Desain Powertrain Ringan Meningkatkan Performa EV

Pengurangan berat terus menjadi tujuan untuk kendaraan listrik (EV), meningkatkan performa dan memperluas jarak tempuh. Untuk itu, desainer dan produsen mengeksplorasi penggunaan komposit dalam enclosure baterai, panel badan, struktur chassis dan komponen suspensi. Namun, satu proyek telah menetapkan sasaran pada powertrain di luar baterai ke casing gearbox, mengganti logam cetak aluminium dengan komposit termoplastik hibrid serat karbon dan serat kaca untuk mengurangi berat sebesar 30 persen.

Proyek ini dirancang oleh beberapa perusahaan dalam Grup ARRK (Osaka, Jepang). Didirikan pada 1948, grup terdiri dari 20 perusahaan di 15 negara, dengan lebih dari 3.500 karyawan, dan menyediakan layanan pengembangan produk termasuk desain, prototipe, alat dan produksi volume rendah untuk banyak industri. Seperti awal 2018, ARRK Corp. telah menjadi anak perusahaan dari Mitsui Chemicals Group (Tokyo, Jepang), yang menghasilkan compound termoplastik serat panjang dan pita unidireksional (UD) serat karbon/polipropilena (CF/PP). ARRK telah mendirikan komposit sebagai salah satu dari 14 pusat kompetensinya, bergabung dengan asosiasi industri Jerman Carbon Composites e.V. dan MAI Carbon pada 2012 dan Composites UK pada 2015.

Untuk proyek casing gearbox ini, rekayasa diselesaikan oleh ARRK/P+Z Engineering GmbH (Munich, Jerman) dengan dukungan dari ARRK Shapers Prancis (La Séginière dan Aigrefeuille-sur-Maine, Prancis) untuk proses produksi serta alat stempel dan cetakan, sementara prototipe dipimpin oleh ARRK LCO Protomoules (Alby sur Chéran, Prancis). "Tujuannya adalah untuk menunjukkan berat ringan dan kekakuan yang dapat diberikan oleh termoplastik terisi serat untuk komponen mesin dan transmisi kendaraan listrik yang biasanya dicetak dari aluminium," jelas pemimpin proyek ARRK Engineering Raik Rademacher.

Gearbox yang digunakan sebagai dasar untuk proyek ini dibuat oleh Getrag (Untergruppenbach, Jerman) untuk mobil kota listrik Smart Fortwo. Hanya casing yang dirancang ulang, dengan semua bagian interior digunakan kembali dan beroperasi tanpa perubahan. Pendekatan re-engineering menggunakan berbagai simulasi — finite element model (FEM), optimasi topologi dan simulasi proses stempel preform dan injeksi cetak di atas. Ini juga membuktikan proses untuk mengonversi desain logam ke komposit menggunakan beberapa mitra dengan keahlian yang beragam dalam material, proses dan struktur.

Menentukan sasaran, beban dan material

Casing gearbox EV ini terdiri dari dua setengah yang secara mekanis dipasang di sekitar gear dan shaft transmisi kendaraan. Fase konsep dimulai dengan menentukan target desain. Langkah pertama adalah reverse-engineer finite element model dengan 3D scanning gearbox Fortwo yang telah diurai, termasuk komponen internal, shaft dan gear. Maximum input dan output torque, gear ratio dan torque pada input dan output shaft diambil dari data produsen. Simulasi FEM kemudian digunakan untuk menghitung torque pada casing gearbox untuk beban drive dan coast kendaraan, serta beban gravitasi hingga 60G untuk mensimulasikan situasi tabrakan.

Casing gearbox harus menahan beban-beban ini tanpa melebihi deformasi yang diizinkan; jika tidak, mungkin akan terjadi defleksi yang signifikan pada shaft gear, menyebabkan kontak yang tidak akurat di gear. "Kontak semacam itu akan merusak gear dan, dalam kasus terburuk, menyebabkan kegagalan," kata Rademacher. "Kesalahan transmisi karena pengaturan gear yang tidak akurat juga menyebabkan perilaku akustik yang tidak diinginkan di gearbox," tambahnya. "Mereka menyebutnya 'whining'. Karena EV sangat sunyi, penting bahwa casing komposit ini benar-benar tenang dan diam." Dengan demikian, kekakuan adalah target performa yang kritis, dan harus setara atau melebihi kekakuan dasar aluminium.

Diidentifikasi sejak awal sebagai bahan kandidat untuk desain ulang ini, kain serat kaca dan serat karbon terisi poliamida 6 (PA6) organosheet dari TenCate (Nijverdal, Belanda) diuji untuk properti mekanis. Karena komposit serat kaca hanya menunjukkan 50 persen kekakuan organosheet serat karbon, yang terakhir dipilih. "Materialnya adalah TenCate CETEX TC912 menggunakan serat 12K dalam kain twill 2-by-2," kata Rademacher. "Kami menentukan organosheet yang disesuaikan yang dibuat menggunakan sembilan lapisan dalam susunan stacking quasi-isotropik (0°/90°/45°/-45°/90°/-45°/45°/90°/0°)."

Fase konsep dan desain

Lima konsep casing gearbox dikembangkan, namun hanya dua yang menawarkan potensi yang memadai untuk penghematan berat dan biaya, bersama dengan waktu siklus rendah. Pemeriksaan kelayakan menunjukkan bahwa hanya satu konsep yang memungkinkan kekakuan yang memadai, dengan menggunakan kursi logam. "Kursi adalah koneksi langsung antara bearing untuk shaft gear dan casing gearbox," menjelaskan Rademacher. "Kami mempertimbangkan untuk dengan mudah mencetak injeksi ini, namun sebagai itu memilih insert aluminium yang dicetak di atas untuk meningkatkan kekakuan." Konsep ini dipilih untuk pengembangan.

Optimasi topologi untuk meminimalkan energi regangan dilakukan dalam fase desain berikutnya. Dari analisis ini, geometri casing gearbox diperbaiki, termasuk radius minimum untuk curvatur cetakan. Geometri ini digunakan untuk membangun model simulasi untuk desain detail. Laminat organosheet kemudian dioptimalkan lebih lanjut, mengungkapkan bahwa lapisan +45°/-45° harus paling tebal. Ini berkaitan baik dengan fakta bahwa torsi di casing adalah sumber utama deformasi yang harus ditahan.

Kekakuan casing masih ditemukan tidak cukup, sehingga UD tapes yang bersilang dan rib yang dicetak di atas diperkenalkan ke dalam geometri casing. Untuk cetak di atas, tim memilih compound 40 persen serat kaca/PA6 (GF/PA6) dari EMS-Grivory (Domat/Ems, Swiss).

Fase detail dan manufaktur

Titik perbaikan fungsional dan koneksi untuk dua setengah casing gearbox dirinci dalam fase ketiga dari desain ulang ini. Setengahnya akan dipasang secara mekanis, jadi insert aluminium ditambahkan ke desain untuk mentransfer beban bearing dari perekat. Fitur lainnya kemudian dirinci, termasuk flange yang dicetak di atas yang berisi insert ini dan rib serta geometri fungsional lainnya yang dicetak di atas pada exterior casing.

Proses stempel dipilih untuk preforming organosheet sebelum cetak di atas. Simulasi stempel selesai (Fig. 1) oleh mitra ESI Group (Paris, Prancis) menggunakan perangkat lunak PAM-FORMnya untuk mengantisipasi masalah apa pun selama preforming dan untuk menghasilkan cut awal untuk organosheet mentah.

"Simulasi menunjukkan deformasi bengkok karena ketebalan organosheet yang tinggi dan radius ketat dalam geometri casing, menyebabkan kerutan pada preform," kata Rademacher. "Jadi, kami memodifikasi radius desain dan mengurangi ketebalan organosheet menjadi 4 mm. Ini saat kami menunjukkan bahwa lapisan 45° yang lebih tebal harus digunakan, namun kami tidak bisa mendapatkan organosheet semacam itu dari pemasok. Kami memutuskan untuk mempertahankan susunan quasi-isotropik namun menerapkan UD 45° di atas untuk mengaktifkan pengurangan ketebalan, sambil mempertahankan kekakuan."

Tim menggunakan 12 lapisan tape serat karbon/PA6 CETEX TC910 lebar 25,4 mm dan tebal 0,16 mm dan menjalankan ulang simulasi stempel. Ini menunjukkan bahwa UD tapes yang bersilang melorot dari posisi selama stempel. Untuk mengatasi ini, slot dirancang dalam alat stempel untuk mengunci UD tapes pada posisi.

Proses cetak di atas juga disimulasikan, dilakukan oleh Shapers menggunakan perangkat lunak MoldFlow Autodesk (San Rafael, CA, AS), dan juga perangkat lunak Moldex3D dari CoreTech System Co. Ltd. (Chupei City, Taiwan). Satu manfaat dari cetak di atas adalah pencegahan korosi galvanik. Compound molding terisi serat kaca pendek memberikan isolasi antara perekat aluminium dan serat karbon di organosheet. Dengan demikian, tidak ada aditif, sealant atau coating tambahan yang diperlukan.

Setelah menyelesaikan simulasi ini, proses manufaktur difinalisasi sebagai berikut (lihat Fig. 2):

1. Organosheet dipotong dan ditumpuk dalam layanan quasi-isotropik;
2. Stack laminat dan UD tapes ditempatkan dalam frame yang mempertahankan posisi tape;
3. Pemanas inframerah melelehkan matriks termoplastik ke 240-260°C;
4. Frame dengan material preform dipindahkan ke press stempel dan alat (pemanasan awal ke 90-110°C);
5. Preform dicetak stempel (waktu siklus 5 detik);
6. Preform yang dikonsolidasikan dipotong menjadi bentuk akhir menggunakan sistem pemotong air;
7. Bearing shaft dan insert screw ditempatkan dalam alat cetak di atas sementara preform yang dipotong dipanaskan kembali;
8. Preform dan insert dicetak di atas (waktu siklus 2 menit termasuk penempatan dan pengelolaan manual);
9. Flange dan kursi bearing bagian akhir dirajin ke toleransi yang diizinkan.

Prototipe dan sukses proses

Setengah pertama prototipe casing gearbox komposit diproduksi dan dipamerkan di JEC World 2017. Kemudian diuji untuk memvalidasi simulasi FEM. Prototipe menunjukkan properti mekanis yang baik, sambil mengurangi berat menjadi 4 kg dari 5,8 kg untuk dasar aluminium, penghematan berat sekitar 30 persen. Biaya cover prototipe setengah pertama ini diperkirakan sebesar €50-80, dengan organosheet sebagai komponen termahal.

Proyek ini juga sukses dalam prototipe bagaimana kumpulan perusahaan ini bekerja sama untuk menyediakan desain ulang komposit. "Latar belakang kami di ARRK Engineering adalah simulasi untuk bagian komposit kecil namun tidak dalam menggunakan organosheet," ingat Rademacher. Shapers memiliki pengalaman luas dengan injeksi dan pengembangan alat cetakan, namun juga tidak memiliki latar belakang organosheet. Tim ARRK yang bekerja pada simulasi organosheet adalah ahli dalam simulasi komposit, namun pekerjaan sebelumnya mereka telah di penerbangan. "Kami berdiskusi dengan tim setiap minggu," kata Rademacher. "Saya dari departemen powertrain, jadi lebih pada sisi logam, namun sebagai pemimpin proyek, saya harus menggabungkan dunia logam dan komposit ini. Kami para pria logam berpikir, 'Mengapa lakukan dalam komposit?' sementara para pria komposit berpikir, 'ini mudah dilakukan dalam komposit.' Kami terlalu skeptis, dan mereka terlalu optimis, jadi baik untuk bekerja bersama. Kami telah belajar banyak dan telah mengembangkan proses desain yang sangat efisien." Dia membandingkan proses ARRK dengan metode yang lebih umum untuk mengembangkan satu desain, menggunakan simulasi yang lebih sedikit dan kemudian mencoba mengoptimalkan melalui pembuatan prototipe berulang. "Kami melihat bahwa lebih efisien untuk memulai dengan beberapa desain dan menyaringnya menggunakan simulasi, dan kemudian mengoptimalkan desain lebih lanjut sebelum prototipe. Membutuhkan waktu di awal untuk melakukan pemodelan ini, namun lebih sedikit waktu selama prototipe, sehingga lebih murah." Rademacher menujukkan bahwa karena waktu dan biaya untuk produksi alat baru, "Selalu lebih mahal untuk memproduksi sepuluh bagian prototipe dibandingkan sepuluh model simulasi."

Tantangan dan langkah selanjutnya

Tim juga mengatasi tantangan manufaktur yang signifikan. "UD tapes dalam kombinasi dengan laminat organosheet sembilan lapisan memiliki area di mana tidak dikonsolidasikan," catat Rademacher. "Ini sebagian karena udara antara tape dan organosheet dan juga mempengaruhi penempelannya setelah cetakan. Penyumbang lain adalah distribusi suhu yang tidak homogen di seluruh organosheet. Tampak bagus dalam pengukuran kami, namun sedikit lebih dingin di tepi luar, yang menyebabkan area kecil kegagalan matriks di struktur luar. Jadi, kami telah belajar banyak tentang pemodelan dan cetakan aktual bagian organosheet."

Langkah selanjutnya dalam proyek adalah untuk memprototipe setengah kedua casing gearbox dan memvalidasi kekakuan rangkaian lengkap. Tim juga bekerja untuk menghapus langkah pemotong air sehingga stack preform dapat segera dicetak di atas setelah stempel. "Karena kami telah mengubah proses, kami masih bekerja pada cover kedua," kata Rademacher. "Tantangan terbesar bagi kami sekarang adalah mencapai harga yang dapat diterima oleh klien. Kami melihat serat kaca dan matriks polyphenylene amide (PPA), yang terakhir memungkinkan performa yang lebih tinggi pada suhu tinggi sambil mengurangi ketebalan organosheet lebih lanjut. Kami tidak akan menggunakan kain benang namun mungkin tape yang ditumpuk untuk membantu memenuhi kekakuan yang diizinkan."