Merevolusi Desain Pintu Kelang: Uji Filament Winding yang Dimodifikasi
Pintu kelang otomotif, atau pintu hatch belakang, perlahan beralih dari logam ke kompos selama beberapa dekade. Sambil belum sampai tahun 2013 pintu kelang kompos/plastik pertama tanpa struktur dukungan logam yang komersial, sebagian besar pintu kelang saat ini masih memiliki komponen dukungan ini di mana kulit luar dan panel dalam dipasang, khususnya pada SUV dan CUV yang lebih besar dan lebih berat dengan pintu belakang yang lebih besar.
Namun, yang mungkin merupakan evolusi berikutnya dalam pintu kelang kompos debuted pada tahun 2019 pada mobil sport Toyota Supra dari Toyota Motor Corp. (Kota Toyota, Jepang). Rangka kompos filament winding menggantikan rangka logam dan dikatakan menawarkan kekakuan dan kekuatan yang lebih tinggi dengan berat lebih rendah dibandingkan struktur logam tradisional, dengan fleksibilitas desain yang lebih besar, terutama dalam ruang kemasan yang sempit. Dilaporkan proses filament winding telah dimodifikasi sejauh ini sehingga, seiring pertumbuhan minat dan proliferasi aplikasi, dapat memenuhi target kecepatan dan biaya produksi kendaraan volume yang lebih tinggi. Inilah cara desain dan teknologi ini hadir.
Manufaktur Trilateral
Magna International Inc. (Aurora, Ontario, Kanada) adalah integrator Tier 1 di Amerika Utara, tetapi di Eropa, subsidinya Magna Steyr AG & Co. KG (Graz, Austria) juga merancang dan merakit mobil lengkap untuk OEM yang membutuhkan kapasitas manufaktur tambahan.
Baru-baru ini, Magna terlibat dalam program menarik yang melibatkan pabrikan mobil Toyota dan BMW AG (Munich, Jerman), yang telah bekerja sama dalam proyek desain dan manufaktur sejak 2013. Untuk upaya terbarunya, Toyota ingin memulihkan nama Supra dan telah bermitra dengan BMW untuk menyediakan desain dan tuning untuk kendaraan serta mobil saudaranya, BMW 2-seater Z4. Kedua kendaraan berbagi sistem mesin, suspensi dan pengemudi. Magna Steyr akan merakit kedua mobil di Graz, serta menyediakan Supra dengan kursi, panel badan, kunci pintu dan pintu kelang. Sementara ada banyak inovasi pada kedua mobil, pintu kelang yang diterapkan dalam Supra adalah tempat inovasi desain kompos yang paling terlihat.
Manchester Bohemia
Tahun sebelum terlibatnya Magna dengan model tahun 2020 Supra, operasi di Liberec, Republik Czech, telah mengeksplorasi teknologi rangka ruang kompos untuk sejumlah aplikasi potensial. Sebagaimana keberuntungan, wilayah ini memiliki tradisi kaya sebagai pusat tekstil terkemuka dan dulu dikenal sebagai "Manchester Bohemia." Tim Liberec mencari arsitektur teknologi yang mendukung beban tinggi, mengurangi massa keseluruhan, mempertahankan toleransi dimensi yang ketat dan dapat diproduksi dalam proses dengan repeatabilitas dan reproduktabilitas (R&R) yang tinggi untuk memenuhi kebutuhan performa dan manufaktur pabrikan mobil Eropa.
"Kami menyimpulkan kami membutuhkan produk termooset dengan stabilitas termal dan dimensi yang tinggi," ingat Riad Chaaya, Magna global product line director - composite liftgates. "Kami juga tahu kami membutuhkan bentuk tertutup dengan kemampuan untuk memproduksi penampang silang dengan bentuk dan ketebalan variabel — yang diperlukan untuk mengoptimalkan performa mekanis, ruang kemasan, massa dan biaya — yang dapat diproduksi dalam proses yang mampu membuat 150.000 bagian tahunan. Kami melihat banyak teknologi, termasuk blow molding, braiding dan filament winding, tetapi tidak ada yang benar-benar memenuhi kebutuhan kami. Setelah banyak percobaan, kami memilih filament winding sebagai yang paling cocok untuk apa yang kami inginkan, karena ia memberikan kontrol arah dan jumlah serat untuk mengekstrak modulus tertinggi pada berat terendah."
Meskipun banyak manfaat, ada kekhawatiran bahwa filament winding mungkin terlalu lambat untuk produksi otomotif konvensional. Selain itu, tim membutuhkan metode untuk memulai dan mengakhiri proses gulir guna menciptakan rangka bentuk tertutup. Beruntungnya, meski tim tidak memiliki sejarah dengan filament winding, warisan tekstil Liberec berarti komunitas lokal penuh dengan ahli rovings dan guliran filamen.
"Untungnya bagi kami, para ahli ini memiliki semangat untuk membangkitkan kembali pengetahuan tradisional mereka untuk membantu kami menerapkannya dengan cara baru untuk memenuhi kebutuhan otomotif volume tinggi," menambahkan Dr.-Ing. Josef Půta, Magna Exteriors technology leader - Republik Czech.
"Karena filament winding tradisional terlalu lambat untuk kebutuhan kami, kami dan mitra kami melihat banyak cara untuk membuatnya berjalan lebih cepat," ingat Lukáš Strouhal, head of industrialization, Magna Liberec. "Kami mempertimbangkan cara untuk mempercepat setiap langkah dalam proses serta melakukan hal-hal yang sangat berbeda. Meskipun kami tidak dapat mengatakan terlalu banyak tentang bagaimana kami melakukannya, kami dapat mengatakan bahwa kami mencapai peningkatan kecepatan yang besar, sehingga proses modifikasi kami dapat menjadi 'layak otomotif'."
Magna dan mitra kami menjelajahi banyak sistem resin, termasuk epoksi, polyuretan (PUR) dan campuran PUR/vinyl ester, serta berbagai penguat, dari serat kaca hingga karbon hingga serat basalt. Sistem akhir menampilkan PUR dan serat kaca, yang menawarkan keseimbangan terbaik antara efisiensi serat, performa, biaya dan kecepatan produksi.
Rangka ruang filament winding generik Magna diproduksi dalam tiga langkah, masing-masing dioptimalkan dengan hati-hati untuk kecepatan. Pertama, inti selular PUR yang rigid diproduksi melalui reaction injection molding (RIM); kedua, inti itu, yang berfungsi sebagai mandrel, digulir dengan serat kaca; dan ketiga, struktur yang digulir kemudian diinfusi dengan PUR dan dikonsolidasikan dalam proses resin transfer molding tekanan tinggi (HP-RTM). Perhatian diberikan untuk memastikan inti tidak runtuh selama infusi/konsolidasi. Půta menjelaskan bahwa banyak pekerjaan dilakukan untuk menentukan jenis rovings, sizings dan resin yang digunakan — memerlukan kerja sama erat dengan suplai pada modifikasi material — serta menentukan jumlah guliran dan orientasi filamen di setiap lapisan. Tidak mengherankan, perusahaan telah menerima banyak paten yang mencakup segalanya dari desain dan produksi inti, hingga mesin filament winding, plus rahasia dagang tambahan yang mereka rahasiakan.
"Kami telah membuat banyak inovasi di setiap langkah proses dan produk," menjelaskan Strouhal. "Anda dapat merobek salah satu rangka kami, melihat bentuk dan geometri yang digunakan, dan Anda masih akan bertanya mengapa dan bagaimana kami melakukannya."
Meskipun tim Magna Liberec tidak mengembangkan teknologi rangka ruangnya untuk aplikasi tertentu, mereka akan segera mendapatkan kesempatan menarik untuk menggunakannya.
Pintu Kelang yang Menantang
Magna memiliki sejarah panjang dalam produksi pintu kelang kendaraan penumpang. Perusahaan dikatakan membangun pintu kelang olefin pertama di Amerika Utara dan Eropa untuk mobil listrik kota BMW i3 tahun 2013, dan merancang serta membangun pintu kelang olefin generasi berikutnya untuk SUV Jeep Cherokee FCA NA LLC (Auburn Hills, Michigan, AS) tahun 2019. Karena produksi pintu kelang adalah deliverable untuk program Supra, Magna tidak hanya memanfaatkan pekerjaan yang dilakukan di Liberec, tetapi juga sejarah panjangnya dalam mengonversi struktur pintu kelang logam ke kompos dan plastik.
"Pintu kelang Supra menawarkan sejumlah tantangan langsung," ingat Chaaya. "Pertama, ruang kemasan sangat terbatas, berarti toleransi sangat ketat dan nilai ekspansi termal linier harus dikelola dengan hati-hati untuk menjaga pintu kelang terbuka dan tertutup dengan bebas. Kedua, bentuk pintu ini bahkan lebih menantang. Toyota tidak hanya ingin pintu kelang lebih ringan, tetapi mereka memiliki persyaratan styling yang sangat spesifik untuk bagaimana bagian belakang kendaraan bergantung. Ketiga, dengan volume pembangunan yang diproyeksikan kendaraan, tooling untuk mencapai bentuk itu dalam logam akan sangat mahal. Faktanya, kami menyimpulkan rangka pintu kelang tidak dapat diproduksi dalam satu potong logam dan tetap memenuhi persyaratan desain dan performa Toyota. Itu berarti rangka ruang harus dibuat dari kompos, dan lebih spesifik lagi, kompos termooset."
Kulit luar akan menjadi panel TPO reinforced talc yang diinjection molded dan dicat untuk menangani bentuk yang agresif, sementara panel dalam akan menjadi long-glass polypropylene (PP); keduanya akan dihubungkan ke rangka dengan adhesive struktural 2K PUR. Chaaya menambahkan bahwa banyak pekerjaan dilakukan untuk mengoptimalkan rangka ruang dan menyelesaikan pintu kelang untuk memenuhi persyaratan beban torsi. Tantangan awal adalah menemukan cara untuk mensimulasikan properti material dengan akurat untuk mencapai korelasi yang akurat antara hasil prediksi dan terukur.
"Itu adalah pertarungan keras untuk mendapatkan korelasi yang baik dengan model material kami, karena kami harus mensimulasikan setiap lapisan guliran dan memasukkan bentuk, radius dan persyaratan guliran itu sendiri," katanya. "Meskipun kami mulai dengan selisih 20 persen, setelah banyak tuning dan menentukan cara terbaik untuk meningkatkan kekakuan kami, prediksi akhir kami sangat dekat. Pada rangka sebesar ini, kami juga berhasil mempertahankan toleransi dimensi hingga 1 milimeter."
Banyak Manfaat
Rangka berbentuk donut akhir memiliki diameter dan ketebalan dinding yang bervariasi di seluruhnya, tetapi memiliki diameter nominal 50-60 milimeter. Selain braket kecil di sudut, dan attachment keras seperti kunci dan selang, serta foil untuk grounding antena integral, seluruh rangka — yang berukuran 104 x 111 sentimeter — sepenuhnya kompos. Bahkan braket "telinga", yang digunakan untuk menghubungkan panel trim dalam ke separuh bawah pintu kelang adalah kompos dan diproduksi melalui HP-RTM. Meskipun rangka kompos 10 persen lebih ringan dari rangka logam yang sebanding, efek mass-decompounding berarti pintu kelang lengkap sekitar 20-25 persen lebih ringan dari pintu kelang logam. Pintu kelang yang lebih ringan membutuhkan upaya lebih sedikit untuk konsumen untuk membuka/tutup, lebih mudah dipasang oleh pekerja selama perakitan kendaraan, menghemat bahan bakar selama masa pakai kendaraan dan memberikan apa yang disebut Strouhal sebagai "suara padat yang luar biasa" saat pintu kelang ditutup. Sistem kompos juga menghilangkan langkah seperti menjepit tepi dan spotting/lashing titik/sambungan yang diperlukan dengan pintu kelang logam.
Chaaya menyindir bahwa perusahaan lainnya memiliki proyek otomotif filament winding besar lainnya yang sedang berjalan. Dia juga mengatakan Magna melihat penggunaan lain untuk teknologi di luar pintu kelang. "Pintu, decklid, hood, FEMs (front-end modules) dan bahkan kendaraan otonom — seperti bus yang terdiri dari rangka yang dibungkus kaca — dapat menggunakan rangka ruang seperti itu," katanya. "Dan itu bahkan tidak perlu disembunyikan. Jika kami menggunakan weave karbon, itu akan menjadi tanda prestasi untuk membiarkan permukaan yang indah itu terbuka dan tidak menyembunyikan rangka di dalam."
