Penguat Komposit dalam Struktur Tubuh Kendaraan
Meskipun komposit telah membuat beberapa inroad dalam struktur body-in-white (BIW) otomotif, penggunaan bahan di area kendaraan ini telah lama didominasi oleh baja dan, lebih baru lagi, aluminium. Karena ini, pembuat kendaraan sangat bergantung pada pengelasan dan penangkal mekanis seperti bout dan skru untuk menyatukan struktur logam. Meskipun umumnya kuat, sambungan pengelasan dan penangkal dapat gagal. Mereka juga tidak banyak untuk meningkatkan kekakuan (tanpa meningkatkan massa secara berlebihan) atau untuk mengurangi kebisingan/getaran/kekasaran (NVH) atau energi tabrak yang melewati kendaraan. Salah satu cara untuk mengatasi tantangan ini adalah untuk memperkuat sambungan dan rongga BIW dengan komposit yang dikombinasikan dengan lem struktural.
Contoh solusi seperti itu adalah kelas bahan/teknologi yang disebut solusi tubuh komposit (CBS). Ini mencakup sisipan struktural 3D untuk memperkuat struktur kendaraan primer yang menggabungkan elemen BIW atau substruktur kendaraan lain, pembawa termoplastik (dengan reinforced serat kontinu atau tidak kontinu) dan lem struktural berbusa yang diaktifkan panas. Elemen CBS dipasang di bagian body shop awal dalam pembangunan kendaraan, sebelum aplikasi lapisan penangkal karat elektroforetik (E-coat).
Komponen CBS biasanya diproduksi dalam proses cetak injeksi 2K/overmolding di mana pembawa — yang menggabungkan tabung pengelasan atau snap-fit untuk sementara menyatukan CBS dengan komponen BIW logam — secara selektif di-overmolded dengan lem berbusa yang dapat diperluas dan mungkin sealant tambahan (dalam proses 3K) untuk fungsionalitas tambahan. Lem yang belum dikeringkan dan kering saat disentuh (berdasarkan kimia epoxy kustom) dapat dicetak ke bentuk kompleks, namun memungkinkan cakupan E-coat pada elemen logam dengan mempertahankan celah antara permukaan komposit dan logam sebelum ekspansi yang diinduksi panas selama pengeringan oven pasca-E-coat. Saat busa melebar, celah dicatat antara pembawa dan komponen sekitar, mengunci mereka bersama dalam "makro-struktur" berbentuk kotak yang meningkatkan properti mekanik, terutama di bawah beban tinggi dan dinamis.
Saat diintegrasikan awal dalam desain kendaraan, modul CBS adalah opsi hemat massa dan biaya untuk meningkatkan kekakuan lokal dan global BIW serta meningkatkan keselamatan dan kenyamanan penumpang pada massa lebih rendah. Mereka juga memungkinkan biaya netral atau lebih rendah dibandingkan solusi logam semu yang lebih berat. Awalnya hanya digunakan di otomotif, portofolio bahan pembawa dan lem yang berkembang telah meluaskan penggunaan CBS, sorotan dari yang diikuti.
Direkayasa untuk tantangan kinerja
Teknologi CBS dikembangkan dan dikomersialkan oleh L&L Products Inc. (Romeo, Mich., AS). Dengan sejarah panjang sebagai suplai otomotif sealant, tindakan akustik dan penguat untuk meningkatkan kinerja BIW, L&L mengembangkan teknologi untuk membantu pelanggan meningkatkan keselamatan penumpang dan memenuhi persyaratan tabrak otomotif yang lebih ketat dengan biaya dan massa yang lebih rendah sambil meningkatkan pemrosesan dan penginstalan selama pembangunan kendaraan.
Antara 1995 dan 2004, CORE Products, joint venture antara L&L dan Gurit Essex (Wattwil, Swiss), bertanggung jawab untuk pengembangan aplikasi awal dan manufaktur CBS. L&L akhirnya memperoleh semua aset CORE, yang sekarang beroperasi sebagai L&L Products Europe.
L&L bekerja sama erat dengan suplai bahan selama pengembangan awal dan perluasan teknologi CBS. Salah satu perusahaan tersebut, Lanxess AG (Cologne, Jerman), telah lama menyediakan bahan pembawa komposit dan dukungan karakterisasi serta simulasi bahan untuk L&L di Eropa.
CBS dalam aplikasi
Selain manfaat yang sudah disebutkan, teknologi CBS menyediakan transisi jalur beban yang lebih baik, manajemen beban multiaxial dan penyerapan energi; stabilitas bagian yang lebih besar (resistensi terhadap runtuh atau intrusi); NVH yang lebih rendah; dan dinamika mengemudi serta kinerja tabrak yang ditingkatkan pada beban yang lebih tinggi. Selain itu, menawarkan waktu implementasi yang lebih cepat selama desain/pengubahan desain kendaraan dan tidak memerlukan perubahan urutan penginstalan di body shop. Karena teknologi CBS membuat lebih mudah untuk mengontrol transfer energi melalui struktur tubuh sambil meminimalkan deformasi dan/atau intrusi, sangat cocok untuk aplikasi yang dirancang untuk menahan tabrak depan, sisi atau belakang atau runtuh atap untuk melindungi penumpang lebih baik, kompartemen penumpang dan baterai. Juga berguna untuk struktur yang harus lulus protokol yang menantang seperti tes tabrak overlap kecil Insurance Institute for Highway Safety (IIHS, Arlington, Va., AS).
Yang membuat CBS layak perhatian adalah bahwa ini adalah salah satu pendekatan modular, bahan campuran pertama, mudah dipasang, menawarkan stabilitas termal dan kimia untuk E-coat dan tidak mengubah urutan penginstalan kendaraan, tetapi meningkatkan kinerja pada massa lebih rendah dan biaya netral/lebih rendah — gral suci industri otomotif.
"Serbaguna desain teknologi CBS membantu menyederhanakan penginstalan di area dengan kondisi kompleks atau sulit diakses," Núria Ignés, manajer engineering produk struktural, L&L Products Reinforce di L&L Products EMEA (Altorf, Prancis) menjelaskan. "Misalnya, menggunakan teknologi CBS pada pintu dan penutupan lainnya tidak hanya mengurangi bobot dan meningkatkan kekakuan, tetapi dapat menyederhanakan pembuatan pintu jika diintegrasikan awal dalam proses desain. Berkat alat CAE dan dekade pengalaman, ditambah kombinasi pembawa dan busa, yang memberikan pemasangan yang kuat ke BIW setelah dikeringkan, kami dapat menggunakan jumlah bahan yang tepat di tempat yang tepat untuk menyeimbangkan kekakuan dengan massa dan biaya atau penyerapan energi dengan akustik dan biaya."
"Aspek yang benar-benar menarik dari teknologi CBS adalah sifatnya 'bio-mimetik,' Peter Cate, manajer pemasaran strategis global L&L menambahkan. "Sama seperti strut penguat selular di tengah tulang adalah metode paling hemat massa alam untuk menambahkan kekakuan dan mengelola beban dalam struktur berongga, setelah lem melebar, unit CBS memperkuat rongga tubuh kendaraan dengan cara yang sama, membantu engineer mengoptimalkan kekakuan struktural pada massa terendah."
"Dengan meningkatkan kekakuan lokal dan keseluruhan serta mendistribusikan beban secara lebih efektif di seluruh struktur, penguat CBS adalah solusi yang disesuaikan untuk mengatasi masalah kekakuan lokal dan kelelahan logam tanpa menambahkan massa," Pal Swaminathan, manajer pengembangan bisnis, Tepex Automotive, Lanxess Corp. (Pittsburgh, Pa., AS) melanjutkan. "Peningkatan NVH juga umum saat teknologi CBS diintegrasikan ke dalam struktur tubuh. Lagi pula, analisis engineering yang hati-hati memungkinkan pengembangan dan solusi optimisasi lokasi untuk menyeimbangkan karakteristik pengendalian dan penanganan."
Aplikasi awal
Aplikasi otomotif awal teknologi CBS pada sedan Citroëen C4 Picasso tahun 2006 milik PSA Group saat itu melibatkan sembilan unit untuk memperkuat tiang A dan B serta cross-member belakang. Elemen penguat memotong 12 kilogram dari bobot kendaraan sambil meningkatkan keselamatan penumpang. Bahan hitam adalah komposit Lanxess, merah adalah lem berbusa L&L dan perak adalah bagian dari struktur tubuh logam tempat elemen CBS dipasang.
Aplikasi komersial otomotif pertama L&L dari CBS pada 1998; pada 2002 teknologi mulai mendapatkan penerimaan pasar. Contoh awal yang baik diterapkan pada sedan Citroëen C4 Picasso tahun 2006 dari PSA Group (Paris, Prancis – sekarang Stellantis N.V., Amsterdam, Belanda). Sembilan komponen CBS — pada bagian bawah tiang A, bagian bawah dan atas tiang B, dan pada cross-member di atas sumur belakang — mengurangi massa kendaraan 12 kilogram dibandingkan opsi logam. Beberapa sisipan CBS secara selektif meningkatkan kapasitas beban dan meminimalkan intrusi ke kompartemen penumpang saat tabrak, meningkatkan keselamatan penumpang. Lainnya meningkatkan kinerja NVH BIW. Semua pembawa dicetak injeksi dari 35 wt-% serat kaca pendek/poliamida 6 (PA6). Unit CBS serupa digunakan pada van Ford Transit tahun 2012 dari Ford Motor Co. (Dearborn, Mich., AS).
Opsi pembawa dan busa baru
Selama bertahun-tahun, L&L dan suplai perluas teknologi CBS dengan formulasi busa baru, rentang lebih luas resin pembawa dan reinforced serta dengan menerapkan konsep ke struktur yang berbeda.
Misalnya, sebagian besar pembawa CBS untuk aplikasi tabrak direkayasa menggunakan PA6 yang stabil panas, reinforced serat kaca 30 wt-% karena diperlukan keseimbangan antara kekakuan dan duktilitas dalam bentuk 3D kompleks. Dua pembawa seperti itu digunakan pada anggota longitudinal depan untuk platform EV besar di mana, reportedly, mereka tidak hanya menyederhanakan penginstalan (mengurangi jumlah bagian) tetapi juga mengurangi intrusi tabrak ke firewall sebesar 20%.
Untuk persyaratan tabrak yang lebih tinggi, pembawa hybrid sekarang tersedia, seperti yang memperkuat tiang A pada mobil sport Porsche 911 Carrera Cabriolet tahun 2019 yang sebagian besar tubuhnya aluminium dari Porsche AG (Stuttgart, Jerman). Sebagai konvertible, mengakak frame tanpa atap sangat penting untuk melindungi penumpang dalam kasus guling. Untuk menjaga kendaraan ringan dan cepat, Porsche mengganti bar roll tubular logam berat dengan sisipan CBS di tiang A. Kulit tiang diproduksi dalam baja kekuatan tinggi, yang distabilkan dan diakakkan oleh sisipan CBS di dalam setiap tiang. Tubuh utama pembawa organosheet yang dicetak kompresi (47 vol-% kain woven serat kaca/PA6), yang dipanaskan terlebih dahulu, dibentuk terlebih dahulu, kemudian di-overmold injeksi dengan tulang (30 wt-% serat kaca pendek/PA6/6). Sisi organosheet membawa lem yang melebar L-5235 milik L&L. Teknologi hybrid ini tidak hanya memenuhi semua target kinerja dan bobot (yang opsi tubular logam reportedly tidak melakukannya), tetapi juga mengurangi massa kendaraan 5,4 kilogram, memudahkan penginstalan dan mengurangi gravitasi pusat kendaraan, yang meningkatkan dinamika mengemudi.
Untuk aplikasi di mana proses oven tidak tersedia untuk mengaktifkan lem yang melebar, atau di mana dukungan tambahan diperlukan di paint shop, L&L mengatakan sedang bekerja pada solusi pengeringan suhu ruang lainnya.
Beberapa teknologi terkait yang berdasarkan CBS juga telah dikembangkan. Segera akan memiliki aplikasi komersial pertama, sistem komposit berkelanjutan (CCS) milik L&L menggabungkan pembawa pultruded yang diperkuat serat kaca atau karbon — misalnya, polyurethane (PUR) dengan atau tanpa kain serta rovings — dengan sealant atau lem struktural yang dirumuskan kustom. Elemen CCS, yang juga dapat menyisipkan bagian CBS dan komponen logam, meningkatkan kekakuan dan kekuatan struktur dengan lintang konstan pada massa lebih rendah (biasanya 75% lebih sedikit dari baja dan 30% lebih sedikit dari aluminium). Mereka tahan karat, non konduktif/isolator listrik, menawarkan koefisien ekspansi termal linier (CLTE) rendah dan memberikan manajemen energi yang sangat dapat diprediksi, menjadikannya ideal untuk memperkuat anggota struktural pada kendaraan unibody atau bagian frame untuk kendaraan body-on-frame, plus frame baterai untuk EV.
Penguat panel komposit terdiri dari lem struktural yang melebar dan menempel sendiri yang di-ekstrusi bersamaan dengan reinforced fiberglass yang diterapkan pada permukaan panel logam yang dibentuk di body shop. Sistem ini tidak hanya meningkatkan kekakuan (mengurangi gelombang dan runtuh) panel besar/cukupan tidak didukung, tetapi juga meningkatkan NVH karena momen inersia yang meningkat. Selain itu, menawarkan kesempatan untuk menipiskan panel untuk massa dan biaya yang lebih rendah. Aplikasi komersial termasuk panel pintu, atap dan lantai otomotif, hood, fender, liftgate dan tailgate; aplikasi potensial termasuk casing baterai.
Penguat panel sarang lebah menampilkan epoxy ringan — dalam bentuk pasta untuk aplikasi manual atau cairan viskos rendah untuk pompa otomatis — yang, setelah dikeringkan, dapat diolah atau dijadatkan. Ini dirancang untuk menstabilkan core sarang lebah, terutama di lokasi strategis di interior pesawat, misalnya, tanpa menambahkan masa berlebih. Penggunaan lain termasuk peningkatan border (menutup/memperkuat tepi panel komposit), bonding sisip dan penguatan lokal di mana pivot/sisip logam dipasang di panel komposit.
Apa yang akan datang
Sejak paten pertamanya pada 1999, L&L telah mendaftarkan banyak penemuan untuk teknologi CBS. Dengan rentang opsi pembawa dan lem yang luas yang sekarang tersedia dalam keluarga produk ini, tidak heran aplikasi telah meluaskan di luar otomotif ke truk dan penerbangan. Apa selanjutnya?
"Selama bertahun-tahun, produk CBS telah berkembang untuk melayani persyaratan aplikasi baru yang menggabungkan fungsi," Ignés menambahkan. "Misalnya, apa yang dimulai sebagai hanya penguat struktural telah berkembang untuk tidak hanya mengakak tetapi juga untuk meningkatkan fungsi akustik atau untuk meningkatkan penyerapan energi. Dengan rangkaian properti yang sangat diinginkan yang ditawarkan teknologi CBS, kami mengharapkan tidak hanya akan melihat penggunaan otomotif tumbuh, tetapi pertumbuhan di industri lain juga."
