Merevolusi Pedal Rem: Kompos Termoplastik Menggantikan Logam untuk Keselamatan dan Performa Tak Tertandingi

Industri otomotif mengonversi pedal gas dari logam ke termoplastik serat kaca pendek yang diinjection molded pada tahun 1990-an. Namun, pedal rem — sebagai komponen vital dengan persyaratan kekakuan, kekuatan dan beban torsi yang menantang — membutuhkan waktu yang jauh lebih lama untuk dikonversi. Suplai otomotif Tier 1 Boge Rubber & Plastics Group (Damme, Jerman) mengatakan menjadi suplai pertama yang memenuhi target performa dan biaya OEM yang menuntut untuk pedal rem dalam kompos termoplastik. Desain unik, tiga material yang berbeda dan proses produksi khusus memungkinkan perusahaan untuk memproduksi pedal yang lebih kuat, lebih kaku, lebih ringan dan lebih murah.

Menemukan niche yang berharga

Boge adalah pengembang dan produsen produk untuk demping getaran dan pemasangan powertrain/chassis serta modul plastik ringan dan kotak pedal (termasuk kombinasi pedal rem, kopling dan gas) untuk industri otomotif. Ini telah memproduksi komponen otomotif dalam organosheet serat kontinyu dengan compound overmolding serat kaca pendek sejak 2008. Ini menambahkan pita termoplastik unidirectional (UD) ke dalam campuran pada tahun 2018. Melalui inovasi proses berkelanjutan, waktu siklus dan biaya dikurangi dan bisnis meningkat.

"Pada tahun 2015, bos saya datang ke saya dan berkata, 'Perubahan yang Anda buat bagus, Daniel, tetapi akan bagus jika Anda dapat menemukan pasar yang lebih besar dengan volume produksi yang benar-benar berharga,'" ingat Dr.-Ing. Daniel Häffelin, senior manager/kepala tim ringan di Boge Global Innovation Center. Tim insinyur Boge menerima tantangan dan berstorm pikir bagaimana meningkatkan efisiensi serat untuk mengurangi biaya dan mendapatkan lebih banyak bisnis.

"Organosheet adalah produk yang bagus, tetapi Anda harus menggunakannya dengan cara yang benar, hanya di tempat yang diperlukan," Häffelin menjelaskan. "Kami sudah membuat proses produksi kami sangat lean, jadi kami tidak akan mendapatkan banyak dengan mencoba untuk menurunkan waktu siklus lebih lanjut. Kami beralasan bahwa cara terbaik untuk mengurangi biaya adalah dengan mengurangi jumlah serat tak berujung yang kami gunakan dengan menggunakan serat tersebut secara lebih efisien."

Cukup membuat pedal lebih kecil atau lebih tipis juga tidak akan bekerja karena ada keterbatasan praktis pada ukuran dan bentuk pedal rem, tidak juga menyebutkan spesifikasi performa yang menantang karena sifat vitalnya. Yang paling masuk akal adalah menemukan cara untuk lebih baik mengontrol orientasi serat untuk mengoptimalkan properti lokal di area bagian yang melihat beban puncak tertinggi, memberikan peluang untuk mengurangi ketebalan dinding di area yang lebih tidak penting.

"Kami mencari cara untuk secara lokal 'mengarah' serat sehingga kami dapat menempatkannya tepat di tempat yang diperlukan untuk mempertahankan kekakuan dan kekuatan," tambah Dr. Torsten Bremer, Boge Rubber & Plastics Group chief executive officer. "Kami tahu, secara prinsip, ini memungkinkan karena kami telah mempertimbangkan mesin pick-and-place yang digunakan dalam barang olahraga dan medis, tetapi terlalu mahal. Itulah saat kami memutuskan kami membutuhkan proses baru."

"Kami sudah bekerja sama dengan OEM Jerman untuk menemukan cara untuk membuat pedal rem all-composite yang memenuhi persyaratan performa dan biaya mereka," ingat Burkhard Tiemann, Boge Plastics & Rubber Group executive vice president, product line leader – Plastics. "Kami berkata kepada pelanggan kami, 'Kami akan mengembangkan proses baru menggunakan pita UD dan organosheet.' Mereka berkata kepada kami, 'Jika Anda dapat mengurangi massa dan biaya lebih lanjut, kami akan melakukannya.' Itu adalah titik awal kami. Kami membuat janji besar pada tahun 2015 bahwa kami dapat menyampaikan pedal rem all-composite yang lebih murah, lebih ringan dan dapat diproduksi dalam jumlah besar. Membutuhkan waktu tiga tahun untuk menyelesaikan detail dan menyampaikan produk pertama kami."

Pengarah serat

Pedal rem kompos harus memenuhi spesifikasi performa yang sama dengan pedal baja atau aluminium yang ada. Ini mencakup persyaratan mode kegagalan khusus dengan beban hingga 3.000 newton dan defleksi seperti beban pada beban maksimum. Dengan persyaratan ini dan ruang kemasan yang terbatas, struktur cangkang utama pedal, yang memuat beban maksimum, memerlukan penguatan serat kontinyu. Maka, tim memutuskan untuk menggunakan organosheet untuk membentuk tulang pangsit pedal. Pita UD kemudian akan digunakan untuk meningkatkan kekakuan/kekuatan secara lokal dan memperkuat dinding interior selama beban puncak di area bagian yang kemudian akan dibentuk menjadi saluran U selama preforming. Dan di area di mana geometri fungsional seperti rib diperlukan, compound overmolding serat kaca chop ditentukan. Tim merasa pendekatan hibrid ini akan meningkatkan efisiensi serat sambil mengurangi penggunaan material, ketebalan dinding rata-rata dan waktu siklus.

Tim mulai pekerjaan simulasi intensif untuk mengoptimalkan lokasi serat selama produksi. Fondasi untuk pekerjaan Boge didasari oleh program penelitian Jerman yang didanai publik tahun 2011-2014 bernama SoWeMa (Software, Tools, and Machine Development for a Fully Automatic and Closed Lightweight Manufacturing Chain).

"Penelitian SoWeMa mencakup banyak pertanyaan yang kami ajukan satu tahun kemudian untuk usaha kami sendiri," menjelaskan Häffelin. "Karena desain adalah bagian dari know-how inti Boge, kami memulai dengan dasar-dasar program SoWeMa dan membangun kemampuan simulasi FE (finite-element) kami sendiri untuk struktur layup anisotropis."

Satu area fokus adalah optimasi topologi gabungan untuk penataan pita dan struktur rib. "Kami menciptakan siklus iterasi untuk mengoptimalkan penempatan pita dan menyesuaikan struktur rib sesuai, karena keduanya saling terkait melalui kekakuan dan kekuatan bagian," lanjut K. Siebe, FEA-engineer, CRRC Innovation Center. "Karena kombinasi material pita UD, organosheet dan material serat pendek adalah unik dan aplikasinya terikat pada jendela kelembaban dan suhu tertentu, kami membangun kartu material sendiri untuk lebih akurat mengkarakterisasi bagaimana material ini akan berperilaku selama pengujian fisik."

Boge menentukan struktur lapisan dan arsitektur serat untuk setiap material berdasarkan hasil simulasi dan desain pedal yang diberikan. Lanxess Deutschland GmbH (Cologne, Jerman) menyuplai organosheet dengan volume fraksi serat (FVF) 45-50%. Pita termoplastik UD dengan FVF 55-60% disuplai oleh Celanese Corp. (Irving, Texas, AS). Compound injeksi serat kaca pendek untuk aplikasi ini, pada 40-60 persen fraksi bobot serat (FWF), disuplai oleh beberapa sumber. Semua material hitam dan memiliki matriks poliamida 6 atau 6/6 (PA6, PA6/6). Untuk memenuhi spesifikasi pelanggan, PA6 adalah resin default untuk ketiga tipe kompos. Namun, tergantung pada tingkat kelembaban dan suhu selama manufaktur, serta keterbatasan ruang dan geometri pedal, Boge juga dapat menggunakan PA6/6 untuk resin overmolding, karena kedua polimer cukup mirip untuk melekat dengan baik.

Produksi tiga langkah

Selaras dengan desain, tim bekerja pada proses produksi tiga langkah. Pada langkah pertama, lembar serat yang disesuaikan dibuat dengan menggunakan lembar organosheet yang sudah dipotong dan dikonsolidasikan sebelumnya sebagai basis stabil di mana strip pita UD yang diselaraskan dengan jalur beban ditack secara strategis untuk memperkuat struktur cangkang bagian. Pada langkah kedua, lembar dipindahkan dan secara berurutan dipanaskan, dikonsolidasikan dan dibentuk/direform. Pada langkah ketiga, overmolded dengan compound serat kaca pendek untuk membuat struktur rib.

Untuk mencapai waktu siklus cepat, penanganan robotik adalah hal yang wajar untuk sistem ini. Fitur proses kunci yang ingin dimasukkan tim adalah fleksibilitas untuk menempatkan pita dengan panjang apa pun, dalam orientasi apa pun, dan di posisi apa pun di satu sisi cangkang organosheet dan laser tack pita tersebut ke cangkang sehingga tidak bergeser dalam langkah selanjutnya.

Keputusan lain yang dibuat tim adalah tidak untuk dikonsolidasikan lembar yang disesuaikan segera setelah layup, tetapi tepat sebelum draping/preforming dan overmolding. Tim beralasan material akan harus dipanaskan ulang selama draping/preforming bagaimanapun dan untuk hemat biaya, mereka harus menjaga waktu siklus total dekat 1 menit. Maka, Boge memanaskan dan mengonsolidasikan lembar tepat sebelum draping/preforming menggunakan peningkatan suhu cepat digabungkan dengan tekanan tinggi untuk menciptakan ikatan mekanis yang kuat antara pita dan organosheet. Pemanasan berhenti dan suhu bagian mulai turun saat lembar yang masih panas dan dikonsolidasikan pindah ke ruang draping sebelum dipindahkan lagi dan overmolded dengan rib dan fitur fungsional lainnya dalam ruang kedua. Ikat mekanis yang kuat, dengan penetrasi rantai polimer yang terverifikasi, dicapai antara ketiga material. Tidak perlu finishing pasca cetakan.

Untuk memenuhi persyaratan kualitas untuk bagian vital keselamatan ini, tim juga mengembangkan sistem yang cepat, akurat dan mematuhi Industry 4.0 yang menggunakan sensor visi, gaya, waktu, tekanan dan suhu yang memeriksa material di setiap langkah dalam proses manufaktur. Sistem kemudian menyimpan data tersebut dan menghubungkannya kembali ke nomor identifikasi unik setiap pedal. Ini menjamin pelacakan 100 persen semua material, pergantian dan pengaturan proses yang terlibat.

Pencapaian hingga saat ini

Proses khusus, sepenuhnya terotomatisasi dan terkontrol kualitas Boge membuat langkah dari prototipe ke produksi serial volume tinggi pada tahun 2018. Memproduksi pedal baru setiap menit, sel manufaktur saat ini dapat memproduksi hingga 1 juta bagian per tahun. Pedal all-composite menggunakan organosheet 33 persen lebih sedikit dari desain sebelumnya dan ketebalan dinding nominal turun dari 3 hingga 2 milimeter. Pedal juga 50-55 persen lebih ringan, namun memenuhi atau melebihi persyaratan kekuatan bagi baja. Pedal yang lebih ringan meningkatkan haptik berkendara  untuk konsumen dan seluruh sistem dapat didaur ulang 100 persen pada akhir masa pakai. Dengan proses saat ini, pedal kompos pada paritas biaya dengan aluminium dan sedikit lebih mahal dari baja. Aplikasi otomotif dan barang olahraga lainnya sedang dalam pengembangan.

Apa yang akan terjadi di masa depan saat pabrikan mobil memindahkan sumber daya ke elektrifikasi armada? "Saat drive-by-wire [sistem aktuator elektro-mekanik] dan elektrifikasi powertrain menjadi lebih umum, pedal gas mungkin akan hilang, tetapi pedal rem akan tetap," Häffelin merenung. "Namun, kami kemungkinan besar akan melihat integrasi elektronik yang lebih besar, termasuk sensor, dalam pedal rem. Itu akan meningkatkan kompleksitas bagian secara substansial, membuat kompos bahkan lebih kompetitif dibandingkan logam."

Penggunaan material, langkah proses dan kriteria peralatan dijelaskan lebih detail dalam artikel lanjutan CW Januari 2021, "Bespoke process produces composite brake pedal every minute."