ESE E2: Roda Karbon Serat Satu Pieces Revolusioner Siap untuk Performa

One-piece, one-cure. ESE Carbon Co. (ESE, Miami, Fla., AS) berdiri pada 2011 dengan tujuan membuat roda serat karbon tersedia untuk segmen yang lebih luas dari penduduk pengemudi. Perusahaan telah menambahkan tim pemesinan presisi CNC lima sumbu, kemampuan bagian komposit struktural canggih, mesin penempatan serat disesuaikan dan robotika untuk mengotomatisasi produksi. Perusahaan bertujuan untuk meluncurkan garis E2-nya, roda komposit otomotif serat karbon satu piece, satu cure, dalam tahun mendatang. Berat hanya 17 pon, roda ESE dirancang untuk rating aksel 3.850 pon, membuatnya mampu mendukung kendaraan hingga rating bobot kendaraan bruto 6.800 pon. Menurut CEO ESE Carlos Hermida, roda aluminium tradisional yang mampu menangani bobot yang sama akan berat lebih dari 30 pon.

 

Deep bowl. Desain lima bicara E2 didasarkan pada estetika olahraga universal dengan look deep bowl yang cekung. Hermida mengatakan perusahaan terinspirasi dari desain roda aluminium Porsche, yang kemudian dioptimalkan untuk serat karbon. Roda menggunakan sistem epoksi suhu tinggi dengan kejelasan yang baik dan menawarkan solusi finishing custom termasuk clear gloss, clear matte dan warna custom.

Roda serat karbon ESE telah 80% jalan ke sertifikasi di bawah Recommended Practice yang ada Society of Automotive Engineers (SAE, Warrendale, Pa., AS), yang berlaku untuk semua roda yang saat ini diproduksi, termasuk roda logam. Lebih dari itu, Hermida mengatakan perusahaan kemungkinan akan memiliki roda satu piece pertama di pasar yang disertifikasi di bawah recommended practice roda komposit baru, SAE J3204, yang baru disetujui untuk publikasi oleh SAE. Seperti recommended practice roda logam, rekomendasi baru ini untuk roda komposit mengatasi daya tahan melalui berbagai uji fatigue dan dampak. Ini juga menambahkan persyaratan baru untuk mengakibatkan efek lingkungan yang unik untuk komposit. Dr. Michael Hayes, vice president pengembangan produk ESE, telah secara aktif terlibat dalam task force untuk recommended practice baru ini, berbagi data dan menyediakan prototipe untuk pengujian perkembangan oleh komite SAE. Secara internal, tim insinyur ESE bekerja untuk memastikan bahwa performa E2 melebihi rekomendasi minimum SAE. Tahun pengujian prototipe dan simulasi berbasis fisika telah mengarah pada desain E2 saat ini.

“Telah ada tahun kerja oleh task force SAE untuk menciptakan practice roda komposit,” kata Hermida. “Banyak data pengujian dan pengetahuan kami telah dibagikan dengan SAE untuk membantu membawa practice ke garis finish, dan sementara practice SAE baru akan lebih ketat daripada practice roda saat ini, kami menyambutnya demi keselamatan konsumen.”

Tailored fiber placement. Roda serat karbon ESE dibuat menggunakan teknologi penempatan serat disesuaikan (TFP) ZSK Stickmaschinen GmbH. Sumber | ESE Carbon Co.

Beralih ke penempatan serat disesuaikan

Roda ESE dibuat menggunakan teknologi penempatan serat disesuaikan (TFP), yang menurut perusahaan memungkinkan manufaktur volume tinggi dan cepat dari komponen serat karbon dengan properti mekanik yang baik. TFP bekerja dengan menyelaraskan gulungan serat, menempatkannya di tempat yang dibutuhkan untuk performa struktural, dan menjahitnya ke posisi pada lapisan dasar yang kompatibel. Prosedur ini digunakan sebagai ganti pendekatan konvensional memotong kain woven ke bentuk yang diperlukan. ESE menggunakan tow serat karbon kelas industri dari Hyosung Advanced Materials (Seoul, Korea Selatan) dan teknologi TFP dari ZSK Stickmaschinen GmbH (ZSK, Krefeld, Jerman) untuk menjahit plies, menciptakan preform bentuk hampir net.

“Dengan mengontrol jalur bahan tow saat menjahit ke geometri yang diinginkan, bahan hanya ditempatkan di tempat yang diperlukan dalam preform akhir,” menjelaskan manajer aplikasi bordir teknis ZSK Topher Anderson Ph.D. “Area kain yang harus dipotong dalam desain laminat tradisional cukup ditinggalkan tanpa jahit. Proses ini mengurangi limbah awal yang dihasilkan saat memotong kain woven ke bentuk, dan juga mengurangi limbah pasca-pemrosesan karena kemampuan untuk sesuai dengan geometri kompleks.”

Saat awalnya bekerja dengan kain serat karbon tradisional sebelum beralih ke TFP, ESE mengklaim teknologi telah memungkinkan perusahaan untuk mengurangi plies hingga 50%, sehingga menciptakan proses layup yang disederhanakan dan meminimalkan limbah. Menurut Hermida, limbah serat karbon dikurangi dari sekitar 40% dengan kain serat karbon tradisional menjadi kurang dari 10% dengan mengadopsi TFP. Selain itu, teknologi telah mengarah pada kualitas layup yang ditingkatkan, orientasi serat yang dioptimalkan dan fleksibilitas desain yang ditingkatkan.

Aerospace grade tow. ESE menggunakan tow serat karbon dari Hyosung Advanced Materials untuk E2. Sumber | ESE Carbon Co.

“Ada banyak kelengkungan di bicara kami, yang menyulitkan plies. Dengan kain tradisional, orientasi plies serat karbon Anda terbatas,” menjelaskan Hermida. “Dengan TFP, ada kemampuan hampir tidak terbatas untuk menciptakan pola lurus atau lengkung di arah mana pun, yang memungkinkan Anda merancang plies yang dioptimalkan untuk mengelola beban dan stres lebih efektif daripada yang mungkin dengan kain tradisional.”

Salah satu penghematan biaya yang paling signifikan untuk roda ESE datang dari perbaikan layup ini. Hermida mengatakan bahwa sebelum beralih ke TFP, layup adalah botol leher manufaktur untuk perusahaan. Dia klaim pengurangan plies meningkatkan efisiensi dan mengurangi waktu layup hampir 50%. Lebih banyak bagian per cetakan dapat dibuat setiap hari, yang diterjemahkan ke dampak positif pada investasi keseluruhan waktu, tenaga kerja dan peralatan per roda.

Secara keseluruhan, ESE mengatakan TFP telah menyederhanakan prosesnya dan berkontribusi pada skalabilitas yang ditingkatkan. Hermida mengatakan ada juga keuntungan biaya tambahan dari konsolidasi rantai pasokan dengan membeli tow alih-alih kain.

Pelajari lebih lanjut tentang penempatan serat disesuaikan (TFP):

• Tailored Fiber Placement: Besting metal in volume production
• Variable-axial composites open path to lighter composite structures
• Preforming goes industrial: Part 2

Roda komposit serat karbon satu cure, semua diinfusi

Braking heat. ESE Carbon mengatakan Araldite Huntsman telah meningkatkan tingkat produksi dan meningkatkan kekuatan rim, bahkan pada suhu yang lebih tinggi yang dialami roda selama rem. Foto CW | Scott Francis

Selain investasinya dalam teknologi TFP, ESE beralih dari pemrosesan autoclave untuk roda-nya sambil mendorong tingkat produksi yang ditingkatkan. E2 diproduksi melalui proses kompresi transfer resin (RTM) proprietary menggunakan press kustom yang dirancang oleh tim insinyur ESE. Hermida mengatakan mencapai roda semua diinfusi, satu cure adalah tantangan. Komponen kunci dari ini adalah memilih sistem resin yang tepat.

“Kami membutuhkan sistem viskositas rendah, T_g [suhu transisi kaca] tinggi, kejelasan tinggi, pengeringan cepat dengan properti yang kuat,” kata Hermida.

Perusahaan memilih Araldite dari Huntsman Advanced Materials (The Woodlands, Texas, AS) untuk sistem resin epoksi-nya. Menurut Huntsman, sistem ini menawarkan viskositas rendah untuk kecepatan injeksi yang lebih cepat, basahi serat dan kemudahan pemrosesan, serta fleksibilitas untuk menyesuaikan kondisi cetakan dan waktu siklus yang berbeda. Dengan Araldite, ESE mengatakan mampu meningkatkan tingkat produksi dan meningkatkan kekuatan rim, bahkan pada suhu yang lebih tinggi yang dialami roda selama rem.

Araldite menggabungkan elongasi yang ditingkatkan dan keawetan retak yang lebih tinggi dibandingkan dengan resin epoksi konvensional dengan T_g tinggi hingga 200°C.

“Karena panas rem yang dihasilkan, ini adalah komponen yang krusial,” kata Hermida.

Untuk mengurangi waktu dalam cetakan, sistem menawarkan pengeringan pada suhu menengah dalam cetakan, diikuti oleh post-cure opsi pada suhu yang lebih tinggi di luar cetakan. Hasilnya adalah rim komposit ringan dengan resistensi fatigue yang baik, yang merupakan kunci daya tahan pada roda yang terpapar siklus/stress berulang selama operasi kendaraan.

Perwakilan teknis Huntsman bekerja dengan tim insinyur ESE untuk menentukan sistem resin epoksi mana yang akan cocok dengan kebutuhan produksi mereka, serta rasio komponen yang ideal untuk mencapai work life yang cukup lama untuk injeksi beberapa cetakan roda sebelum epoksi mulai gel. Selain itu, perusahaan menyediakan analisis pemodelan pengeringan prediktif yang dihasilkan komputer dan pengujian laboratorium untuk mendukung upaya pengembangan ESE.

 

Roda komposit terus berputar

Automation. ESE bekerja untuk mengajukan otomatisasi tugas seperti trimming, pick and place automation dan preforming. Sumber | ESE Carbon Co.

ESE akan memulai uji jalan pada Q1 2020. Pengiriman roda aftermarket diharapkan nanti pada tahun 2020 dan ESE mengatakan telah memulai diskusi dengan OEM. Dengan E2 siap untuk debutnya di pasar, pertanyaan kembali pada biaya. Sebagian besar roda serat karbon di pasar saat ini sekitar harga beberapa mobil terjangkau.

“Manufaktur roda serat karbon unik dalam banyak cara; sementara teknologi otomatisasi saat ini memberikan manfaat bagi kami, masih diperlukan banyak kustomisasi dan pengembangan otomatisasi untuk mencapai titik harga roda yang kami inginkan,” kata Hermida.

Dengan penambahan TFP, ESE sedang membuat kemajuan dalam otomatisasi prosesnya. Hermida mengatakan perusahaan juga telah mampu mengotomatisasi pemrosesan pasca roda, dan perusahaan saat ini bekerja untuk mengajukan otomatisasi tugas seperti trimming, robotic pick and place layup dan preforming.

“Intinya adalah ESE membuat roda serat karbon terjangkau,” kata vice president pengembangan bisnis ESE Daniel Canavan. “Kami bekerja dengan tekun untuk mencapai titik di mana teknologi serat karbon dapat diterapkan pada masyarakat yang lebih luas.”

E2 ESE bertujuan menjadi lebih dari sekadar roda kompetitif di pasar. Tujuan awal adalah menawarkan set empat roda dengan harga kurang dari $9.900. Sementara ini masih terdengar mahal, ini tentu merupakan langkah ke arah yang benar, dan Hermida mengatakan proyek otomatisasi perusahaan akan membantu memotong biaya untuk mencapai di luar pasar mewah/performa.

“Ambisi kami jauh melebihi itu,” kata Hermida. “Ini hanyalah titik awal. Tujuan kami adalah menetapkan harga yang dalam jangkauan roda aluminium forgir.” Roda aluminium forgir yang setara berkisar antara $5.000-$7.000.

“Kami melihat gambaran yang lebih besar untuk melakukan ini dalam produksi massal,” kata Canavan. “Kami memikirkan kendaraan listrik dan pasar lain di mana kami dapat berbagi efisiensi dan [pengguna] dapat mengalami manfaat bobot non-terpendukung — performa, kecepatan dan keselamatan. Ada begitu banyak keuntungan dari teknologi ini di mana kami benar-benar dapat membuat perbedaan.”