Pintu Termoplastik Pertama Membuka Jalan untuk Komposit Automotif Lanjutan
OEM otomotif dan Tier 1 sedang menghadapi kebutuhan untuk mengurangi massa kendaraan untuk memenuhi target ekonomi bahan bakar dan emisi karbon. Material komposit memiliki potensi untuk berkontribusi secara signifikan pada dorongan penurunan berat ini di banyak area, namun biaya, masalah desain, proses yang tidak familiar dan persaingan dari material lain terus menghambat. Untuk mengatasi ini, banyak proyek menyelidiki bagaimana komposit dapat diintegrasikan ke dalam struktur multi-material otomotif untuk manfaat maksimal.
Satu proyek yang menyelidiki bagaimana komposit dapat mengurangi struktur menahan beban otomotif dilakukan oleh Clemson University (Clemson, SC, AS) Composites Center, Clemson University International Center for Automotive Research (CU-ICAR) dan Honda R&D Americas (Raymond, OH, AS), dengan dukungan dari University of Delaware Center for Composite Materials (CCM, Newark, DE, AS) dan pendanaan dari US Department of Energy (DOE, Washington, DC, AS).
Fokus proyek, kata penyelidik utama Dr. Srikanth Pilla, yang adalah Jenkins Endowed Professor of Automotive Engineering dan Dean's faculty fellow di Clemson, adalah pertanyaan apakah komposit dapat memungkinkan sistem penutupan ultra-ringan — pintu, kap, tutup bagasi — untuk melengkapi kemajuan serentak dalam teknologi mesin dan aerodinamika yang lebih baik: "Dalam portofolio teknologi untuk penurunan berat, banyak 'buah yang mudah diambil' telah diterapkan — misalnya, pengcilan mesin. Kami percaya ada potensi untuk peningkatan efisiensi di area sistem penutupan struktural menahan beban dengan titik harga yang wajar."
Kolaborasi, tim adalah kunci
Proyek empat tahun, yang dimulai pada 2016, timbul dari permintaan DOE, bagian dari Seri Grand Challenges Obama untuk memajukan ilmu pengetahuan dan teknik di banyak topik, termasuk memenuhi standar emisi otomotif. Permintaan proposal meminta desain dan pengembangan pintu mobil yang menawarkan pengurangan berat 42,5 persen dibandingkan pintu OEM standar, sambil mempertahankan performa tabrakan, daya tahan dan performa penggunaan/penyalahgunaan yang mirip, dan performa noise, vibration and harshness (NVH) yang mirip. Dan, terlepas dari bagaimana pintu ringan dirancang, harus menggunakan sistem material yang tersedia secara komersial dan menskala ke volume produksi minimal 20.000 kendaraan per tahun.
Honda bergabung sebagai penasihat OEM proyek penelitian karena proyek ini selaras dengan "visi kami untuk menciptakan masyarakat bebas emisi pada akhirnya," kata Skye Malcolm, principal engineer, Advanced Planning & Verification Vehicle Development Foundations di Honda R&D Americas. Honda juga menambahkan kendala sendiri pada proyek, katanya: "Desain pintu yang akan dikembangkan oleh tim harus menggunakan geometri pelapisan yang sama, memiliki semua peralatan fungsional yang sama seperti pintu dasar, memberikan finishing Class A yang tidak dapat dibedakan dari dasar dan memenuhi persyaratan daya tahan dan penuaan Honda." Tim telah membawa tujuan tambahan bahwa pintu harus 100 persen dapat daur ulang. Mungkin yang paling penting, DOE menetapkan biaya maksimal yang diizinkan per pound berat yang tersimpan (dibandingkan pintu dasar) sebesar $5. Ini berarti bahwa untuk pintu Acura MDX biasa yang berat 31,8 kg, pengurangan berat 42,5 persen akan membawa berat target keseluruhan ke 18,3 kg, yang (pada $5/lb berat yang tersimpan) berarti pintu komposit hanya dapat menambahkan $150 ke biaya pintu.
Mendukung Pilla pada proyek adalah beberapa mahasiswa sarjana dan pascasarjana, Dr. Gang Li, profesor mekanika teknik di Clemson, dan Drs. Bazle Haque dan Shridhar Yarlagadda dari University of Delaware CCM, ahli dalam komposit multi-material. Yarlagadda, penyelidik koordinator proyek, menunjuk, "Honda telah menjadi bagian integral dari upaya kami dan telah memberikan tingkat kolaborasi dan komitmen yang luar biasa kepada program kami, termasuk dukungan komputasi HPC dan akses ke para insinyur Honda di seluruh spektrum. Desain, manufaktur dan integrasi komponen komposit harus digabungkan dengan sejumlah persyaratan 'lunak' yang didorong pelanggan untuk menciptakan desain sistem yang dapat diterima, dan ini tidak akan mungkin tanpa dukungan Honda." Sentimen ini dibagikan oleh anggota tim lain, tambah Pilla: "Substitusi material sederhana bukan solusi. Kami harus melihat pendekatan sistem, dan Honda membantu kami memahami semua elemen sistem pintu hingga ke level komponen. Memang benar, kemitraan dan partisipasinya tidak ada yang setara."
Merancang pintu baru
Analisis awal, termasuk benchmarking upaya OEM lain untuk penutupan ringan untuk model pasar terbatas, termasuk bingkai pintu aluminium Audi untuk model A8 nya, bingkai pintu magnesium Porsche Panamera dan bingkai pintu termoformasi serat karbon BMW i8 . Tidak ada pendekatan OEM sebelumnya ini, namun, yang memenuhi tujuan biaya atau berat proyek ini. Katanya Pilla, "Saya ingin menjadi bagian dari sesuatu yang akan memberikan manfaat untuk masa depan, yang akan berkontribusi pada ekonomi sirkular. Pintu termoplastik belum pernah dicoba sebelumnya, dan akan dapat daur ulang." Ketika ditumpuk dengan bahan kandidat lain, termasuk komposit termoset, aluminium dan baja, termoplastik menawarkan tidak hanya daya daur ulang namun potensi penurunan berat yang sangat tinggi dan kecepatan proses yang cepat (dibandingkan termoset) untuk memenuhi target produksi.
Dengan pintu Acura MDX asli sebagai dasar (Fig. 1), tim mengurai campuran materialnya: 62 persen logam, 21 persen polimer murni kaku, 13 persen kaca dan 4 persen elastomer. Peluang terbesar untuk penurunan berat, 60 persen, akan datang dari bingkai pintu logam, yang tim berencana untuk mengurangi dari berat dasar 15,4 kg ke berat target 6,2 kg. Sementara tidak ada kesempatan untuk mengurangi berat di komponen internal dan elektronik pintu (speaker radio, servo untuk mengangkat dan menurunkan jendela, kunci pintu, dll.), tim menentukan bahwa berat kaca jendela dapat dikurangi sebesar 20 persen, mungkin dengan membuat kaca lebih tipis tanpa mengkompromikan metrik target NVH dan daya tahan. Selain itu, tim memperkirakan bahwa berat elemen hias di permukaan dalam pintu dapat dikurangi sebesar 30 persen, atau bahkan dihilangkan.
Tugas utama proyek berjalan secara serentak selama dua tahun pertama. Beberapa anggota tim bekerja pada generasi data material, sementara yang lain menangani spesifik desain pintu. Grup data material menghasilkan data pengujian material untuk berbagai macam termoplastik — tape berkelanjutan, mat, polimer terisi serat pendek dan panjang dan lebih banyak — untuk menentukan bahan kandidat untuk bingkai dalam dan panel luar; material disumbangkan oleh sejumlah mitra pemasok industri. Data dievaluasi melalui spider chart, dengan kekuatan keseluruhan, kekuatan geser, biaya yang diizinkan, densitas yang diizinkan, kekakuan dan ketahanan membentuk sumbu chart.
Opsi material terbaik setelah evaluasi data awal — tape serat berkelanjutan dan pellete termoplastik terisi serat panjang — melalui pemodelan material, menjelaskan Pilla: "Mungkin untuk membangun matriks kekakuan material ortotropik sederhana untuk tape serat berkelanjutan, berdasarkan Hukum Hooke." Untuk polimer terisi serat panjang, namun, simulasi sekunder diperlukan untuk memprediksi kekuatan dan kekakuan bagian pintu yang dicetak injeksi, karena anisotropi yang diperkenalkan oleh geometri bagian akhir dan proses pengisian cetakan. Tambah Pilla, "Pemodelan material serat panjang ini sulit, karena belum banyak yang dilakukan pada simulasi." Untuk mengumpulkan data yang diperlukan, tim mengembangkan loop optimasi manufaktur. Bentuk bagian generik untuk bingkai dalam dan panel luar pintu dihasilkan dengan perangkat lunak desain 3D Dassault Systèmes (Waltham, MA, AS) SolidWorks; simulasi pengisian cetakan untuk bentuk tersebut dilakukan untuk menentukan vektor aliran cairan dengan bantuan perangkat lunak Moldex3D dari Moldex (Chupei City, Taiwan); dinamika aliran cairan dan tabrakan dianalisis untuk menentukan orientasi serat melalui perangkat lunak Digimat dari e-Xstream (Hautcharage, Luxemburg, sebuah perusahaan Hexagon); dan orientasi serat yang dipetakan digunakan untuk menghasilkan matriks kekakuan menggunakan alat analisis elemen hingga (FEA), termasuk material cards yang disediakan oleh solusi CAE HyperWorks Altair Engineering Inc. (Troy, MI, AS). Sebagai bagian bentuk dimodifikasi, dan material diuji, loop optimasi diulang beberapa kali.
Secara serentak, anggota tim lain bekerja pada pengembangan konsep pintu aktual, dan akhirnya, simulasi alat dan manufaktur. Memulai dari sketsa kasar dan pemilihan material tingkat tinggi, berbagai desain dibuat. Kemudian, model CAD kasar dihasilkan, bersama dengan simulasi FEA awal untuk kasan beban statis sederhana. Pada musim gugur 2016, kata Pilla, lokakarya desain diadakan di CU-ICAR di mana tim menyempitkan opsi konsep pintu menjadi tujuh, untuk pekerjaan lebih lanjut. "Filosofi desain kami dari awal adalah untuk memaksimalkan integrasi fungsional bagian dan material, meminimalkan jumlah bagian, memaksimalkan efektivitas material yang digunakan melalui optimasi dan menyederhanakan rangkaian," kata Pilla.
Pada titik ini, model CAD detail dihasilkan dan simulasi FEA dilakukan untuk setiap konsep untuk memvalidasi performa statis sesuai dengan target Honda. Dengan mempertimbangkan kemanufakturan dan integrasi subsistem, Konsep 7 (pendekatan space frame) mulai konvergen menuju Konsep 2 (bingkai struktural satu potongan), jadi tim memutuskan untuk melanjutkan dengan Konsep 2, menggabungkan pelajaran yang dipelajari dari pendekatan space frame. Konsep tersebut terdiri dari empat elemen: panel luar Class A, internal pintu, bingkai dalam atau panel, dan elemen hias interior.
Inner multi-material, Class A outer
Tim memilih material dan proses manufaktur untuk desain pintu akhir pada pertengahan 2018, dengan freeze desain pada 15 Januari 2019; pembuatan alat dan prototipe telah dimulai. Gambar 2 menunjukkan detail untuk bingkai dalam tebal 1,2 mm dan komponennya (panel luar Class A tidak ditampilkan). "Beltline" merujuk pada garis gaya yang dibentuk oleh tepi bawah kaca jendela, di mana penguat ditempatkan untuk membantu mendukung panel komposit yang dicetak. Pilla mencatat bahwa balang anti-intrusi, untuk perlindungan penumpang dalam kasus tabrakan sisi, harus tetap dalam baja untuk menjaga berat pintu keseluruhan lebih rendah — balang komposit dengan performa yang sama akan terlalu berat. Elemen kunci desain adalah sistem perekat untuk menghubungkan bingkai dalam ke panel luar. Pilla menjelaskan: "Panel luar Class A akan dipasang pada pintu di akhir baris produksi, yang akan memungkinkan karyawan untuk dengan mudah memasang internal pintu sebelumnya, dan juga mencegah kerusakan pada permukaan Class A selama rangkaian. Fitur snap-fit dicetak pada bingkai dalam dapat disesuaikan, untuk mengakomodasi toleransi manufaktur di arah Y, katanya, sementara lubang berlapis untuk perekat logam membantu mengomensasi toleransi manufaktur di arah X dan Z, selama rangkaian."
Untuk membantu pengurangan berat, desain pintu saat ini tidak memiliki panel hias interior konvensional. Sebaliknya, beberapa bagian fungsional dicetak dirancang, termasuk kantong peta yang dicetak injeksi, dukungan tangan dari kayu alami yang dicetak di belakang dengan plastik ABS, dan beberapa padding kulit yang dilapisi busa. Bersama-sama, bagian-bagian ini berat 1,34 kg, dibandingkan panel interior dasar pada 3,49 kg. Pilla mengatakan tim berharap dapat menghemat lebih banyak berat dengan optimasi desain.
Saat ini, analisis dan optimasi FEA sedang berlangsung, untuk memodelkan kasus beban statis dan beban tabrakan dinamis yang harus ditahan oleh pintu komposit. Kasus beban statis saja sudah menakutkan, dan termasuk sag pintu, kekakuan beltline, kekakuan montase cermin, kekakuan tarik pegangan pintu dan lebih banyak. Pengujian beban dinamis, kata Pilla, untuk sekarang terdiri dari tes tiang quasi-static Federal Motor Vehicle Safety Standard (FMVSS) 214, di mana pintu kendaraan dihancurkan ke dalam oleh tiang (yang melewati atap dan badan) selama 18 inci sambil semua persyaratan gaya minimum dipelihara: "Kasus ini adalah yang paling tidak intensif komputasional dibandingkan dengan dua tes tabrakan lainnya [tes Tiang Perempuan Persentil 5 FMVSS 75° (AF5) dan tes Evaluasi Kriteria Tabrakan Sisi Insurance Institute for Highway Safety (IIHS SICE)]. Ini akan memungkinkan kami untuk melakukan lebih banyak eksperimen desain dan loop optimasi."
Tambah Gang Li: "Integrasi proses manufaktur komposit dan simulasi performa struktural dengan algoritma optimasi adalah menarik dan tantang. Sementara tantangannya terletak pada kompleksitas sistem dan skala komputasi yang terlibat, integrasi ini menggabungkan ruang desain struktural, material dan proses manufaktur bersama-sama dan memberikan kami lebih banyak peluang untuk penurunan berat dan performa yang ditingkatkan." Dan, memenuhi kasus beban tes tiang ini berarti pintu hampir memenuhi tes tiang dan tabrakan sisi lainnya, katanya.
"Tes kami sejauh ini menunjukkan bahwa pintu komposit dengan mudah memenuhi persyaratan federal, namun performa komprehensif pintu Acura dasar kami jauh lebih tinggi daripada persyaratan tersebut," kata Pilla. Hasil FEA sejauh ini menunjukkan bahwa pintu komposit ringan menyerap lebih banyak energi dibandingkan pintu dasar (23,59 kJ vs 15,34 kJ) yang Pilla atributkan kepada kemampuan komposit untuk menyerap energi deformasi tambahan setelah titik leleh awal. Namun, simulasi menunjukkan bahwa perbaikan dapat dilakukan, baik pada penguat beltline luar maupun pada arsitektur penguatan bingkai dalam.
Dengan satu tahun tersisa dalam jadwal proyek awal, grup sedang menghasilkan simulasi manufaktur dan pendekatan alat; membuat rencana produksi massal untuk penskalaan dan estimasi biaya baris produksi; dan memproduksi prototipe untuk pengujian tabrakan dan performa mekanis, tes fitting dan finishing, dan penuaan dipercepat.
Kata Pilla, "Pintu komposit masih belum mencapai target, karena ketebalan panel, dan belum sepenuhnya dioptimalkan. Sementara kami jauh lebih ringan dibandingkan dasar baja, kami belum memenuhi target pengurangan berat 42,5 persen, namun kami optimis kita dapat capainya." Prototipe pintu untuk tes fitting dan fungsional akan segera siap. Tim proyek percaya bahwa material dan teknologi yang dikembangkan untuk pintu ini dapat dengan mudah diskalakan ke komponen otomotif lainnya (misalnya, bagian bolt-on dan body-in-white), dan biaya infrastruktur yang relatif rendah dari proses komposit dapat memungkinkan OEM dan pemasok baru untuk menerapkan teknologi ini — kemenangan untuk komposit otomotif.
