Komposit termoplastik:Pemandangan indah

Sebuah tim di Prancis yang 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 serbaguna (MPV) yang diproduksi oleh Groupe Renault (Boulogne-Billancourt), perubahan tersebut menghemat berat, biaya dan perkakas, menghilangkan perangkat keras dan beberapa langkah pemrosesan, menyederhanakan pemasangan jalur perakitan, mengurangi kebisingan pengoperasian dan membebaskan 13 mm ruang kepala tambahan antara penumpang kendaraan dan panel kaca sunroof.

Umum di Eropa tetapi jarang di Amerika Utara, modul sunroof roller-blind biasanya digunakan untuk menutupi sistem atap kaca tetap - seringkali atap panorama besar yang menjangkau hampir seluruh lebar dan panjang garis atap kendaraan. Saat digunakan, mereka memiliki fungsi yang hampir sama dengan kerai kaku pada kendaraan Amerika Utara, menghalangi sinar matahari berlebih dan meredam kebisingan dari hujan dan angin. Mereka terdiri dari kain tipis namun ringan yang membuka gulungan dan menyebar di sepanjang trek bermotor, dan kemudian digulung lagi di sekitar poros yang ditempatkan di bawah headliner di bagian belakang atap pada interior kendaraan.

Perakitan 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 yang besar dan transparan, yang biasanya menjangkau hampir seluruh panjangnya. dan lebar atap mobil. Rel pemandu ini, dipasang di sepanjang sisi pengemudi dan penumpang di atap, berfungsi ganda pada sistem sunroof roller-blind karena mereka membentuk permukaan geser di mana roller blind kain bermotor bergerak saat naungan digulung untuk memungkinkan lebih banyak cahaya masuk. interior kendaraan, atau saat digunakan untuk mengurangi cahaya itu. Tidak seperti kerai kaku yang umum di Amerika Utara, saat ditarik, kerai roller-blind mengambil sedikit ruang di bawah headliner di mana mereka tidak dapat dilihat oleh penumpang kendaraan, namun tetap memberikan isolasi termal yang sama dari matahari dan isolasi suara dari angin dan hujan yang kerai yang kaku.

Proses manufaktur konvensional untuk rel aluminium dimulai dengan profil aluminium penampang yang konstan dan memerlukan proses penggilingan dan penyelesaian multi-langkah yang padat karya untuk mencapai bentuk rel yang rumit:

• memotong memanjang,
• membentuk lipatan kecil melalui stamping dan punching,
• membentuk kurva,
• bentuk kompleks pemesinan/menggiling yang tidak dapat dibentuk sebelumnya melalui alat stamping (memerlukan satu perangkat/operasi dan satu pemeriksaan kontrol kualitas setelah setiap langkah),
• rel anodisasi dalam warna hitam atau alami,
• dan merakit klip kabel listrik, klip kabel spiral, pin dan mur pemosisian/pusat.

Setiap merek dan model kendaraan penumpang menggunakan bentuk dan panjang rel yang sedikit berbeda, sehingga produsen sunroof harus memproduksi dan menyimpan persediaan yang signifikan selama menjalankan produksi modul sunroof yang diberikan. Dan ketika model baru ditambahkan, perkakas baru diperlukan kecuali jika kendaraan berbagi bagian yang sama dengan modul untuk sistem sunroof model yang ada.

Rel pemandu aluminium tidak hanya padat karya dalam produksi di pabrik sunroof, tetapi juga selama pemasangan di pabrik perakitan kendaraan. Secara konvensional, rel dikencangkan secara manual melalui sekrup ke BIW. Kemudian modul sunroof dilewatkan melalui ruang kaca depan dan dimuat dari bawah ke bukaan di atap tempat operator mengamankannya ke rel yang baru dipasang. Terakhir, atap kaca itu sendiri diikat, melalui perekat struktural, ke bagian atas mobil, menyegel modul sunroof dan interior kabin.

Meskipun rel aluminium mewakili teknologi yang sudah dikenal dan mapan, mereka memiliki kelemahan. Pertama, aluminium adalah bahan baku yang mahal dan lebih menantang daripada baja untuk dibengkokkan menjadi bentuk yang kompleks. Di sisi lain, untuk melindungi lingkungan, pembuangan bahan kimia anodizing yang digunakan untuk mencegah korosi merupakan biaya tambahan yang signifikan. Seperti yang dijelaskan di atas, proses pembuatannya panjang dan rumit serta biaya perkakasnya tinggi. Selain itu, upaya untuk meningkatkan fungsionalitas memerlukan penggunaan perangkat keras tambahan yang diterapkan melalui langkah perakitan tambahan.

Konsep rel baru

Berdasarkan konversi sukses lainnya dari rangka sunroof dari aluminium menjadi komposit pada sistem sunroof kaca bergerak dengan format yang jauh lebih kecil, sebuah tim di Webasto memutuskan untuk melakukan penelitian untuk melihat apakah rel samping yang jauh lebih besar pada sistem roller-blind sunroof juga bisa diubah menjadi komposit. (Balok silang depan dan belakang telah diubah menjadi komposit — biasanya polypropylene yang diperkuat kaca (GR-PP) — pada sistem semacam itu.) Tujuannya adalah untuk menambah fungsionalitas, mengurangi langkah manufaktur, jumlah suku cadang, biaya dan berat suku cadang, namun masih memenuhi persyaratan kinerja OEM.

Tim mulai dengan mempelajari fungsionalitas rel pemandu dan kondisi pengoperasian serta mengidentifikasi fitur paling penting dari rel sebagai kemampuannya untuk memfasilitasi pergerakan mulus dari kerai bermotor dengan gaya yang sama dari depan ke belakang dan kiri ke kanan di sepanjang jalur lintasan. . Untuk mencapai itu, rel membutuhkan geometri yang tepat dan penampang yang konstan di sepanjang panjangnya, yang bisa lebih besar dari satu meter. Selain itu, rel harus cukup struktural untuk menyediakan koneksi yang aman ke komponen sunroof/modul lainnya, termasuk balok silang sunroof depan dan belakang dan struktur atap itu sendiri, mekanisme motor, kaca atap, dan headliner. Untuk memenuhi persyaratan OEM, kerai bermotor harus beroperasi pada tingkat kebisingan geser yang rendah untuk mengurangi kebisingan/getaran/kekerasan (NVH) di interior kabin.

Pemindaian komposit otomotif yang umum digunakan dengan cepat menghilangkan yang memiliki matriks termoset dan termoplastik yang disukai. Dibandingkan dengan komposit termoplastik, yang dibasahi dengan termoset cenderung memiliki kepadatan yang lebih tinggi, memiliki siklus pencetakan yang lebih lambat dan membutuhkan penyelesaian pasca-cetakan yang lebih banyak. Lebih lanjut, termoplastik yang dapat dicairkan menawarkan opsi perakitan bebas perekat dan pengikat antara rel atas dan bawah dan sangat menyederhanakan daur ulang akhir masa pakai. Plus, termoset memperkenalkan kekhawatiran tentang kemungkinan fogging dan emisi senyawa organik volatil (VOC), yang diatur secara ketat untuk interior kendaraan di Uni Eropa.

Karena persyaratan OEM untuk kontrol dimensi yang sangat ketat — terutama untuk menghindari lengkungan, yang akan menghambat kelancaran pengoperasian kerai — poliamida, polipropilen (PP) dan poliester termoplastik dihilangkan. Karena rel aluminium memerlukan pelumas untuk pengoperasian kerai yang mulus, dan karena insinyur Webasto belum yakin apakah pelumas akan dibutuhkan pada rel komposit, polikarbonat dihilangkan karena ketahanan kimianya yang buruk dan kecenderungan retak tegangan. Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) ditolak karena persyaratan termal sunroof 110°C.

Tim Webasto sebelumnya telah menggunakan fiberglass-reinforced styrene maleic anhydride/ABS (GR-SMA/ABS) untuk rangka sunroof kaca bergerak, sehingga memfokuskan perhatian pada bahan ini, yang telah digunakan di industri otomotif selama beberapa dekade untuk panel instrumen. substrat. GR-SMA/ABS berdensitas rendah, kaku dan kuat, memiliki lengkungan yang sangat rendah dan deformasi yang rendah pada rentang suhu dan tingkat kelembaban yang luas. Karena amorf, tidak ada masalah dengan kristalisasi dan penyusutan pasca-cetakan. Selain itu, bahan ini dapat diproses ulang, dilas dengan baik, dan komponen anhidrida maleatnya memastikan kekuatan ikatan yang tinggi ke berbagai substrat, termasuk perekat struktural poliuretan yang digunakan untuk menyambungkan atap kaca ke modul sunroof.

Webasto beralih ke pemasok resin GR-SMA/ABS Polyscope Polymers BV (Geleen, Belanda) untuk menyarankan nilai yang akan berhasil. Polyscope menyediakan dua kemungkinan — 15%-GR XIRAN SGH30EB dan 30%-GR XIRAN SGH60EB — yang kemudian menjalani pengujian lab skala kecil di Webasto. Kelas 30%-GR lebih kaku, tetapi modulus E yang lebih tinggi tidak diperlukan untuk memastikan kelancaran pengoperasian tabir surya. Pengujian menunjukkan bahwa grade 15%-GR akan memenuhi target sifat mekanik, sehingga tim memilih untuk menggunakan material tersebut, tidak hanya untuk rel sisi kiri dan kanan tetapi juga untuk balok silang depan. Balok silang belakang tetap di GR-PP.

Keputusan selanjutnya adalah proses apa yang digunakan untuk memproduksi rel. Awalnya, ekstrusi profil dipertimbangkan karena dapat menghasilkan bentuk berongga dan padat, dan secara fungsional menyerupai proses yang digunakan untuk menghasilkan profil aluminium. Ini juga merupakan proses yang berkelanjutan, cukup cepat untuk memenuhi persyaratan produksi, namun biaya perkakasnya relatif rendah. Sayangnya, para peneliti khawatir bahwa ekstrusi tidak akan menghasilkan permukaan interior yang cukup halus dari resin yang diperkuat serat untuk memungkinkan kerai bergerak dengan mulus dan tenang di sepanjang lintasan. Selain itu, proses tersebut akan membatasi kemampuan untuk mengubah geometri profil di sepanjang rel untuk menggabungkan integrasi yang lebih fungsional tanpa menambahkan perangkat keras (seperti pin dan klip tambahan) selama langkah pasca-pemrosesan.

Proses lain yang dipertimbangkan adalah injection moulding, yang dapat menghasilkan struktur 3D yang sangat kompleks dengan hasil akhir yang halus dan estetika yang tinggi dengan cepat, tepat dan dengan pengulangan dan reproduktifitas (R&R) yang sangat baik. Selain itu, ini memungkinkan lubang, guntingan, snap-fit, dan bahkan klip untuk dicetak, mengurangi penyelesaian sekunder.

Untuk aplikasi target, kelemahannya adalah bahwa cetakan injeksi tidak dapat menghasilkan struktur berongga dalam satu langkah (mengharuskan setiap rel dicetak menjadi dua bagian dan kemudian digabungkan.) Selain itu, perkakas bisa mahal.

Tim menetapkan cetakan injeksi dengan tujuan menggabungkan beberapa bagian dalam satu alat keluarga untuk mengurangi biaya perkakas.

Pembuktian konsep

Dengan konsep dasar yang tampak menjanjikan, tim pengembangan diperluas untuk mencakup OEM Groupe Renault dan pembuat ARRK-Shapers (La Séguinière, Prancis). Tujuannya adalah untuk merancang sistem rel komposit untuk modul sunroof kaca tetap roller-blind pada model tahun 2016 Renault Scenic (lima tempat duduk) dan Grand Scenic (tujuh tempat duduk) kendaraan serbaguna (MPV). Tim memutuskan untuk merancang setiap rel untuk memasukkan integrasi fungsional tingkat tinggi, untuk memiliki simetri cermin antara rel untuk sisi kiri dan kanan dan agar desain mengakomodasi standar (sedan/saloon/lima tempat duduk) dan panjang (kereta/perkebunan). model kendaraan mobil/tujuh tempat duduk. Aspek desain tim kini tercakup dalam tiga paten.

Untuk menjaga biaya perkakas tetap terkendali, tim mengoptimalkan desain cetakan untuk memungkinkan bagian atas dan bawah dari kedua rel kiri dan kanan, balok silang depan, ditambah tiga potong antarmuka pengikat yang terhubung ke balok silang GR-PP belakang ( dicetak secara terpisah) untuk diproduksi dalam setiap siklus. Langkah penghematan biaya lainnya adalah penggunaan blok modular ARRK-Shapers (yang dimasukkan/dilepas untuk menjalankan versi rel panjang dan pendek) daripada slide perkakas yang mahal. Untuk mencetak kedelapan komponen GR-SMA/ABS dalam satu keluarga perkakas yang besar, diperlukan mesin pres injeksi dengan gaya klem 1.500 kN. Pengelasan ultrasonik dipilih untuk menggabungkan rel atas dan bawah, dan jig perakitan khusus dirancang dan dibuat.

Fase pembuatan prototipe dan pengujian memungkinkan tim untuk menyelesaikan desain rel, mengantisipasi tantangan produksi, dan memastikan suku cadang akan lulus uji validasi Renault, yang meliputi:

• Uji ketahanan selama 10.000 siklus hidup.
• Pengujian getaran tri-sumbu pada rentang suhu -20°C hingga 110°C pada kelembaban relatif (RH) 95%.
• Perputaran suhu dari 85 °C hingga -20 °C hingga 50 °C pada 95% RH hingga 110 °C.
• Kekuatan kupas dan kekuatan geser setelah ikatan perekat.
• Renault mengemudi uji kebisingan untuk NVH.
• Tes memutar "corkscrew".
• Kecepatan pengoperasian roller-blind minimal 75 mm/dtk pada 23°C dicapai setelah setiap pengujian.

“Gagasan untuk mengubah rel pemandu aluminium ekstrusi menjadi solusi plastik pada rollerblind sunroof adalah ide Webasto dan telah dipatenkan sejak lama,” jelas Jacques Vivien, R&D Webasto, desain untuk biaya, pakar industri. “Namun, hingga saat ini, tidak ada plastik rekayasa yang memenuhi persyaratan berat untuk fungsi ini.” Dia mengingatkan kita bahwa calon plastik harus memenuhi persyaratan untuk akurasi dimensi; stabilitas dari waktu ke waktu, ketahanan terhadap perubahan suhu dan kelembaban; mempertahankan kekakuan dan kemampuan geser; menunjukkan daya ikat yang sangat baik; dan lakukan semua itu dan tetap hemat biaya. “Kami sangat senang dengan pemilihan XIRAN SGH30EB dari Polyscope, yang membuat proyek ini sukses penuh bagi semua orang yang terlibat.”

Melebihi ekspektasi

Dengan lebih dari dua tahun pembuatan dan penjualan, rel pemandu komposit berkinerja seperti yang diperkirakan dan banyak manfaat telah terlihat di tingkat tingkat, OEM, dan pelanggan. Misalnya, alat pintar ARRK-Shapers telah memangkas biaya yang signifikan dari program ini. Penggunaan desain oleh Webasto dengan integrasi fungsional yang jauh lebih besar daripada perakitan aluminium lawas, dan pilihan cetakan injeksi untuk membuat struktur kompleks dalam satu tembakan menghilangkan perangkat keras dan penyelesaian pasca cetakan, juga mengurangi biaya. Produksi rel saja dikurangi dari tujuh langkah menjadi dua.

Di pabrik perakitan Renault, sistem sunroof baru, termasuk roller blind, telah dirakit dan diuji sepenuhnya sebagai unit satu bagian yang diikat secara robotik ke atap, menghilangkan dua hingga tiga langkah perakitan dan memungkinkan operator untuk dipindahkan, mengurangi biaya dan waktu lebih jauh. Dilaporkan, pengurangan biaya sistem awal adalah sekitar 20%, tetapi modul baru memiliki lebih sedikit suku cadang, yang diharapkan dapat mengurangi biaya garansi jangka panjang seperti yang ditunjukkan oleh cacat bagian per juta (PPM) yang lebih rendah dan kualitas yang lebih tinggi terlihat di Renault. Manfaat lain dari rel komposit baru adalah pengurangan tumpukan elemen sumbu Z>13 mm dicapai karena seluruh modul direkatkan langsung ke BIW alih-alih proses dua hingga tiga langkah konvensional, di mana rel diikat dengan sekrup ke BIW dan modul kemudian diikat ke rel. Ini tidak hanya menyediakan lebih banyak ruang kerja di jalur perakitan untuk pekerja, tetapi juga memberikan ruang kepala lebih banyak bagi penumpang kendaraan yang lebih tinggi. Peningkatan halus lainnya adalah bahwa NVH berkurang selama operasi kerai untuk membuka atau menutup bukaan siang hari yang besar pada kedua model kendaraan. Seperti aluminium, rel komposit dapat didaur ulang sepenuhnya, tetapi lebih sedikit energi yang dibutuhkan untuk memproduksinya pada awalnya dan mendaur ulangnya di akhir masa pakai kendaraan, yang, bisa dibilang, juga membuatnya lebih baik bagi lingkungan. (Menariknya, tim juga menemukan bahwa tidak diperlukan pelumas pada rel komposit untuk pengoperasian kerai yang andal.)

“Ketika Jacques Vivien dari Webasto France pertama kali memberi tahu saya bahwa dia sedang mempertimbangkan untuk mengganti rel pemandu aluminium dengan komposit SMA pada modul sunroof roller-blind, saya pikir itu mungkin sedikit tantangan, tetapi layak untuk diambil kesempatannya,” catat Henri- Paul Benichou, manajer pengembangan bisnis dan penjualan Polyscope. “Aplikasi inovatif ini terbukti sukses secara teknis dan industri, memberikan banyak manfaat bagi pemasok, bagi Renault, dan bagi pelanggan Renault.”