaraan baterai-listrik (BEV) ini terdiri dari dua jenis komposit termoplastik, ditambah profil dan sisipan logam. Berfungsi sebagai lantai bagasi dan kompartemen penumpang belakang. Pada gilirannya, itu secara perekat dan mekanis bergabung ke lantai beban komposit hibrida/termoset kedua, yang merupakan cetakan transfer resin (RTM'd) dari epoksi yang diperkuat serat karbon dengan sisipan logam dan struktur sandwich lokal yang mengandung inti busa poliuretan. Struktur ini adalah lantai untuk bagian depan kendaraan dan menahan baterainya. Modul lantai beban lengkap diikat dan disekrup ke rocker aluminium/rel samping, yang dengan sendirinya dibaut ke palang pada aluminium monocoque kendaraan. Seluruh demonstran modul lantai beban dirancang untuk mengurangi massa dan memberikan penyerapan energi tabrakan yang signifikan untuk kendaraan produksi seri dengan volume produksi 300 mobil/hari.

Keputusan desain

Anggota konsorsium yang bekerja di lantai beban belakang termasuk pembuat mobil Audi AG (Ingolstadt, Jerman—juga pemimpin seluruh program SMiLE) dan pemilik Audi Volkswagen AG (Wolfsburg, Jerman); Institut Teknologi Sistem Kendaraan Institut Teknologi Karlsruhe (KIT-FAST, Karlsruhe, Jerman); Institut Teknologi Kimia Fraunhofer (F-ICT, Pfitztal, Jerman, pemimpin untuk proyek lantai beban depan dan belakang), dan Institut Fraunhofer untuk Mekanika Material (F-IWM, Freiburg, Jerman); pemasok komposit termoplastik BASF SE (Ludwigshafen, Jerman); mesin OEM Dieffenbacher GmbH Maschinen- und Anlagenbau (Eppingen, Jerman), dan pembuat perkakas/cetakan Frimo Group GmbH (Lotte, Jerman).

keputusan dibuat untuk memproduksi lantai beban belakang menggunakan komposit termoplastik dengan sisipan logam. Tim ingin menambahkan fitur bagasi dan struktur pemasangan sabuk pengaman baris kedua, tetapi mereka juga ingin menggunakan lantai beban untuk menyerap energi tabrakan yang signifikan. Biasanya, pembuat mobil mengandalkan terutama pada profil logam di sisi lantai beban logam untuk mengelola energi benturan belakang pada kendaraan penumpang. Namun, mengingat kekuatan impak komposit termoplastik, para peneliti bertanya-tanya apakah seluruh lebar dan panjang lantai beban komposit dapat digunakan untuk mengelola beban tabrakan. Mereka juga bertanya-tanya apakah energi tabrakan yang lebih tinggi dapat diserap.

Para peneliti meninjau komposit termoplastik otomotif umum. Matriks polipropilen (PP) dan poliamida 6 (PA6) dipertimbangkan tetapi PP dihilangkan karena alasan suhu karena lantai beban belakang bergerak dengan BIW melalui proses pencegahan karat pelapisan elektroforesis suhu tinggi (e-coat). Penguatan serat terus menerus diperlukan untuk mencapai kekakuan dan kekuatan tertinggi, jadi pekerjaan pra-percobaan difokuskan pada lembar organosheet yang diperkuat kain (suatu bentuk komposit termoplastik tikar kaca (GMT)) dan prapregtape termoplastik searah (UD). Untuk berbagai alasan, kaset dipilih untuk pembuatan prototipe lebih lanjut.

Para peneliti tahu geometri lantai beban belakang akan rumit. Penggunaan mesin peletakan pita otomatis (ATL) — yang menempatkan pita UD dalam orientasi apa pun dan membuat jendela/lubang dengan bahan yang lebih sedikit daripada lembar organo — akan mengurangi skrap, massa, dan biaya, serta memungkinkan penggunaan serat secara lokal dan global paling efisien di seluruh bagian. Selain itu, karena serat yang ditempatkan melalui ATL terletak rata dan sejajar di setiap lapisan tumpukan lapis dan tidak ditenun seperti kain, tidak ada undulasi yang mengakibatkan hilangnya kekakuan dan kekuatan.

Pita perekat UD memiliki keterbatasan, namun:Mereka relatif mahal dan memiliki daya gantung yang buruk dengan hampir tidak ada aliran, sehingga sulit untuk mengisi geometri yang kompleks. Masalah ini diatasi dengan selektif menggunakan komposit serat termoplastik (D-LFT) diskontinu/cacah, yang dapat mengalir, memungkinkan tingkat integrasi fungsional/konsolidasi bagian yang tinggi dan jauh lebih mudah untuk dibentuk menjadi rusuk yang kompleks tanpa menjembatani serat, namun dapat menyerap energi tabrakan yang signifikan. Dengan D-LFT, juga lebih mudah untuk memasukkan attachment logam, terutama jika insert telah dibor terlebih dahulu sehingga lubang memungkinkan komposit mengalir melalui dan di sekitar logam, menciptakan ikatan yang kuat melalui interlocking mekanis. Selanjutnya, D-LFT lebih murah daripada kaset atau organosheet dan jauh lebih mudah untuk dicetak di bagian yang tebal. Dipadukan di sisi tekan, D-LFT menyederhanakan manajemen inventaris material dan menawarkan fleksibilitas tinggi pada program pengembangan untuk mengubah fitur material dengan cepat — panjang dan jenis serat, fraksi volume serat (FVF) dan matriks — saat suku cadang dibuat dan dievaluasi. Selama produksi, pengaturan material/proses dapat dikontrol untuk mencapai tingkat pengulangan dan reproduktifitas (R&R) yang tinggi, itulah sebabnya otomotif telah menggunakan proses tersebut untuk produksi volume sedang hingga tinggi selama hampir dua dekade.

Karena para peneliti ingin menjaga lantai beban belakang tetap tipis dan ringan serta mampu menahan tekuk saat menyerap beban benturan tinggi, mereka melakukan simulasi dan pengembangan awal melalui pengujian bagian kecil dengan pita yang diperkuat kaca dan serat karbon serta D-LFT pada serat yang berbeda. -fraksi berat (FWF) untuk mengevaluasi kinerja mekanis vs. perilaku pengisian. Meskipun komposit karbon menghasilkan struktur yang lebih tipis, lebih ringan, dan lebih kaku daripada kaca, karena biaya juga menjadi perhatian dan lantai beban depan sudah menggunakan penguat serat karbon, peneliti memilih kaca untuk memperkuat lantai beban belakang selama peningkatan hingga bagian ukuran penuh. Ultramid B3K PA6 D-LFT dengan fiberglass 40-berat dan delapan lapis Ultratape B3WG12 PA6 dengan fiberglass 60-berat, keduanya dari BASF, digunakan.

Setelah banyak pekerjaan simulasi, 1,3 kali 1,3 m desain akhir lantai beban belakang terdiri dari cangkang tipis, struktur hampir berbentuk jaring yang dihasilkan dari pita UD yang dikonsolidasikan sebelumnya menjadi laminasi yang terjalin dengan zona penghancuran D-LFT yang lebih tebal (lihat Gambar 2). Gelombang besar, juga terbuat dari pita UD ,   dengan palung dalam (tinggi 50 mm kali lebar 115 mm) dicetak di sepanjang sumbu longitudinal bagian untuk kekakuan tinggi pada massa dan ketebalan rendah. Selain itu, dua jendela dibentuk selama tape layup untuk memungkinkan D-LFT menembus laminasi ke tempat yang dibutuhkan. Karena kerut dalam sulit dibentuk pada laminasi besar, maka perlu memodifikasi proses pencetakan dan alat untuk menghasilkan suku cadang yang baik (lihat “Bagaimana Penelitian pada Modul Lantai Otomotif Mendorong Pengembangan Subproses Cetakan D-LFT/Kompresi Baru”). Gelombang ini, dalam kombinasi dengan dua muatan D-LFT yang membentuk rusuk kompleks dalam struktur kisi berbentuk X, menghasilkan momen inersia yang tinggi untuk area tersebut, meningkatkan kekakuan bagian dalam desain yang tipis dan ringan sambil menghindari tekuk saat terjadi benturan. Kisi-kisi D-LFT di bagian belakang membentuk zona tumbukan untuk menyerap energi pada benturan belakang. Profil aluminium dicetak secara integral pada sisi aksial lantai beban dan diikat ke D-LFT dan laminasi melalui perawatan permukaan khusus serta lubang yang menyediakan interlocking. Profil ini dirancang dengan hati-hati untuk lebih meningkatkan kekakuan bagian, memberikan perilaku tekuk yang baik dan mentransfer gaya ke zona naksir D-LFT selama kecelakaan. Mereka juga menyediakan titik pemasangan untuk pemasangan langsung lantai beban belakang ke struktur logam di sekitarnya. Sisipan logam tambahan, juga dibentuk secara integral ke dalam struktur, menyediakan pemasangan langsung untuk kunci sabuk pengaman.

Penerapan berhasil

Pekerjaan simulasi serta pengujian bagian kecil dan besar memverifikasi bahwa seluruh lantai beban belakang hybrid dapat digunakan untuk mengelola beban tabrakan. Penilaian lebih lanjut mengungkapkan bahwa teknologi ini harus seaman struktur logam konvensional.

Satu tujuan proyek yang lebih besar — ​​mengurangi total massa BIW menjadi 200 kg — secara teoritis terpenuhi selama simulasi dan pengembangan bagian kecil. Namun, seiring perkembangan proyek, kinerja tabrakan yang lebih baik diinginkan, yang membutuhkan penambahan massa pada struktur komposit. Selain itu, pertimbangan biaya menyebabkan peralihan dari serat karbon ke penguat serat kaca untuk lantai beban belakang. Lantai beban belakang yang dihasilkan dengan sisipan memiliki berat 32,9 kg, sedangkan lantai beban depan (dengan sisipan tetapi tanpa baterai) berbobot 12,1 kg. Untuk suku cadang uji akhir, target massal hanya meleset 4,3% untuk mencapai keamanan yang lebih tinggi dan biaya yang lebih rendah. SMiLE BIW juga akan lebih mahal daripada sistem logam konvensional karena penggunaan penguatan serat karbon secara intensif di lantai beban depan.

Proyek lantai beban belakang mengarah pada pengembangan F-ICT dari subproses D-LFT/kompresi yang disebut LFT khusus lanjutan lokal , yang secara selektif menerapkan material D-LFT ke sebagian besar struktur pita UD untuk menghasilkan geometri kompleks lokal (seperti rusuk) yang tidak dapat dibuat dengan pita. Teknologi F-ICT lain yang dikembangkan sebelum SMiLE tetapi digunakan pada proyek ini adalah metode untuk memanaskan dan mengkonsolidasikan kaset termoplastik dengan cepat melalui konsolidasi vakum yang diinduksi radiasi, sebuah teknologi yang sekarang tersedia secara komersial dari Dieffenbacher pada mesin yang disebut Fibercon.

Hebatnya, proses eksperimen dan alat yang sangat kompleks yang diproduksi oleh Frimo bekerja sejak awal dan lebih dari 100 bagian demonstran diproduksi untuk pengujian dan demonstrasi selanjutnya. Meski tim merancang proses pencetakan dilakukan dalam satu langkah, Dr.-Ing. Sebastian Baumgärtner, pemimpin tim F-ICT untuk pemrosesan termoplastik dan pemimpin proyek lantai beban belakang, percaya bahwa dalam lingkungan produksi akan lebih efisien untuk membentuk bagian kompleks ini dalam dua langkah, dengan prapembentukan laminasi dilakukan di alat terpisah. “Kami memilih untuk mencoba proses satu langkah yang lebih sulit terlebih dahulu dan itu berhasil dengan baik,” jelas Baumgärtner. “Namun, alat itu sangat kompleks dan kontrol prosesnya tidak begitu mudah. Jika laminasi menjadi terlalu panas, ia memiliki interaksi yang sangat kuat dengan untaian LFT. Untuk memastikan pengulangan yang baik selama produksi, akan lebih baik untuk menyederhanakan berbagai hal dan memilih proses dua langkah, yang akan lebih kuat.” Namun, mengingat ukuran besar bagian komposit ini dan proses rumit yang digunakan untuk membentuknya, tim sangat senang dengan hasil akhirnya. “Kami menunjukkan bahwa kami dapat menghasilkan bagian yang inovatif dan ekonomis dengan bobot dan kinerja yang dioptimalkan serta menampilkan integrasi fungsional tinggi menggunakan teknologi komersial,” tambahnya.

Lantai muat lengkap memenangkan Penghargaan Inovasi CCE-JEC 2018 di Cina dan pemerintah Jerman mengakui program SMiLE yang lebih besar sebagai proyek Mercusuar, yang berarti teknologi ini akan penting untuk digunakan dalam desain mobilitas masa depan. Tim sedang mendiskusikan langkah selanjutnya.