Конструкция скелета позволяет создать более конкурентоспособные составные автоструктуры

Поскольку производители стремятся снизить стоимость композитных компонентов, дизайнеры стремятся максимально эффективно использовать составляющие материалы, обеспечивая автоматическое производство и интеграцию множества функций. Для автомобильных приложений эта проблема усугубляется необходимостью сокращения продолжительности цикла до 1-2 минут.

Формование поверх преформ из непрерывного волокна - литье под давлением термопластичных композитов - рассматривается как возможное решение в течение многих лет. Например, в 2014 году в рамках проекта CAMISMA была продемонстрирована формованная композитная спинка сиденья (см. «Спинка автомобильного сиденья CAMISMA:гибридный композит для большого объема»). «Но этот подход был выведен на новый уровень, теперь достигается полностью автоматизированное производство термопластичных композитных структур BIW [body-in-white]», - объясняет д-р Кристоф Эбель, руководитель центра легких весов и приложений SGL Carbon (Висбаден, Германия). (LAC, Майтинген, Германия).

Это достижение стало возможным благодаря «каркасному» подходу к проектированию, который разрабатывался несколько лет. Как первый продемонстрированный в проекте MAI Skelett в 2015 году, процесс включает использование однонаправленного (UD) углеродного волокна термопласта пултрузии, которые подвергаются термоформованию и формованию в двухступенчатом 75-секундном процессе для производства конструктивного элемента крыши, который превышает все требования предыдущей версии. Он также объединяет зажимы для навесного оборудования и изменяет поведение при столкновении с хрупкого на вязкое разрушение для повышения остаточной прочности BIW (см. «Подробнее о процессе проектирования MAI Skelett»).

Демонстрация MAI Skelett

17-месячный проект MAI Skelett был поддержан Федеральным министерством образования и исследований Германии (BMBF) и завершен MAI Carbon, региональным подразделением Carbon Composites e.V. (Аугсбург) сеть. Под руководством BMW (Мюнхен, Германия) проект был сосредоточен на создании конкретного демонстратора:рамы лобового стекла, расположенной между двумя стойками А над стеклянным ветровым стеклом. Его дизайн был основан на нынешнем BMW i3 . структура, включая все функциональные и пространственные требования. Рама лобового стекла служит не только как поперечный элемент конструкции для крыши, но и выполняет другие функции:жесткость, что также снижает шум, вибрацию и жесткость (NVH); прочность (испытание на сжатие крыши) для соответствия требованиям при столкновении с аварией; крепление для компонентов интерьера (например, козырек, внутренняя отделка, жгут проводов для освещения и т. д.), а также опора для соединений с лобовым стеклом, люком и внешней панелью крыши.

Каркас ветрового стекла каркасной конструкции состоял из четырех армированных волокном UD пултрузионных стержней в углах детали, заключенных в формованную раму для обеспечения жесткости на кручение и функциональных креплений сложной формы. Не все пултрузионные профили находятся в одной плоскости, а вместо этого расположены на разной высоте:два находятся в нижней части 60-миллиметровой детали, а два - в верхней части.

Пултрузия как часть набора инструментов TP

Для рамы лобового стекла MAI Skelett было доработано квадратное поперечное сечение 10 на 10 миллиметров. Целью было использовать менее дорогие, тяжелые углеродные волокна. Однако выбранный жгут волокна 50K имеет плотную упаковку из множества нитей, что затрудняет пропитку смолой . «В общем, эту проблему можно решить за счет оптимизации направления и распределения волокон для достижения оптимальной пропитки и высокого объемного содержания волокон около 50 процентов по объему», - говорит менеджер по продукции SGL для термопластов Вероника Бюлер. SGL освоила эту технологию и теперь предлагает пултрузию как часть своего набора инструментов для термопластов. «Мы уже хорошо знакомы с полуфабрикатами благодаря нашим термопластичным лентам, которые также являются пултрузионными. Таким образом, мы смогли быстро адаптировать используемые в настоящее время технологии пултрузии для создания собственных профилей ». Процесс включает в себя качественные тесты на объем волокна, пористость и точность размеров. «Последнее очень важно из-за автоматизации и работы с роботами», - продолжает она. «Не может быть кривизны, например, из-за остаточного напряжения в пултрузионных профилях».

Помимо пултрузионного армирования, в MAI Skelett также были исследованы термопластические смолы. Различные типы полиамида 6 (PA6 или нейлон 6) были испытаны для определения необходимой вязкости и реологии для оптимизации качества и скорости пултрузии. SGL предложила ряд материалов для проекта через свой термопластический набор инструментов, который включает ленты UD, органолисты, рубленое волокно для коротких и длинных армированных волокнами соединений, а теперь и пултрузии, армированные UD, все на основе углеродных волокон SIGRAFIL 50K с размерами, подходящими для матрица из полипропилена (PP) и полиамидов, включая PA6 или in-situ PA6. «Очень важно согласовать волокна, размеры и матрицу для достижения оптимальных характеристик композитных структур», - говорит Бюлер.

Она также объясняет in-situ PA6:«Это когда вы взаимодействуете мономеры капролактама или отдельный мономер с катализатором и активатором, которые затем полимеризуются [образуют длинные полимерные цепи] во время формования композитной детали». Другими словами, капролактам полимеризуется in situ . в полиамид. Бюлер отмечает, что полиамиды как группа полимеров включают PA66 и PA12, а также некоторые типы PPA в качестве дополнительных вариантов матрицы.

Еще одним важным аспектом изготовления каркаса ветрового стекла является возможность термоформования термопластичных полуфабрикатов во время и после формования. Это обеспечивает дальнейшую функционализацию формы, а также соединение сплавлением во время формования. Оба они были важными факторами в дизайне демонстратора MAI Skelett.

Термоформование и повторное формование

Производство рамы лобового стекла MAI Skelett началось с пултрузионных профилей из углеродного волокна / PA6. Затем их нужно было изменить, чтобы приспособить форму компонента, а также нагрузку в разных точках. Для этого было выбрано термоформование, при этом основное внимание уделялось тому, чтобы высокая прочность и жесткость углеродного волокна могли быть реализованы только при сохранении его как можно более прямолинейного. Это было достигнуто, когда пултрузионные стержни были растянуты в направлении потока матрицы, а затем сплющены и согнуты на концах стержней (рис. 1).

Второй этап процесса заключался в помещении термоформованных пултрузионных профилей под инфракрасный нагреватель, чтобы они нагрелись до температуры менее чем за 50 секунд, с последующим переносом в форму для литья под давлением с использованием автоматизированной системы обработки, разработанной для этой цели. Все детали в рамках проекта были изготовлены на существующих термопластавтоматах. Затем на профили и вокруг них налили армированный волокном компаунд. Как в пресс-форме, так и в процессе повторного формования требовалась точность, чтобы удерживать четыре термоформованных пултрузионных стержня на месте.

Общее время цикла для двухэтапного процесса (термоформование и повторное формование предварительно изготовленных пултрузий) составляло примерно 75 секунд. «Поскольку термопластическая матрица переплавляется перед формованием повторно, это позволяет формировать и склеивать предварительно изготовленные и термоформованные стержни в готовую деталь за очень короткое время цикла», - объясняет Эбель. «Как правило, плавкость термопластов также позволяет соединяться даже с металлическими компонентами», - добавляет Бюлер, отмечая, что процессы термоформования и литья под давлением термопластов обеспечивают отличную воспроизводимость и контроль процесса, которые являются критическими факторами для крупносерийного производства.

Дуктильный разрыв

Профили PPA и PA6 с совместимыми формовочными смесями из стекловолокна и углеродного волокна были оценены, чтобы изучить более вязкий режим разрушения компонента. Хотя более пластичный режим разрушения снизил нагрузку, которую может передать рама ветрового стекла, он улучшил структурную целостность BIW в целом.

Методы анализа включали твердотельное моделирование, моделирование арматуры (геометрическое моделирование, при котором пултрузии действуют как арматурный стержень, усиливающий формовку) и моделирование с использованием элементов оболочки, а также различные их комбинации. Программное обеспечение включало решатель FE ABAQUS (Dassault Systèmes, Париж, Франция) и решатель параметров Dakota, разработанный Sandia National Laboratories (Альбукерке, Нью-Мексико, США). OptiStruct (Altair Engineering, Трой, Мичиган, США) использовался для оптимизации топологии.

Хотя BMW не указала предпочтительную комбинацию материалов в своем окончательном отчете по проекту, она пришла к выводу, что окончательные результаты моделирования и испытаний показали, что компоненты каркаса превзошла все требования, предъявляемые к нынешним деталям из углепластика (CFRP), за исключением жесткости на кручение, которая, как было установлено, не является ключевым фактором конструкции рамы ветрового стекла. Конструкция каркаса превышала как уровень нагрузки, так и поглощение энергии в случаях аварийной нагрузки по сравнению с текущей частью из углепластика. Ему также удалось добиться более пластичного режима разрушения, что еще больше улучшило не только характеристики разрушения композитной конструкции, но и понимание этих характеристик разрушения и того, как они соотносятся со структурой BIW в целом.

Будущие приложения для проектирования скелетов

В окончательном отчете MAI Skelett компания BMW отметила, что она определила шесть других компонентов автомобиля, которые могут выиграть от значительного сокращения затрат на производство, материалы и инструменты, обеспечиваемого использованием подхода каркасного проектирования. SGL Carbon предлагает применение как в автомобильных, так и в аэрокосмических конструкциях сидений, приборных панелях, роботизированных манипуляторах, рентгеновских столах и т. Д.

Однако подход к каркасному дизайну получил дальнейшее развитие, расширившись до многоосного подчеркнули компоненты в последующем проекте MAI Multiskelett (который проводился с сентября 2015 года по июнь 2017 года). Были рассмотрены области пересечения несущих компонентов и пултрузионных профилей, а также области введения высоких нагрузок, особенно для крупных конструктивных элементов, где пересекаются несколько основных путей нагрузки. Как и в предыдущем проекте Skelett, были исследованы конструкции компонентов и рентабельные серийные производственные линии.

Примером того, как конструкция каркаса может дополнительно оптимизировать существующие композитные компоненты, является передняя часть салона Carbon Carrier для электромобиля (рис. 2), разработанная SGL и специалистом по автомобильным технологиям Бертрандтом (Энинген, Германия) в 2017 году. Объединение всех основных функций и компонентов отделки Как и обычная приборная панель, Carbon Carrier был основан на термоформованном органо-листе в качестве несущей «основы» для придания жесткости. «В будущем эта деталь может быть заменена конструкцией с литыми поверхностями из термопластичных профилей», - говорит Эбель. «При этом будут пропущены операции обрезки, укладки и обрезки органолиста. Кроме того, поперечина устарела бы, потому что мы интегрировали бы ее как пултрузионные профили и отформовали бы их для достижения дизайна приборной панели. Эта формованная деталь также предоставит больше места и гибкости для размещения необходимых прикрепляемых элементов, а также винтов и зажимов для крепления этих элементов или кабелей и т. Д. »

Эбель признает, что это было бы огромным изменением конструкции, «но оно снижает стоимость и делает весь компонент более эффективным». Он отмечает, что можно разработать процесс, практически безотходный, без отходов, потому что профили нарезаются точно по длине по мере необходимости, и армирование углеродным волокном не теряется на этих этапах или при термоформовании перед формованием. Бюлер отмечает, что сиденья также являются главными кандидатами на каркасную конструкцию. «В композитах они обычно изготавливаются из тканей или лент и по-прежнему представляют собой листовые структуры. Но мы могли бы уменьшить толщину в плоскости, интегрировав профили внизу и увеличив жесткость ». Она отмечает, что пултрузионные профили - не единственный эффективный продукт UD, который можно использовать. «Это также может быть лента, которую легко адаптировать к траектории загрузки каждой детали».

«Мы объезжаем множество компаний в Lightweight &Application Center», - говорит Эбель. «Конструкция скелета как дополнительная инновационная концепция вызвала большой интерес и была очень многообещающей для наших посетителей». Он объясняет, что центр расширил свои возможности проектирования и может помочь компаниям интегрировать инновационные идеи, такие как концепция каркаса, чтобы открыть новое пространство для проектирования будущих компонентов с эффективным использованием материалов.

«Есть много применений, в которых мы можем использовать конструкции, похожие на раму лобового стекла», - говорит Бюлер. «Для отрасли важно перейти от квазиизотропной укладки, которая оставляет большую часть прочности и жесткости углеродного волокна на столе. Вместо этого мы должны использовать более эффективные материальные формы, размещая каждый материал только там, где он нужен. Это то, что нужно отрасли на будущее ».