Merevolusi Desain Sunroof dengan Rel Panduan Komposit Termoplastik

Tim di Prancis dipimpin oleh Webasto SC di Les Châtelliers-Chateaumur telah mengembangkan modul sunroof kaca tetap, roller-blind baru yang, untuk pertama kalinya, menggunakan rel panduan komposit termoplastik untuk menggantikan rel aluminium konvensional. Pertama kali dikomersialkan pada beberapa kendaraan multi-purpose (MPV) yang diproduksi oleh Groupe Renault (Boulogne-Billancourt), perubahan ini menghemat bobot, biaya dan alat, menghilangkan hardware dan banyak langkah pemrosesan, menyederhanakan instalasi garis produksi, mengurangi kebisingan operasional dan membebaskan 13 mm headroom tambahan antara penumpang kendaraan dan panel kaca sunroof.

Umum di Eropa namun tidak umum di Amerika Utara, modul sunroof roller-blind biasanya digunakan untuk menutup sistem atap kaca tetap — seringkali atap panoramis besar yang mencakup hampir seluruh lebar dan panjang garis atap kendaraan. Saat diterapkan, mereka memiliki fungsi yang hampir sama seperti sunshade rigid pada kendaraan Amerika Utara, memblokir sinar matahari berlebihan dan meredam kebisingan dari hujan dan angin. Mereka terdiri dari kain tipis namun memblokir cahaya yang menggulung dan diterapkan sepanjang trek motor, lalu digulung kembali di sekitar spindel yang ditempatkan di bawah headliner di bagian belakang atap di interior kendaraan.

Assemble sunroof konvensional

Industri otomotif secara historis menggunakan rel aluminium untuk menghubungkan modul roller blind sunroof ke struktur atap body-in-white (BIW), terutama dalam kasus sistem sunroof kaca tetap besar dan transparan, yang biasanya mencakup hampir seluruh panjang dan lebar atap mobil. Rel panduan ini, dipasang di sisi pengemudi dan penumpang atap, berfungsi ganda pada sistem sunroof roller-blind karena mereka membentuk permukaan geser di mana kain roller blind motoris berjalan saat shade digulung untuk memungkinkan lebih banyak cahaya ke dalam interior kendaraan, atau saat diterapkan untuk mengurangi cahaya tersebut. Berbeda dengan sunshade rigid yang umum di Amerika Utara, saat diarahkan, sunshade roller-blind mengambil sedikit ruang di bawah headliner di mana tidak dapat dilihat oleh penumpang kendaraan, namun tetap memberikan isolasi termal yang sama dari matahari dan isolasi suara yang sama dari angin dan hujan seperti sunshade rigid.

Proses manufaktur konvensional untuk rel aluminium dimulai dengan profil aluminium cross-section konstan dan memerlukan proses milling dan finishing yang intensif tenaga kerja dan mult-langkah untuk mencapai bentuk kompleks rel:

• pemotongan ke panjang,
• pembentukan lipatan kecil melalui stempel dan punch,
• pembentukan kurva,
• mesin/milling bentuk kompleks yang tidak dapat dibentuk sebelumnya melalui alat stempel (memerlukan satu set alat/operasi dan satu pemeriksaan kontrol kualitas setelah setiap langkah),
• anodizing rel dalam hitam atau warna alami,
• dan merakit klip kabel listrik, klip kabel spiral, pin centering/positioning dan nut.

Setiap merk dan model mobil passenger menggunakan bentuk dan panjang rel yang sedikit berbeda, jadi produsen sunroof harus memproduksi dan menyimpan inventaris yang signifikan selama run produksi modul sunroof tertentu. Dan saat model baru ditambahkan, alat baru diperlukan kecuali kendaraan berbagi bagian umum dengan modul untuk sistem sunroof model yang ada.

Rel panduan aluminium tidak hanya intensif tenaga kerja dalam produksi di produsen sunroof, tetapi juga selama instalasi di pabrik assemble kendaraan. Konvensional, rel secara manual disegel dengan sekrup ke BIW. Lalu modul sunroof dilewatkan melalui bay kaca depan dan dimuat dari bawah ke dalam pembukaan di atap tempat operator mengamankan ke rel yang baru diinstal. Terakhir, atap kaca itu sendiri dilem, melalui adhesive struktural, ke bagian atas mobil, menyelimuti modul sunroof dan interior kabin.

Meskipun rel aluminium mewakili teknologi yang diketahui dan established, mereka memiliki kelemahan. Untuk satu, aluminium adalah bahan baku yang mahal dan lebih sulit dibentuk menjadi bentuk kompleks dibandingkan baja. Untuk yang lain, untuk melindungi lingkungan, pembuangan kimia anodizing yang digunakan untuk mencegah korosi adalah biaya tambahan yang signifikan. Seperti yang dijelaskan di atas, proses manufaktur panjang dan rumit dan biaya alatnya tinggi. Juga, upaya untuk meningkatkan fungsionalitas memerlukan penggunaan hardware tambahan yang diterapkan melalui langkah assemble tambahan.

Konsep rel baru

Berdasarkan konversi yang berhasil dari frame sunroof dari aluminium ke komposit pada sistem sunroof kaca Bergerak format yang jauh lebih kecil, tim di Webasto memutuskan untuk melakukan studi untuk melihat apakah rel sisi yang jauh lebih besar pada sistem sunroof roller-blind juga dapat dikonversi menjadi komposit. (Cross-beam depan dan belakang telah dikonversi menjadi komposit — biasanya polypropylene (GR-PP) teredukasi serat kaca — pada sistem tersebut.) Tujuannya adalah untuk menambahkan fungsionalitas, mengurangi langkah manufaktur, jumlah bagian, biaya dan bobot bagian, namun tetap memenuhi persyaratan performa OEM.

Tim mulai dengan mempelajari fungsionalitas rel panduan dan kondisi operasional dan mengidentifikasi fitur paling kritis dari rel sebagai kemampuan mereka untuk memfasilitasi gerakan halus sunshade motoris dengan gaya yang sama dari depan ke belakang dan dari kiri ke kanan sepanjang jalur trek. Untuk mencapai itu, rel memerlukan geometri yang presisi dan cross-section konstan sepanjang panjangnya, yang dapat lebih dari satu meter. Selain itu, rel harus cukup struktural untuk memberikan koneksi yang aman ke komponen sunroof/modul lainnya, termasuk cross-beam sunroof depan dan belakang dan struktur atap itu sendiri, mekanisme motor, kaca atap dan headliner. Untuk memenuhi persyaratan OEM, sunshade motoris harus beroperasi pada tingkat kebisingan geser yang rendah untuk mengurangi noise/vibration/harshness (NVH) di interior kabin.

Pemindaian komposit otomotif yang umum digunakan dengan cepat menghilangkan yang memiliki matriks termoset dan mendukung termoplastik. Dibandingkan komposit termoplastik, yang basahi dengan termoset cenderung lebih tinggi densitas, memiliki siklus cetak yang lebih lambat dan memerlukan lebih banyak finishing setelah cetak. Selain itu, termoplastik yang dapat dilelehkan menawarkan opsi assemble bebas adhesive dan fastener antara rel atas dan bawah dan sangat menyederhanakan daur ulang akhir masa pakai. Selain itu, termoset menimbulkan khawatir tentang kemungkinan fogging dan emisi senyawa organik mudah uap (VOC), yang diatur ketat untuk interior kendaraan di Uni Eropa.

Karena persyaratan OEM untuk kontrol dimensi yang sangat ketat — terutama untuk menghindari keriting, yang akan menghalangi operasi halus sunshade — polyamide, polypropylene (PP) dan polyester termoplastik dihilangkan. Karena rel aluminium memerlukan lem untuk operasi halus sunshade, dan karena engineer Webasto belum yakin apakah pelumas akan diperlukan pada rel komposit, polycarbonate dihilangkan karena resistensi kimia yang buruk dan kecenderungan retak stres. Akrylonitrile butadiene styrene (ABS) ditolak karena persyaratan termal sunroof 110°C.

Tim Webasto sebelumnya telah menggunakan styrene maleic anhydride/ABS teredukasi serat kaca (GR-SMA/ABS) untuk frame sunroof kaca Bergerak, jadi mereka memfokuskan perhatian pada material ini, yang telah digunakan di industri otomotif selama bertahun-tahun untuk substrat panel instrumen. GR-SMA/ABS adalah rendah densitas, kekakuan dan kuat, memiliki keriting sangat rendah dan deformasi rendah melalui rentang suhu dan kelembaban yang luas. Karena ia amorfa, tidak ada khawatir dengan kristalisasi dan penyusutan setelah cetak. Selain itu, ia dapat diproses ulang melalui leleh, di-sol dengan baik dan komponen maleic anhydride-nya memastikan kekuatan ikatan yang tinggi terhadap berbagai substrat, termasuk adhesive struktural polyurethane yang digunakan untuk menggabungkan kaca atap ke modul sunroof.

Webasto beralih ke supplier resin GR-SMA/ABS-nya Polyscope Polymers BV (Geleen, Belanda) untuk menyarankan grade yang akan bekerja. Polyscope menyediakan dua kemungkinan — 15%-GR XIRAN SGH30EB dan 30%-GR XIRAN SGH60EB — yang kemudian diuji laboratorium skala kecil di Webasto. Grade 30%-GR lebih kekakuan, tetapi E modulus yang lebih tinggi tidak diperlukan untuk memastikan operasi halus sunscreen. Tes menunjukkan grade 15%-GR akan memenuhi target properti mekanis, jadi tim memilih untuk menggunakan material tersebut, tidak hanya untuk rel kiri dan kanan tetapi juga untuk cross-beam depan. Cross-beam belakang tetap dalam GR-PP.

Keputusan berikutnya adalah proses apa yang akan digunakan untuk memproduksi rel. Awalnya, profile extrusion dipertimbangkan karena dapat menghasilkan bentuk hollow dan solid, dan secara fungsional mirip dengan proses yang digunakan untuk menghasilkan profil aluminium. Ini juga proses berkelanjutan, cukup cepat untuk memenuhi persyaratan produksi, namun biaya alatnya relatif rendah. Sayangnya, peneliti khawatir bahwa extrusion tidak akan menghasilkan permukaan interior yang cukup halus dari resin teredukasi serat untuk memungkinkan sunshade bergerak dengan halus dan tenang di sepanjang track. Juga, proses akan membatasi kemampuan untuk mengubah geometri profil sepanjang panjang rel untuk mengintegrasikan lebih banyak fungsionalitas tanpa menambahkan hardware (seperti pin dan klip tambahan) selama langkah finishing pasca-cetak.

Proses lain yang dipertimbangkan adalah injection molding, yang dapat menghasilkan struktur 3D yang sangat kompleks dengan finishing halus dan estetika tinggi dengan cepat, presisi dan dengan repeatability dan reproducibility (R&R) yang baik. Selain itu, memungkinkan lubang, cutout, snap-fit dan bahkan klip untuk dicetak, mengurangi finishing sekunder.

Untuk aplikasi target, kelemahan adalah injection molding tidak dapat menghasilkan struktur hollow dalam satu langkah (memaksa setiap rel dicetak dalam dua potongan dan kemudian digabung.) Juga, alat dapat mahal.

Tim memutuskan pada injection molding dengan tujuan untuk menggabungkan beberapa bagian dalam alat keluarga untuk mengurangi biaya alat.

Pembuktian konsep

Dengan konsep dasar yang menjanjikan, tim pengembangan diperluas untuk melibatkan OEM Groupe Renault dan molder ARRK-Shapers (La Séguinière, Prancis). Tujuannya adalah merancang sistem rel komposit untuk modul sunroof roller-blind kaca tetap pada mobil multi-purpose (MPV) tahun model 2016 Renault Scenic (penumpang lima) dan Grand Scenic (penumpang tujuh). Tim memutuskan untuk merancang setiap rel untuk menyertakan tingkat integrasi fungsional yang tinggi, untuk memiliki simetri cermin antara rel untuk sisi kiri dan kanan dan untuk desain untuk mengakomodasi model kendaraan standar (sedan/saloon/penumpang lima) dan panjang (wagon/estate car/penumpang tujuh). Aspek desain tim kini tercakup dalam tiga paten.

Untuk menjaga biaya alat tetap dapat dikelola, tim mengoptimalkan desain cetakan untuk memungkinkan bagian atas dan bawah dari rel kiri dan kanan, cross-beam depan, plus tiga potongan bonding interface yang terhubung ke cross-beam GR-PP belakang (dicetak terpisah) untuk diproduksi dalam setiap siklus. Langkah penghemat biaya lain adalah penggunaan blok modular oleh ARRK-Shapers (yang dimasukkan/dikeluarkan untuk menjalankan versi rel panjang dan pendek) daripada slide alat yang mahal. Untuk mencetak semua delapan komponen GR-SMA/ABS dalam alat keluarga besar, diperlukan press injeksi dengan gaya klem 1.500 kN. Ultrasonic welding dipilih untuk menggabungkan rel atas dan bawah, dan jig assemble khusus dirancang dan dibangun.

Fase prototyping dan pengujian memungkinkan tim untuk menyelesaikan desain rel, mengantisipasi tantangan produksi dan memastikan bagian akan lulus tes validasi Renault, yang meliputi:

• Tes daya tahan untuk 10.000 siklus umur.
• Tes getaran tri-axis pada rentang suhu -20°C hingga 110°C pada 95% kelembaban relatif (RH).
• Siklus suhu dari 85°C hingga -20°C hingga 50°C pada 95% RH hingga 110°C.
• Kekuatan peel dan kekuatan geser setelah bonding adhesive.
• Tes kebisingan berkendara Renault untuk NVH.
• Tes "corkscrew" rollover.
• Kecepatan operasi roller-blind setidaknya 75 mm/sec pada 23°C yang tercapai setelah setiap tes.

"Ide mengubah rel panduan aluminium yang di-extrude menjadi solusi plastik pada sunroof rollerblind adalah ide Webasto dan telah dipatenkan untuk waktu yang lama," menjelaskan Jacques Vivien, Webasto R&D, design to cost, industrial expert. "Namun, hingga baru-baru ini, tidak ada engineering plastic yang mencapai persyaratan yang sulit untuk fungsi ini." Dia mengingatkan kita bahwa calon plastik harus memenuhi persyaratan untuk akurasi dimensi; stabilitas seiring waktu, resistensi terhadap perubahan suhu dan kelembaban; mempertahankan kekakuan dan kemampuan geser; menunjukkan bondability yang baik; dan melakukan semua itu dan tetap kompetitif biaya. "Kami sangat senang dengan pilihan Polyscope's XIRAN SGH30EB, yang membuat proyek ini sukses penuh untuk semua yang terlibat."

Melebihi ekspektasi

Dengan lebih dari dua tahun manufaktur dan penjualan, rel panduan komposit berjalan seperti yang diprediksi dan banyak manfaat telah terlihat di tingkat tier, OEM dan pelanggan. Misalnya, alat cerdas ARRK-Shapers telah memotong biaya signifikan dari program. Penggunaan Webasto desain dengan integrasi fungsional yang jauh lebih tinggi daripada assemble aluminum legacy, dan pilihan injection molding untuk menciptakan struktur kompleks dalam satu shoot menghilangkan hardware dan finishing pasca-cetak, juga mengurangi biaya. Produksi rel saja dikurangi dari tujuh langkah menjadi dua.

Di pabrik assemble Renault, sistem sunroof baru, termasuk roller blind, tiba secara utuh dan telah diuji sebelumnya sebagai satu unit yang di-robot-bond ke atap, menghilangkan dua hingga tiga langkah assemble dan memungkinkan operator untuk dipindahkan tugas, mengurangi biaya dan waktu lebih lanjut. Reportedly, pengurangan biaya sistem awal sekitar 20%, tetapi modul baru memiliki bagian yang lebih sedikit, yang diharapkan akan mengurangi biaya garansi jangka panjang seperti yang ditunjukkan oleh lower parts per million (PPM) defects dan kualitas yang lebih tinggi yang terlihat di Renault. Manfaat lain dari rel komposit baru adalah bahwa pengurangan elemen tumpukan Z-axis >13 mm dicapai karena seluruh modul di-bond secara langsung ke BIW daripada proses konvensional dua hingga tiga langkah, di mana rel dipasang dengan sekrup ke BIW dan modul kemudian dipasang ke rel. Ini tidak hanya memberikan lebih banyak ruang kerja pada garis assemble untuk karyawan, tetapi juga memberikan lebih banyak ruang kepala untuk penumpang kendaraan yang lebih tinggi. Perbaikan halus lainnya adalah bahwa NVH berkurang selama operasi sunshade untuk membuka atau menutup pembukaan cahayahari besar pada kedua model kendaraan. Seperti aluminium, rel komposit sepenuhnya dapat didaur ulang, tetapi butuh energi lebih sedikit untuk memproduksi mereka awalnya dan untuk mendaur ulang mereka pada akhir masa pakai kendaraan, yang, bisa dikatakan, juga membuatnya lebih baik untuk lingkungan. (Menariknya, tim juga menemukan bahwa tidak perlu pelumas pada rel komposit untuk operasi sunshade yang andal.)

"Ketika Jacques Vivien dari Webasto France pertama kali memberitahu saya bahwa ia mempertimbangkan untuk mengganti rel panduan aluminium dengan komposit SMA pada modul sunroof roller-blind, saya pikir itu mungkin sedikit tantangan, tapi layak mengambil risiko," mencatat Henri-Paul Benichou, Polyscope's sales and business development manager. "Aplikasi inovatif ini terbukti merupakan kesuksesan teknis dan industri, memberikan banyak manfaat untuk supplier, untuk Renault dan untuk pelanggan Renault."