Гибридные термопласты придают нагрузочному полу ударную вязкость

В рамках амбициозной многолетней программы немецкого консорциума System Integrated Multi-Material Lightweight Design for E-Mobility (SMiLE) был разработан демонстрационный модуль автомобильного грузового пола, который является частью более крупной гибридной конструкции кузова в белом (BIW) и демонстрирует большие перспективы использования композитов и цветных металлов в условиях среднего производства. Задний грузовой пол этого аккумуляторно-электрического транспортного средства (BEV) состоит из двух типов термопластичного композита, а также металлических профилей и вставок. Он выполняет функции пола багажника и задней части салона. В свою очередь, он адгезионно и механически соединен со вторым грузоподъемным полом из гибридного / термореактивного композитного материала, который отлит полимерным формованием (RTM’d) из эпоксидной смолы, армированной углеродным волокном, с металлическими вставками и местными многослойными структурами, содержащими сердцевину из пенополиуретана. Эта конструкция представляет собой пол для передней половины транспортного средства и удерживает его аккумуляторы. Полный модуль грузового пола приклеивается и прикручивается к алюминиевым коромыслам / боковым поручням, которые сами прикреплены болтами к поперечным балкам алюминиевого монокока автомобиля. Демонстрационный образец модуля грузового пола был спроектирован для уменьшения массы и обеспечения значительного поглощения энергии при столкновении для серийного автомобиля с производительностью 300 автомобилей в день.

Дизайнерские решения

Члены консорциума, работавшие над задним грузовым полом, включали автопроизводителей Audi AG (Ингольштадт, Германия - также лидер всей программы SMiLE) и владельца Audi Volkswagen AG (Вольфсбург, Германия); Технологический институт Карлсруэ, Технологический институт автомобильных систем (KIT- FAST, Карлсруэ, Германия); Институт химической технологии Фраунгофера (F-ICT, Пфицталь, Германия, руководитель проектов как переднего, так и заднего грузового пола) и Институт механики материалов Фраунгофера (F-IWM, Фрайбург, Германия); поставщик термопластичных композитов BASF SE (Людвигсхафен, Германия); оборудование OEM Dieffenbacher GmbH Maschinen- und Anlagenbau (Эппинген, Германия) и производитель инструментов / формовщик Frimo Group GmbH (Лотте, Германия).

Было принято решение изготовить задний грузовой пол из термопластичных композитов с металлическими вставками. Команда хотела добавить элементы багажника и конструкции для крепления ремней безопасности второго ряда, но они также хотели использовать грузовой пол для поглощения значительной энергии при столкновении. Обычно автопроизводители в первую очередь полагаются на металлические профили по бокам металлических грузовых полов для управления энергией при ударе сзади легковых автомобилей. Однако, учитывая ударную вязкость термопластичных композитов, исследователи задались вопросом, можно ли использовать всю ширину и длину композитного несущего пола для управления ударными нагрузками. Они также интересовались, можно ли поглотить более высокую энергию удара.

Исследователи рассмотрели распространенные автомобильные термопластические композиты. Рассматривались матрицы из полипропилена (PP) и полиамида 6 (PA6), но полипропилен был исключен по температурным причинам, поскольку задний грузовой пол перемещается вместе с BIW через процесс предотвращения ржавчины с помощью высокотемпературного электрофоретического покрытия (электронного покрытия). Непрерывное армирование волокном было необходимо для достижения максимальной жесткости и прочности, поэтому предварительные работы были сосредоточены на армированном тканью органолите (форма термопластичного композита на основе стекломата (GMT)) и однонаправленных (UD) термопластичных препреге. По многим причинам ленты были выбраны для дальнейшего прототипирования.

Исследователи знали, что геометрия заднего грузового пола будет сложной. Использование автоматических машин для укладки ленты (ATL), которые размещают ленты UD в любой ориентации и делают окна / отверстия с меньшим количеством материала, чем органо-лист, уменьшит отходы, массу и стоимость, а также позволит наиболее эффективно использовать волокна на местном и глобальном уровнях по всему миру. часть. Кроме того, поскольку волокна, помещенные через ATL, лежат ровно и параллельно в каждом слое стопки слоев и не сотканы, как ткани, нет волнистости и, как следствие, потери жесткости и прочности.

Однако у лент UD есть ограничения:они относительно дороги, плохо драпируются и почти не растекаются, что затрудняет заполнение материалов сложной формы. Эти проблемы были преодолены путем выборочного использования термопластичных композитов с прерывистыми / рублеными прямыми и длинными волокнами (D-LFT), которые являются текучими, обеспечивают высокий уровень функциональной интеграции / консолидации деталей и гораздо проще формуются в сложные ребра без образования перемычек волокон, но могут поглощают значительную энергию удара. С D-LFT также легче вставлять металлические насадки, особенно если вставки предварительно просверлены, чтобы отверстия позволяли композиту проходить сквозь металл и вокруг него, создавая прочную связь за счет механической блокировки. Кроме того, D-LFT менее дорогостоящий, чем ленты или органолист, и его гораздо легче формовать в виде толстых секций. Составленный на стороне пресса, D-LFT упрощает управление запасами материалов и предлагает высокую гибкость программ разработки для быстрого изменения характеристик материала - длины и типа волокна, объемной доли волокна (FVF) и матрицы - по мере изготовления и оценки деталей. Во время производства параметры материала / процесса можно контролировать для достижения высокого уровня повторяемости и воспроизводимости (R&R), поэтому автомобилестроение использовало этот процесс для производства средних и крупных объемов в течение почти двух десятилетий.

Поскольку исследователи хотели, чтобы задний грузовой пол был тонким и легким и мог противостоять продольному изгибу при поглощении высоких ударных нагрузок, они провели моделирование и начальную разработку путем тестирования мелких деталей с лентами, армированными стекловолокном и углеродным волокном, и D-LFT на различных волокнах. -весовые фракции (FWF) для оценки механических характеристик по сравнению с характеристиками наполнения. Хотя углеродные композиты производили более тонкие, легкие и жесткие конструкции, чем стекло, потому что стоимость также была проблемой, и передний грузовой пол уже использовал армирование из углеродного волокна, исследователи выбрали стекло для усиления заднего грузового пола во время масштабирования до полноразмерных деталей. Использовались Ultramid B3K PA6 D-LFT с 40 мас.% Стекловолокна и восемь слоев Ultratape B3WG12 PA6 с 60 мас.% Стекловолокна, оба от BASF.

После долгой работы по моделированию Окончательная конструкция заднего грузового пола состоит из тонкой оболочки, почти сетчатой ​​формы, изготовленной из лент UD, предварительно уплотненных в ламинат, переплетенный с более толстой зоной сжатия D-LFT (см. рис. 2). Крупные гофры, также из ленты UD, с глубокими желобами (высотой 50 мм и шириной 115 мм) были отформованы вдоль продольной оси детали для обеспечения высокой жесткости при малой массе и толщине. Кроме того, во время укладки ленты были сформированы два окна, чтобы позволить D-LFT проникать через ламинат туда, где это было необходимо. Поскольку в больших слоистых материалах трудно сформировать глубокие гофры, для производства хороших деталей необходимо было изменить как процесс формования, так и инструмент (см. «Как исследования автомобильного модуля пола повлияли на разработку нового подпроцесса D-LFT / компрессионного формования»). Эти гофры в сочетании с двумя зарядами D-LFT, которые образуют сложные ребра в X-образных решетчатых структурах, создают высокий момент инерции для этой области, увеличивая жесткость детали в тонкой и легкой конструкции, избегая при этом коробления при столкновении. Решетки D-LFT в задней части детали образовывали зону сжатия, поглощающую энергию при ударах сзади. Алюминиевые профили были отформованы как единое целое на осевых сторонах грузового пола и прикреплены к D-LFT и ламинату с помощью специальной обработки поверхности, а также отверстий, обеспечивающих сцепление. Эти профили были тщательно спроектированы для дальнейшего увеличения жесткости детали, обеспечения хорошей устойчивости к изгибу и передачи усилия в зону смятия D-LFT во время аварии. Они также имеют точки крепления для непосредственного крепления заднего грузового пола к окружающим металлическим конструкциям. Дополнительные металлические вставки, также встроенные в конструкцию, обеспечивали прямую установку замков ремня безопасности.

Успешная реализация

Моделирование, а также испытания мелких и крупных деталей подтвердили, что весь задний грузовой пол гибридного автомобиля можно использовать для управления ударными нагрузками. Дальнейшая оценка показала, что эта технология должна быть такой же безопасной, как и обычные металлические конструкции.

Одна более крупная цель проекта - снижение общей массы BIW до 200 кг - теоретически было выполнено при моделировании и разработке мелких деталей. Однако по мере развития проекта требовались лучшие характеристики при столкновении, что требовало увеличения массы композитных конструкций. Кроме того, соображения стоимости привели к переходу от армирования углеродным волокном к армированию стекловолокном для заднего грузового пола. Полученный задний грузовой пол со вставками весит 32,9 кг, а передний грузовой пол (со вставками, но без батарей) весит 12,1 кг. Для конечных тестовых деталей целевая масса была упущена всего на 4,3% для достижения более высокой безопасности и снижения затрат. SMiLE BIW также будет более дорогостоящим, чем обычные металлические системы, из-за интенсивного использования армирования углеродным волокном в передней части грузового пола.

Проект заднего грузового пола привел к тому, что компания F-ICT разработала подпроцесс D-LFT / сжатия под названием local advanced customized LFT , который выборочно применяет материал D-LFT к структурам в основном из UD-лент для создания локально сложной геометрии (например, ребер), которые невозможно изготовить с помощью лент. Еще одна технология F-ICT, разработанная до SMiLE, но использованная в проекте, - это метод быстрого нагрева и уплотнения термопластичных лент с помощью радиационно-индуцированного вакуумного уплотнения . технология, теперь коммерчески доступная от Dieffenbacher на машине под названием Fibercon.

Примечательно, что экспериментальный процесс и очень сложный инструмент, произведенный Frimo, работали с самого начала, и было изготовлено более 100 демонстрационных деталей для последующего тестирования и демонстрации. Хотя команда разработала процесс формования в один этап, Dr.-Ing. Себастьян Баумгертнер, руководитель группы F-ICT по обработке термопластов и руководитель проекта заднего грузового пола, считает, что в производственных условиях более эффективно формировать эту сложную деталь в два этапа, при этом предварительное формование ламината выполняется с помощью отдельного инструмента. «Сначала мы решили попробовать более сложный одноэтапный процесс, и он сработал», - объясняет Баумгертнер. «Однако инструмент был очень сложным, и управление процессом было не таким простым. Если ламинат местами становился слишком горячим, он очень сильно взаимодействовал с нитями LFT. Чтобы обеспечить хорошую повторяемость во время производства, было бы лучше упростить процесс и выбрать двухэтапный процесс, который будет более надежным ». Тем не менее, учитывая большой размер этой составной детали и сложный процесс ее изготовления, команда была очень довольна конечными результатами. «Мы продемонстрировали, что можем производить инновационную и экономичную деталь, которая имеет оптимизированный вес и производительность, а также отличается высокой функциональной интеграцией с использованием коммерческих технологий», - добавляет он.

Полный грузовой пол получил награду CCE-JEC Innovation Award 2018 . в Китае и Германии правительство признало более крупную программу SMiLE проектом Lighthouse, а это означает, что эта технология будет иметь важное значение для использования в будущем дизайне мобильности. Команда обсуждает следующие шаги.