Komposit Karbon Serat/Epoxi Berkinerja Tinggi untuk Pengurangan dan Produksi Massal Massa Otomotif

Proyek IACMI 3.2 mengevaluasi komposit terkuat serat karbon yang diinfuse dengan sistem resin epoksi baru untuk mengembangkan bagian komposit struktural dengan geometri kompleks untuk mengganti logam dalam aplikasi struktural yang kritis keselamatan pada struktur badan primer kendaraan penumpang volume tinggi. Salah satu aplikasi pertama yang dievaluasi adalah penggunaan prepreg serat karbon/epoksi pada pilar B dari kendaraan uji. Bahan prepreg berkinerja tinggi secara langsung mengurangi massa sebesar 3 kilogram dan memungkinkan penipisan logam lembar di sekitarnya, yang kemudian dapat ditentukan dalam alloy yang lebih murah, menawarkan penghematan berat dan biaya tambahan. Sumber | Ford Motor Co.

Produsen mobil di sebagian besar geografis menghadapi mandat 2025 yang menantang pada penurunan emisi ekor dan/atau peningkatan efisiensi bahan bakar untuk kendaraan penumpang. Namun, pengembangan teknologi otomotif yang secara mendasar untuk memenuhi persyaratan ini mahal, jadi konsorsium untuk memungkinkan anggota rantai pasok berbagi biaya untuk penelitian pralomba digunakan di banyak negara.

Di AS, salah satu organisasi tersebut adalah Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI—The Composites Institute, Knoxville, Tennessee, AS). Di antara inisiatif organisasi, anggota IACMI dari industri, akademisi dan pemerintah bekerja pada proyek multi-pronged — yang melibatkan pengembangan bahan/proses terintegrasi, pemodelan/simulasi, gabungan multi-bahan, dan daur ulang — untuk memecahkan masalah teknik, meningkatkan massa kendaraan, mengurangi konsumsi energi dan emisi, dan menciptakan pekerjaan baru di AS.

Proyek 3.2 dan sistem resin yang mustahil

Proyek 3.2 adalah salah satu proyek pertama yang diambil IACMI saat berdiri pada Juni 2015, meskipun teknologi yang digunakan dalam proyek sebenarnya telah mulai dikembangkan beberapa tahun sebelum berdirinya IACMI, dengan kolaborasi antara Ford Motor Co. (Dearborn, Michigan, AS) dan yang dikatakan Dow Automotive (sekarang The Dow Chemical Co., Midland, Michigan, AS). Ketika IACMI berdiri dan Proyek 3.2 dimulai, Ford dan Dow membawa pekerjaan sebelumnya mereka pada sistem resin epoksi baru ke dalam program. Setelah bergabung dengan IACMI, program memperluas hingga akhirnya mencakup beberapa fase yang mewakili penggunaan baru untuk resin inovatif ini: prepreg pilar B, decklid seluruh SMC dan liftgate SMC/aluminium.

Disebut VORAFUSE, keluarga resin yang dikembangkan oleh Dow untuk Ford dirancang untuk digunakan dalam prepreg dan SMC, dan untuk diproses pada alat molding kompresi, yang banyak tersedia di industri otomotif Amerika Utara. Menurut persyaratan Ford, suhu transisi kaca (T_g) resin adalah 150-160°C, ia di-mold pada 145-155°C, dan ia curing dalam kurang dari 2 menit pada 150°C (meskipun curing sub-1 menit tersedia), membuatnya cukup cepat untuk produksi kendaraan volume tinggi (lebih dari 100.000/tahun). Ia mencapai post-mold cure lebih dari 95%. Sistem ini bebas pelarut dan senyawa organik volatil (VOC).

"CTQs [persyaratan kritis untuk kualitas] yang ditentukan oleh Ford adalah unik dan belum pernah dicapai dalam satu produk komersial sebelumnya," menjelaskan Dave Bank, fellow, Dow Polyurethanes R&D. "Karena alasan ini, kimia baru dan sejumlah produk yang sangat non-tradisional diperlukan untuk memenuhi spesifikasi yang menuntut ini."

"Pemisahan termodinamika stabilitas simpan dan polimerisasi dalam campuran resin/kuratif menghasilkan pasta kering yang dapat diinfuse ke dalam serat karbon tanpa memperkuat curing dan menghasilkan compound molding kering, tidak lengket," tambah Bank. "Namun, ketika kondisi molding mencapai 150°C, kimia menjadi 'panas' dan curing maju dengan cepat. Dow telah mengajukan 21 permohonan paten dan sejauh ini telah diberikan empat untuk teknologi ini."

Fitur tambahan sistem VORAFUSE:

• Ia stabil simpan pada suhu ruang untuk 50-plus hari tetapi menawarkan snap-cue pada atau di atas 150°C. Ia tidak memerlukan penyimpanan freezer sebelum pemotongan kuit dan molding selama suhu penyimpanan tidak melebihi 40°C.
• Kimia bebas lengketnya ideal untuk penanganan otomatis. Karena ia tidak memiliki kekenyalan prepreg tradisional, ia tidak akan menyebabkan pembuahan dan masalah terkait dengan robot dan peralatan penanganan otomatis lainnya.
• Ia mengandung agen IMR (internal mold release) baru sehingga pemroses dapat mencetak 1.000 bagian sebelum harus menerapkan mold release eksternal pada permukaan cetakan. Epoxi biasanya berlawanan dengan IMR karena sangat efektif sebagai perekat untuk logam.
• Produk yang belum curing dapat didaur ulang menjadi bagian bernilai tinggi dengan cara memotong dan memberi makan bahan kembali ke sistem molding sebagai compound terkuat serat tidak kontinu yang ideal untuk mencetak geometri kompleks seperti rib/boss. Tidak seperti prepreg dan SMC epoksi konvensional, semua limbah belum curing dapat digunakan kembali, membuat bahan lebih berkelanjutan dan menghemat kerugian limbah yang meningkatkan biaya bagian.

Fase 1: Prepreg pilar B

Setelah VORAFUSE dibawa ke Proyek 3.2, IACMI memulai pekerjaan pada aplikasi otomotif yang akan menjadi Fase 1 dari proyek secara keseluruhan. Anggota tim termasuk Ford, Dow, DowAksa US LLC (cabang Tucson, Az., AS dari DowAksa B.V., joint venture 50/50 antara Dow Chemical dan Aksa Akrilik Kimya Sanayii A.Ş., Çiftlikköy-Yalova, Turki); Michigan State University (East Lansing, Michigan, AS); Purdue University (West Lafayette, Indiana, AS); University of Tennessee-Knoxville (Knoxville, Tennessee, AS); Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Michigan, AS); dan Oak Ridge National Laboratory (Oak Ridge, Tennessee, AS).

Dalam fase pertama, peneliti mengembangkan prepreg serat karbon kontinu (dikerjain dan non-crimp fabric) yang diimpregnasi dengan epoksi. Resin VORAFUSE P6300 dirumuskan untuk kompatibilitas dengan serat karbon modulus standar DowAksa A42 D012 24K. Tujuan tim adalah untuk menggunakan prepreg serat karbon/epoksi untuk mengembangkan bagian komposit struktural dengan geometri kompleks untuk mengganti logam yang dicetak dalam aplikasi struktural yang beban tinggi dan kritis keselamatan pada struktur badan primer kendaraan volume tinggi.

Untuk demonstrator teknologi, pilar B di satu sisi kendaraan uji Ford Fusion digunakan. Kelayakan pertama kali dievaluasi melalui simulasi dan kemudian bagian fisik dicetak dan ditaklukkan pada semua tes yang diperlukan — termasuk tabrakan kendaraan skala penuh. Bagian lulus dengan sangat baik, mengurangi massa 3 kilogram per sisi dibanding logam yang ada. Limbah belum curing didaur ulang untuk membentuk struktur rib kompleks pilar. Komposit berkinerja tinggi memungkinkan penipisan logam lembar di sekitarnya, yang kemudian dapat ditentukan dalam alloy yang lebih murah, menawarkan penghematan berat dan biaya tambahan.

Setelah lulus semua persyaratan Ford, penggunaan komersial pertama dari bahan ini adalah untuk front roof header dan front floor closeout panel pada supercar GT intensif komposit karbon Ford.

Tidak mengherankan, prepreg serat karbon/epoksi ini memiliki premi biaya, jadi paling baik untuk kendaraan dengan mandat pengurangan massa yang signifikan yang dapat membayar premi untuk peluang penghematan berat yang signifikan.

Fase 2/Workstream 1: All-SMC decklid

Berdasarkan keberhasilan prepreg, peneliti proyek selanjutnya menjelajahi SMC terkuat serat karbon tidak kontinu dengan resin epoksi baru dalam struktur 3D kompleks dengan fungsi kritis keselamatan. Dalam satu demonstrator, SMC serat karbon/epoksi digunakan sebagai panel inner/struktural dari decklid (koper) yang diikat, dan dalam demonstrator lain digunakan untuk panel inner/struktural dari liftgate yang jauh lebih besar dan kompleks (pintu belakang yang berisi kaca jendela, motor wiper, lampu, dll.). Dalam kedua workstream, kendala desain asli, hardware, teknik gabungan dan perekat struktural tidak diubah. Target mekanis yang menantang lebih dari 300 MPa kekuatan tarik dan lebih dari 40 GPa kekakuan tarik — yang setara dengan magnesium dan aluminium yang dicetak yang ada — digunakan. SMC juga membutuhkan aliran yang lebih tinggi daripada prepreg, jadi grade yang sedikit berbeda, VORAFUSE M6400, dikembangkan.

Untuk demonstrator decklid, yang mewakili kemajuan bertahap dari teknologi kaca/SMC saat ini, SMC serat karbon/epoksi mengganti SMC polyester terkuat serat kaca konvensional untuk decklid inner pada kendaraan prototipe Lincoln MKS. Panel inner SMC serat karbon/epoksi diikatkan ke panel outer SMC polyester/kaca kaca rendah densitas (LD, 1,25 SG), yang mengganti SMC polyester/kaca kaca densitas standar (1,9 SG) yang ada. Bahan outer panel lama dan baru adalah Class A kompatibel. Cetakan asli digunakan kembali untuk mencetak panel inner SMC serat karbon/epoksi dan panel outer polyester/kaca kaca. Shrink — meskipun sedikit berbeda antara kedua sistem resin — cukup dekat untuk tidak menyebabkan masalah fitting dan finishing (dengan kata lain, tidak ada perubahan dimensi signifikan yang diamati).

Prototyping virtual menempatkan rangkaian yang diikat pada sejumlah kasus beban yang menantang, termasuk kekakuan torsi, kekakuan sudut depan, defleksi waterfall dan beban kuncinya. Puluhan panel inner dan outer selanjutnya dicetak, diikat dan diuji — termasuk tabrakan belakang 89 kilometer per jam yang menantang. Rangkaian lulus pengujian virtual dan fisik tanpa masalah.

Massa decklid dikurangi 30% (dari 10,5 hingga 7,33 kilogram) dibandingkan benchmark. Namun, jika anggaran memungkinkan panel inner untuk diubah cetakan — yang dapat dirancang lebih tipis karena performa mekanis yang lebih tinggi dibandingkan yang ada — maka peneliti menghitung massa dapat dikurangi setidaknya 35% dengan dinding 2 milimeter, dan lebih jauh dengan dinding 1,5 milimeter.

SMC serat karbon/epoksi lulus semua persyaratan Ford dan sekarang dapat digunakan pada platform komersial, meskipun biaya akan lebih tinggi dibanding SMC polyester/kaca kaca konvensional.

Fase 2/Workstream 2: Liftgate SMC/aluminium

Untuk proyek terakhir, peneliti beralih ke skenario yang benar-benar menantang: mengganti logam ringan dengan SMC serat karbon/epoksi untuk menghasilkan rangkaian hibrid (logam/komposit) yang diikat untuk liftgate yang lebih besar dan lebih kompleks pada kendaraan uji Ford Mondeo lima-pintu/hatchback. Untuk meminimalkan perubahan pada urutan pembangunan kendaraan, peneliti merancang rangkaian untuk ditambahkan ke body-in-white (BIW) sebelum perlakuan katod elektroforetik (e-coat) dan siklus paint-bake yang terkait.

SMC serat karbon/epoksi mengganti magnesium untuk panel struktural/inner yang diikatkan ke panel outer aluminium yang ada. Karena cetakan baru harus dibuat untuk menghasilkan panel komposit, bagian dirancang ulang. Ketebalan panel bervariasi sesuai dengan persyaratan kekakuan/kekuatan dan untuk menambahkan rusuk. Juga, penguatan logam digunakan di area pasang beban tinggi untuk gas strut, kunci, sengat dan kunci, semuanya yang membuat panel komposit sedikit lebih tebal — sesuatu yang diizinkan oleh ruang paket.

Tampilan exploded dari liftgate SMC/aluminium (dengan hardware logam) untuk versi lima-pintu/hatchback Ford Mondeo. Sumber | Ford Motor Co.

Rangkaian multi-bahan ini ditaklukkan pada persyaratan yang menantang, termasuk beban torsi dan lentur, stabilitas lateral, resistensi korosi, daya tahan jangka panjang dan tes tabrakan belakang. Mereka juga harus memenuhi persyaratan stabilitas dimensi yang ketat terhadap margin dan flushness.

Sementara sistem hibrid dengan mudah lulus sebagian besar persyaratan, ada masalah fitting dan finishing akibat ketidakcocokan koefisien ekspansi termal linier (CLTE) antara panel inner komposit dan panel outer aluminium, yang mengarah pada pembentukan residual-stress pada joint yang diikat dan distort panel setelah pendingin. Pekerjaan berikutnya dengan tim simulasi Purdue University difokuskan pada meningkatkan prediksi modulus, kekuatan dan kinetika curing untuk perekat epoksi 1K (yang dipilih karena kemampuannya bertahan pada suhu e-coat) dengan harapan reverse-engineering perekat yang akan bekerja lebih baik. Keruncingan dikurangi satu orde, tetapi sedikit melewati target. Beberapa solusi mungkin: perekat 2K/room-temperature-cure atau induction-cure dapat dicoba atau perekat suhu tinggi baru dapat dikembangkan. Jangka panjang, mengganti aluminium dengan komposit serat karbon pada panel outer akan menghilangkan masalahnya, seperti juga memproduksi liftgate secara offline dan menambahkannya nanti dalam urutan pembangunan kendaraan. Namun, kedua opsi menambahkan biaya.

Proyek 3.2 sekarang sedang berakhir tetapi telah menghasilkan teknologi yang menarik, sebagian di mana — prepreg pilar B dan decklid SMC — siap komersial, dan sebagian menunjuk pada area di mana pekerjaan lebih lanjut diperlukan.

"Bekerja dengan IACMI dan mitra industri dan akademis kami memungkinkan kami untuk menyelami lebih dalam teknologi dari prinsip pertama, untuk mengembangkan ilmu dasar dan memanfaatkan basis pengetahuan yang jauh lebih luas daripada yang bisa kami lakukan sendiri," meringkas Patrick Blanchard, pemimpin Proyek 3.2, technical leader-advanced polymer systems, Ford research & innovation. "Kami menantikan untuk mengidentifikasi peluang komersial baru dan aktivitas R&D untuk terus bekerja sama dengan mitra IACMI kami."