Pintu termoplastik yang pertama untuk komposit otomotif

OEM otomotif dan Tier 1 bergulat dengan kebutuhan untuk mengurangi massa kendaraan guna memenuhi target penghematan bahan bakar dan emisi karbon. Bahan komposit memiliki potensi untuk berkontribusi secara signifikan terhadap dorongan ringan ini di banyak bidang, tetapi biaya, masalah desain, pemrosesan yang tidak biasa, dan persaingan dari bahan lain terus menghadirkan hambatan. Untuk mengatasinya, banyak proyek yang menyelidiki bagaimana komposit dapat diintegrasikan ke dalam struktur otomotif multi-material untuk keuntungan maksimal.

Satu proyek yang membahas bagaimana komposit dapat mengurangi struktur bantalan beban otomotif sedang dilakukan oleh Pusat Komposit Universitas Clemson (Clemson, SC, AS), Pusat Penelitian Otomotif Internasional Universitas Clemson (CU-ICAR) dan Honda R&D Americas (Raymond, OH , AS), dengan dukungan dari Pusat Bahan Komposit Universitas Delaware (CCM, Newark, DE, AS) dan pendanaan dari Departemen Energi AS (DOE, Washington, DC, AS).

Fokus proyek, kata peneliti utama Dr. Srikanth Pilla, yang merupakan Profesor Jenkins Endowed Professor of Automotive Engineering dan rekan fakultas Dekan di Clemson, adalah pertanyaan apakah komposit dapat memungkinkan sistem penutupan ultra-ringan — pintu, kap mesin, tutup bagasi — untuk melengkapi kemajuan bersamaan dalam teknologi powertrain dan aerodinamis yang lebih baik:“Dalam portofolio teknologi untuk bobot yang ringan, sebagian besar 'buah gantung rendah' ​​telah diterapkan — misalnya, perampingan mesin. Kami yakin ada potensi peningkatan efisiensi di bidang sistem penutup struktural yang menahan beban dengan harga yang wajar.”

Kolaborasi, kerjasama tim adalah kuncinya

Proyek empat tahun, yang dimulai pada 2016, muncul sebagai ajakan DOE, bagian dari rangkaian Tantangan Besar pemerintahan Obama untuk memajukan sains dan teknik dalam banyak topik, termasuk memenuhi standar emisi otomotif. Permintaan proposal meminta desain dan pengembangan pintu mobil yang menawarkan pengurangan berat 42,5% di atas pintu OEM standar, sambil mempertahankan kinerja tabrakan, daya tahan dan kinerja penggunaan/penyalahgunaan yang serupa, dan kinerja kebisingan, getaran, dan kekerasan (NVH) yang serupa . Dan, terlepas dari bagaimana pintu yang ringan dirancang, pintu tersebut harus menggunakan sistem material yang tersedia secara komersial dan skala untuk volume produksi minimal 20.000 kendaraan per tahun.

Honda bergabung sebagai penasihat OEM proyek penelitian karena proyek tersebut selaras dengan "visi kami untuk menciptakan masyarakat bebas emisi," kata Skye Malcolm, insinyur utama, Yayasan Pengembangan Kendaraan Perencanaan &Verifikasi Lanjutan di Honda R&D Americas. Honda juga menambahkan batasannya sendiri untuk proyek tersebut, ia menambahkan:“Desain pintu yang akan dikembangkan oleh tim harus menggunakan geometri penyegelan yang sama, memiliki semua peralatan fungsional yang sama dengan pintu dasar, memberikan hasil akhir Kelas A yang tidak dapat dibedakan dari dasar dan memenuhi persyaratan ketahanan dan penuaan Honda.” Tim telah membawa tujuan tambahan bahwa pintu menjadi 100% dapat didaur ulang. Mungkin yang paling penting, DOE mengamanatkan biaya maksimum yang diizinkan per pon berat yang disimpan (di atas pintu dasar) sebesar $5. Ini berarti bahwa untuk Acura MDX typical pintu dengan berat 31,8 kg, pengurangan berat 42,5% akan membawa target berat keseluruhan menjadi 18,3 kg, yang (dengan berat yang dihemat $5/lb) berarti pintu komposit hanya dapat menambah $150 untuk biaya pintu.

Pendukung Pilla dalam proyek ini adalah beberapa mahasiswa sarjana dan pascasarjana, Dr. Gang Li, seorang profesor mekanika teknik di Clemson, dan Drs. Bazle Haque dan Shridhar Yarlagadda dari University of Delaware CCM, ahli dalam komposit multi-material. Yarlagadda, penyelidik utama proyek tersebut, menunjukkan, “Honda telah menjadi bagian integral dari upaya kami dan telah memberikan tingkat kolaborasi dan komitmen yang luar biasa untuk program kami, termasuk dukungan komputasi HPC dan akses ke insinyur Honda di seluruh spektrum. Desain, manufaktur, dan integrasi komponen komposit harus dikombinasikan dengan sejumlah persyaratan 'lunak' yang didorong oleh pelanggan untuk menciptakan desain sistem yang dapat diterima, dan ini tidak akan mungkin terjadi tanpa dukungan Honda.” Sentimen ini dibagikan oleh anggota tim lainnya, tambah Pilla:“Substitusi material sederhana bukanlah solusi. Kami harus melihat pendekatan sistem, dan Honda membantu kami memahami semua elemen sistem pintu hingga ke tingkat komponen. Memang, kemitraan dan keterlibatan mereka tidak ada bandingannya.”

Mendesain pintu baru

Analisis awal, termasuk pembandingan upaya OEM lainnya pada penutupan ringan untuk model pasar terbatas, termasuk kusen pintu aluminium Audi untuk A8 -nya model, Porsche Panamera kusen pintu magnesium dan BMW i8 kusen pintu termoset yang diperkuat serat karbon. Namun, tidak satu pun dari pendekatan OEM sebelumnya ini yang memenuhi sasaran biaya atau bobot proyek ini. Pilla berkata, “Saya ingin menjadi bagian dari sesuatu yang bermanfaat di masa depan, yang akan berkontribusi pada ekonomi sirkular. Pintu termoplastik belum pernah dicoba sebelumnya, dan akan dapat didaur ulang.” Ketika ditumpuk dengan bahan kandidat lainnya, termasuk komposit termoset, aluminium dan baja, termoplastik tidak hanya menawarkan kemampuan daur ulang tetapi juga potensi yang sangat tinggi untuk bobot ringan dan kecepatan pemrosesan yang cepat (dibandingkan dengan termoset) untuk memenuhi target produksi.

Dengan MDX asli Acura pintu sebagai dasar (Gbr. 1), tim memecah campuran materialnya:62% logam, 21% polimer rapi yang kaku, 13% kaca, dan 4% elastomer. Peluang terbesar untuk bobot ringan, 60%, akan datang dari kusen pintu metalik, yang ingin diturunkan tim dari berat awal 15,4 kg menjadi berat target 6,2 kg. Meskipun tidak ada peluang untuk mengurangi berat pada komponen internal pintu dan elektronik (speaker radio, servo untuk menaikkan dan menurunkan jendela, kunci pintu, dll.), tim menentukan bahwa berat kaca jendela dapat dikurangi 20%, mungkin membuat kaca lebih tipis tetapi tanpa mengorbankan metrik target NVH dan daya tahan. Selanjutnya, tim memperkirakan bahwa berat elemen trim pada permukaan bagian dalam pintu dapat dikurangi hingga 30%, atau bahkan dihilangkan.

Tugas utama proyek berjalan bersamaan selama dua tahun pertama. Beberapa anggota tim mengerjakan pembuatan data material, sementara yang lain menangani spesifikasi desain pintu. Grup data material menghasilkan data pengujian material untuk berbagai termoplastik — pita kontinu, tikar, polimer yang diperkuat serat pendek dan panjang, dan banyak lagi — untuk menentukan kandidat material untuk rangka dalam dan panel luar; bahan disumbangkan oleh sejumlah mitra pemasok industri. Data dievaluasi melalui grafik laba-laba, dengan kekuatan keseluruhan, kekuatan geser, biaya yang diijinkan, kepadatan yang diijinkan, kekakuan dan ketangguhan yang membentuk sumbu grafik.

Pilihan material berperforma terbaik setelah evaluasi data awal — pita serat kontinu dan pelet termoplastik yang diperkuat serat panjang — menjalani pemodelan material, Pilla menjelaskan:“Dimungkinkan untuk membangun matriks kekakuan bahan ortotropik sederhana untuk pita serat kontinu, berdasarkan Hooke's hukum." Untuk polimer yang diperkuat serat panjang, bagaimanapun, simulasi sekunder diperlukan untuk memprediksi kekuatan dan kekakuan bagian pintu cetakan injeksi, karena anisotropi diperkenalkan oleh geometri bagian akhir dan proses pengisian cetakan. Pilla menambahkan, “Pemodelan bahan serat panjang ini sulit, karena belum banyak yang dilakukan pada simulasi.” Untuk mengumpulkan data yang dibutuhkan, tim mengembangkan loop optimasi manufaktur. Bentuk bagian umum untuk rangka dalam dan panel luar pintu dibuat dengan perangkat lunak desain 3D SolidWorks Dassault Systémes (Waltham, MA, US); simulasi pengisian cetakan dari bentuk-bentuk tersebut dilakukan untuk menentukan vektor aliran lelehan dengan bantuan perangkat lunak Moldex3D dari Moldex (Chupei City, Taiwan); dinamika aliran lelehan dan kolusi dianalisis untuk menentukan orientasi serat melalui perangkat lunak Digimat dari e-Xstream (Hautcharage, Luksemburg, sebuah perusahaan Hexagon); dan orientasi serat yang dipetakan digunakan untuk menghasilkan matriks kekakuan menggunakan alat analisis elemen hingga (FEA), termasuk kartu material yang disediakan oleh solusi HyperWorks CAE Altair Engineering Inc. (Troy, MI, AS). Saat bentuk bagian dimodifikasi, dan saat bahan diuji, loop pengoptimalan diulang beberapa kali.

Secara bersamaan, anggota tim lainnya mengerjakan pengembangan konsep pintu yang sebenarnya, dan akhirnya, simulasi perkakas dan manufaktur. Dimulai dengan sketsa kasar dan pemilihan material tingkat tinggi, berbagai desain telah dibuat. Kemudian, model CAD kasar dihasilkan, bersama dengan simulasi FEA awal untuk kasus beban statis sederhana. Pada musim gugur 2016, kata Pilla, sebuah lokakarya desain diadakan di CU-ICAR di mana tim mempersempit opsi konsep pintu menjadi tujuh, untuk pekerjaan lebih lanjut. “Filosofi desain kami sejak awal adalah untuk memaksimalkan integrasi fungsional suku cadang dan bahan, meminimalkan jumlah suku cadang, memaksimalkan efektivitas bahan yang digunakan melalui pengoptimalan dan menyederhanakan perakitan,” kata Pilla.

Pada titik ini, model CAD terperinci dihasilkan dan simulasi FEA dilakukan untuk setiap konsep untuk memvalidasi kinerja statis sesuai dengan target Honda. Mempertimbangkan kemampuan manufaktur dan integrasi subsistem, Konsep 7 (pendekatan kerangka ruang) mulai menyatu menuju Konsep 2 (kerangka struktural satu bagian), sehingga tim memutuskan untuk melanjutkan dengan Konsep 2, menggabungkan pelajaran yang dipetik dari pendekatan kerangka ruang . Konsep tersebut terdiri dari empat elemen:panel Kelas A luar, bagian dalam pintu, bingkai atau panel bagian dalam, dan elemen trim interior.

Bagian dalam multi-material, bagian luar Kelas A

Tim memilih bahan dan proses manufaktur untuk desain pintu akhir pada pertengahan 2018, dengan pembekuan desain pada 15 Januari 2019; pembuatan perkakas dan pembuatan prototipe telah dimulai. Gambar 2 menunjukkan detail rangka dalam setebal 1,2 mm dan komponennya (panel Kelas A luar tidak diperlihatkan). "Beltline" mengacu pada garis gaya yang dibentuk oleh tepi bawah kaca jendela, di mana pengaku telah ditempatkan untuk membantu menopang panel komposit yang dicetak. Pilla mencatat bahwa balok anti-intrusi, untuk perlindungan penumpang jika terjadi benturan samping, harus tetap menggunakan baja untuk menjaga berat pintu secara keseluruhan lebih rendah — balok komposit dengan kinerja yang sama akan terlalu berat. Salah satu elemen kunci dari desain ini adalah sistem pengikat untuk menghubungkan rangka bagian dalam ke panel luar. Pilla menjelaskan:“Panel Kelas A luar akan dipasang ke pintu di ujung jalur perakitan, yang akan memungkinkan rekanan memasang bagian dalam pintu dengan mudah sebelumnya, dan juga mencegah kerusakan pada permukaan Kelas A selama perakitan.” Fitur snap-fit ​​yang dibentuk pada rangka bagian dalam dapat disesuaikan, untuk mengakomodasi toleransi manufaktur pada arah Y, tambahnya, sementara lubang berlubang untuk pengencang logam membantu mengimbangi toleransi manufaktur pada arah X dan Z, selama perakitan.

Untuk membantu pengurangan berat, desain pintu saat ini tidak memiliki panel trim interior konvensional. Sebagai gantinya, beberapa bagian cetakan fungsional dirancang, termasuk saku peta cetakan injeksi, sandaran tangan dari kayu alami yang dicetak dengan plastik ABS, dan beberapa bantalan kulit yang dilaminasi dengan busa. Bersama-sama, bagian-bagian ini memiliki berat 1,34 kg, dibandingkan dengan panel interior dasar pada 3,49 kg. Pilla mengatakan tim berharap dapat menghemat lebih banyak bobot dengan pengoptimalan desain.

Saat ini, analisis dan pengoptimalan FEA sedang berlangsung, untuk memodelkan baik kasus beban statis maupun beban tabrakan dinamis yang harus ditanggung oleh pintu komposit. Kasus beban statis saja menakutkan, dan termasuk pintu melorot, kekakuan beltline, kekakuan pemasangan cermin, kekakuan tarikan pegangan pintu, dan banyak lagi. Pengujian beban dinamis, kata Pilla, untuk saat ini terdiri dari uji tiang kuasi-statis Federal Motor Vehicle Safety Standard (FMVSS) 214, di mana pintu kendaraan dihancurkan ke dalam oleh tiang (yang meleset dari atap dan bodi) sejauh 18 inci. sementara semua persyaratan gaya minimum dipertahankan:“Kasus ini adalah yang paling tidak intensif secara komputasi dibandingkan dengan dua tes tabrakan lainnya [75 ° FMVSS 5 ^th Uji Tiang Persentil Perempuan (AF5) dan uji Evaluasi Kriteria Dampak Samping Keselamatan Jalan Raya (IIHS SICE) dari Lembaga Asuransi]. Ini akan memungkinkan kami untuk melakukan lebih banyak eksperimen desain dan putaran pengoptimalan.”

Gang Li menambahkan:“Integrasi proses manufaktur komposit dan simulasi kinerja struktural dengan algoritme pengoptimalan sangat menarik dan menantang. Sementara tantangannya terletak pada kompleksitas sistem dan skala komputasi yang terlibat, integrasi tersebut menggabungkan ruang desain struktural, material, dan proses manufaktur bersama-sama dan memberi kami lebih banyak peluang untuk bobot yang lebih ringan dan kinerja yang ditingkatkan.” Dan, memenuhi kasus beban uji tiang ini berarti pintunya dekat dengan pertemuan dua uji benturan tiang dan samping lainnya, tambahnya.

“Pengujian kami sejauh ini menunjukkan bahwa pintu komposit dengan mudah memenuhi persyaratan federal, tetapi kinerja 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 daripada pintu dasar (23,59 kJvs.15,34 kJ) yang oleh Pilla dikaitkan dengan kemampuan komposit untuk menyerap energi deformasi tambahan setelah titik leleh awal. Namun, simulasi menunjukkan bahwa perbaikan dapat dilakukan, baik pada pengaku beltline luar maupun pada arsitektur tulangan rangka dalam.

Dengan satu tahun tersisa dalam jadwal proyek awal, grup ini menghasilkan simulasi manufaktur dan pendekatan perkakas; membuat rencana produksi massal untuk peningkatan dan perkiraan biaya lini produksi; dan memproduksi prototipe untuk pengujian tabrakan dan kinerja mekanis, pengujian kecocokan dan penyelesaian, dan penuaan yang dipercepat.

Kata Pilla, “Pintu komposit masih belum mencapai target, karena ketebalan panel, dan belum sepenuhnya dioptimalkan. Meskipun kami jauh lebih ringan daripada dasar baja, kami belum mencapai tujuan penurunan berat badan 42,5%, tetapi kami optimis kami dapat mencapainya.” Sebuah pintu prototipe untuk pengujian fit dan fungsional akan segera siap. Tim proyek percaya bahwa bahan dan teknologi yang dikembangkan untuk pintu ini dapat dengan mudah disesuaikan dengan komponen otomotif lainnya (misalnya, suku cadang yang dibaut dan bodi berwarna putih), dan biaya infrastruktur yang relatif rendah dari proses komposit dapat memungkinkan OEM dan pemasok untuk menerapkan teknologi ini — kemenangan bagi komposit otomotif.