Desain Rangka Meningkatkan Struktur Komposit Mobil yang Hemat Biaya

Saat produsen berusaha mengurangi biaya komponen komposit, desainer berupaya menggunakan material penyusun seefisien mungkin sambil mengaktifkan produksi otomatis dan integrasi banyak fungsi. Untuk aplikasi otomotif, tantangan ini diperparah oleh kebutuhan waktu siklus yang sempendek 1-2 menit.

Overmolding — injeksi molding fitur komposit termoplastik di atas preform serat berkelanjutan — telah dilakukan sebagai solusi yang mungkin selama bertahun-tahun. Misalnya, proyek CAMISMA menunjukkan pengenkapan sayap mobil komposit pada 2014. “Tetapi pendekatan ini telah dibawa ke level berikutnya, kini mencapai produksi komposit BIW [body-in-white] termoplastik yang sepenuhnya otomatis,” jelas Dr. Christoph Ebel, kepala Lightweight & Application Center (LAC, Meitingen, Jerman) SGL Carbon.

Kemajuan ini berkat pendekatan desain “rangka” yang telah dikembangkan selama beberapa tahun. Seperti pertama kali demonstrasi dalam proyek MAI Skelett pada 2015, proses ini melibatkan penggunaan pultrusi serat karbon unidirectional (UD) termoplastik yang termoforming dan overmolding dalam proses dua tahap, 75 detik untuk menghasilkan anggota struktur atap yang melebihi semua persyaratan versi sebelumnya. Ini juga mengintegrasikan klip untuk pemasangan dan mengubah perilaku kegagalan dari rapuh menjadi kegagalan duktil untuk kekuatan sisa BIW yang ditingkatkan.

Demonstrator MAI Skelett

Proyek MAI Skelett berlangsung 17 bulan didukung oleh Kementerian Pendidikan dan Riset Jerman (BMBF) dan diselesaikan oleh MAI Carbon, divisi regional jaringan Carbon Composites e.V. (Augsburg). Dipimpin oleh BMW (Munich, Jerman), fokus proyek adalah mewujudkan demonstrator spesifik: rangka kaca depan, yang terletak antara dua tiang A di atas kaca depan. Desainnya didasari struktur BMW i3 saat ini, termasuk semua persyaratan fungsional dan ruang. Rangka kaca depan tidak hanya berfungsi sebagai anggota struktur lintas untuk atap, tetapi juga menyediakan fungsi lain: kekakuan, yang juga mengurangi kebisingan, getaran, dan kekasaran (NVH); kekuatan (uji tekanan atap) untuk membantu memenuhi persyaratan tabrakan; pemasangan untuk komponen interior (misalnya, visor, interior trim, kabel penguncian untuk penerangan, dll.), serta dukungan untuk koneksi dengan kaca depan, atap bumbung, dan panel atap eksterior.

Rangka kaca depan desain rangka terdiri atas empat batang pultrusi terkuat serat UD di sudut bagian, dikapsulasi dalam rangka overmolding untuk memberikan kekakuan torsi dan lampiran fungsional berbentuk kompleks. Profil pultrusi semuanya tidak pada satu bidang, melainkan diatur pada ketinggian yang berbeda: dua di dekat bagian bawah bagian 60 milimeter tinggi, dan dua di dekat bagian atas.

Pultrusi sebagai bagian dari kotak alat TP

Untuk rangka kaca depan MAI Skelett, penampang persegi 10 kali 10 milimeter diselesaikan untuk desain. Tujuannya adalah menggunakan serat karbon heavy-tow yang lebih murah. Namun, serat tow 50K yang dipilih memiliki penampatan serikat yang rapat dari banyak filamen yang membuat impregnasi resin lebih sulit. “Secara umum, tantangan ini dapat diatasi dengan panduan serat yang dioptimalkan dan penyebaran untuk mencapai impregnasi optimum dan kandungan volume serat sekitar 50 persen menurut volume,” kata manajer produk termoplastik SGL Veronika Bühler. SGL telah menguasai teknologi ini dan kini menawarkan pultrusi sebagai bagian dari kotak alat termoplastiknya. “Kami sudah memiliki pengetahuan luas tentang produk setengah jadi karena pita termoplastik kami, yang juga berbasis pultrusi. Jadi kami dapat dengan cepat menyesuaikan teknologi pultrusi yang saat ini digunakan untuk membuat profil kami sendiri.” Proses ini mencakup uji kualitas untuk volume serat, porositas, dan akurasi dimensi. “Yang terakhir sangat penting karena otomatisasi dan penanganan robot,” lanjutnya. “Tidak boleh ada kelengkungan, misalnya, karena tegangan residual dalam profil pultrusi.”

Di luar penguat pultrusi, resin termoplastik juga diteliti dalam MAI Skelett. Berbagai jenis poliamida 6 (PA6 atau nylon 6) diuji untuk menentukan viskositas dan reologi yang diperlukan untuk kualitas dan kecepatan pultrusi yang dioptimalkan. SGL menawarkan berbagai macam material untuk proyek melalui kotak alat termoplastiknya, yang terdiri dari pita UD, organosheet, serat potong untuk komposit serat pendek dan panjang yang diperkuat, dan kini pultrusi terkuat UD, semuanya berdasarkan serat karbon SIGRAFIL 50K dengan sizing yang cocok untuk matriks polipropilena (PP) dan poliamida, termasuk PA6 atau PA6 in-situ. “Penting untuk mengharmonisasi serat, sizing, dan matriks untuk mencapai kinerja optimum struktur komposit,” kata Bühler.

Dia juga menjelaskan PA6 in-situ: “Ini adalah ketika Anda mereaksi monomerkaprolaktam, atau satu monomerk dengan katalis dan aktivator, yang kemudian polimerisasi [membentuk rantai polimer panjang] selama pencetakan bagian komposit.” Dengan kata lain, kaprolaktam polimerisasi in situ menjadi poliamida. Bühler mencatat bahwa poliamida sebagai grup polimer mencakup PA66 dan PA12, serta beberapa jenis PPA sebagai pilihan matriks tambahan.

Aspek penting lainnya dalam pembuatan rangka kaca depan adalah kemampuan produk setengah jadi termoplastik untuk termoforming selama dan setelah pencetakan. Ini memungkinkan fungsionalisasi lebih lanjut dari bentuk serta perekatan fusional selama overmolding. Keduanya adalah faktor penting dalam desain demonstrator MAI Skelett.

Termoforming dan overmolding

Produksi rangka kaca depan MAI Skelett dimulai dengan profil pultrusi serat karbon/PA6. Profil ini kemudian harus dimodifikasi untuk menyesuaikan bentuk komponen serta pemasangan beban di titik-titik yang berbeda. Termoforming dipilih untuk melakukannya, dengan kekhawatiran utama bahwa kekuatan tinggi dan kekakuan serat karbon hanya dapat diwujudkan dengan menjaganya tetap lurus sekecil mungkin. Ini tercapai saat batang pultrusi ditarik dalam arah aliran matriks, kemudian diratakan dan dimengkok di ujung batang (Fig. 1).

Tahap kedua proses adalah menempatkan profil pultrusi termoformed di bawah pemanas inframerah untuk mendatangkan suhu dalam kurang dari 50 detik, kemudian dipindahkan ke cetakan injeksi menggunakan sistem penanganan otomatis yang dikembangkan untuk tujuan itu. Semua bagian dalam proyek diproduksi pada mesin injeksi molding yang ada. Komposit terkuat serat kemudian overmolded di atas dan di sekitar profil. Presisi diperlukan baik dalam cetakan maupun proses selama overmolding untuk memegang empat batang pultrusi termoformed dalam posisi.

Waktu siklus total untuk proses dua tahap (termoforming dan overmolding pultrusi yang sudah dibuat) sekitar 75 detik. “Karena matriks termoplastik dilelehkan kembali sebelum overmolding, ini memungkinkan membentuk dan melekatkan batang yang sudah dibuat dan termoformed ke bagian akhir dalam waktu siklus yang sangat pendek,” jelas Ebel. “Secara umum, keleburan termoplastik juga memungkinkan pemasangan dengan komponen logam,” tambah Bühler, mencatat bahwa proses termoforming dan injeksi molding termoplastik menawarkan reproduksi dan kontrol proses yang luar biasa, yang merupakan faktor kritis untuk produksi volume tinggi.

Kegagalan duktil

Profil PPA dan PA6 dengan komposit pencetakan yang kompatibel menggunakan serat kaca dan karbon dievaluasi untuk menjelajahi mode kegagalan yang lebih duktil untuk komponen. Meskipun mode kegagalan yang lebih duktil mengurangi jumlah beban yang dapat ditransfer rangka kaca depan, ini meningkatkan integritas struktural BIW secara keseluruhan.

Metode analisis mencakup pemodelan padat, pemodelan besi tulang (pemodelan geometri di mana pultrusi bertindak sebagai besi tulang yang memperkuat overmolding) dan pemodelan menggunakan elemen cangkang, serta berbagai kombinasi dari ini. Perangkat lunak termasuk pemecah FE ABAQUS (Dassault Systèmes, Paris, Prancis) dan pemecah parameter Dakota yang dikembangkan oleh Sandia National Laboratories (Albuquerque, N.M., AS). OptiStruct (Altair Engineering, Troy, Mich., AS) digunakan untuk optimasi topologi.

Meskipun BMW tidak menentukan kombinasi material yang diinginkan dalam laporan proyek akhir, perusahaan menyimpulkan bahwa hasil simulasi dan uji akhir menunjukkan bahwa komponen rangka melebihi semua persyaratan untuk bagian CFRP (plastik terkuat serat karbon) saat ini kecuali kekakuan torsi, yang ditentukan bukan menjadi pengemudi desain utama untuk rangka kaca depan. Desain rangka melebihi kedua tingkat beban dan penyerapan energi dalam kasus beban tabrakan versus bagian CFRP saat ini. Ini juga berhasil mencapai mode kegagalan yang lebih duktil, yang tidak hanya meningkatkan kinerja tabrakan struktur komposit tetapi juga pemahaman tentang kinerja tabrakan itu dan bagaimana itu berkaitan dengan struktur BIW secara keseluruhan.

Aplikasi desain rangka di masa depan

Dalam laporan akhir MAI Skelett, BMW mencatat bahwa telah mengidentifikasi enam komponen kendaraan lainnya yang dapat mendapatkan manfaat dari pengurangan biaya yang signifikan dalam produksi, material, dan tooling yang disediakan oleh penggunaan pendekatan desain rangka. SGL Carbon menyarankan aplikasi di industri otomotif dan penerbangan untuk struktur kursi, dasbor, lengan robot, meja sinar-X, dan banyak lagi.

Namun, pendekatan desain rangka dikembangkan lebih lanjut, mencakup komponen yang multiaxially berbeban dalam proyek lanjutan MAI Multiskelett (yang dilakukan dari September 2015 hingga Juni 2017). Ini melihat area di mana komponen penahan dan profil pultrusi bertemu, dan juga area pemasangan beban tinggi, khususnya untuk komponen struktural besar di mana beberapa jalur beban utama bersilang. Seperti dalam proyek Skelett sebelumnya, desain komponen dan lini produksi serial yang hemat biaya diteliti.

Contoh bagaimana desain rangka dapat mengoptimalkan komponen komposit yang ada adalah Carbon Carrier interior depan untuk kendaraan listrik (Fig. 2) yang dikembangkan oleh SGL dan spesialis teknologi otomotif Bertrandt (Ehningen, Jerman) pada 2017. Mengintegrasikan semua komponen fungsi dan trim utama dari panel instrumen konvensional, Carbon Carrier didasari organosheet termoformed sebagai “tulang punggung” yang mendukung beban untuk menambahkan kekakuan. “Di masa depan, bagian ini dapat diganti dengan desain profil termoplastik overmolding,” kata Ebel. “Ini akan menghilangkan operasi pemotongan, penataan, dan pemotongan organosheet. Juga, anggota lintas akan tidak diperlukan karena kami akan mengintegrasikannya sebagai profil pultrusi dan overmolding mereka untuk mencapai desain dasbor. Bagian overmolding ini juga akan memberikan lebih banyak ruang dan fleksibilitas untuk menampung elemen yang dilampirkan yang diperlukan serta baut dan klip untuk melampirkan elemen ini atau kabel, dll.”

Ebel mengakui ini akan menjadi perubahan desain yang besar, “tetapi ini mengurangi biaya dan membuat seluruh komponen lebih efisien.” Dia menunjuk bahwa mungkin untuk merancang proses dengan hampir tidak ada limbah karena profil dipotong tepat sesuai panjang yang diperlukan dan tidak ada penguat serat karbon yang hilang dalam langkah-langkah ini atau dalam termoforming sebelum overmolding. Bühler menunjuk bahwa kursi juga adalah kandidat utama untuk desain rangka. “Dalam komposit, biasanya dibuat dengan kain atau pita, dan masih merupakan struktur seperti lembar. Tetapi kami dapat mengurangi ketebalan di area bidang dengan mengintegrasikan profil di bawah dan meningkatkan kekakuan.” Dia mencatat bahwa profil pultrusi bukan produk UD satu-satunya yang efisien yang dapat dibangun di sekitarnya. “Ini juga bisa pita, yang mudah disesuaikan dengan jalur beban untuk setiap bagian.”

“Kami sedang mengunjungi banyak perusahaan di Lightweight & Application Center,” kata Ebel. “Desain rangka sebagai konsep inovatif tambahan telah menginspirasi banyak minat dan dianggap sangat menjanjikan oleh pengunjung kami.” Dia menjelaskan bahwa pusat telah membangun kemampuan desainnya dan dapat membantu perusahaan mengintegrasikan ide inovatif seperti konsep rangka untuk membuka ruang desain baru untuk komponen hemat material di masa depan.

“Ada banyak aplikasi di mana kami dapat menggunakan desain yang mirip dengan rangka kaca depan,” kata Bühler. “Penting bagi industri untuk maju dari penataan quasi-isotropik, yang menyisakan banyak kekuatan dan kekakuan serat karbon di meja. Sebaliknya, kami harus mengeksploitasi bentuk material yang lebih efisien, menempatkan setiap material hanya di tempat yang diperlukan. Inilah yang dibutuhkan industri untuk masa depan.”