Термопластические композиты:живописный вид

Команда во Франции под руководством Webasto SC в Ле-Шателье-Шатомюр разработала новый модуль люка с фиксированным стеклом и жалюзи, в котором впервые вместо обычных алюминиевых направляющих используются направляющие из термопластичного композита. Впервые внедренное в серийное производство на нескольких многоцелевых транспортных средствах (MPV), произведенных Groupe Renault (Булонь-Бийанкур), это изменение позволяет сэкономить вес, стоимость и инструменты, устранить аппаратное обеспечение и несколько этапов обработки, упростить монтаж на конвейере, снизить уровень шума при работе и освободить 13 мм дополнительной высоты между пассажирами автомобиля и стеклянной панелью люка на крыше.

Распространенные в Европе, но редко встречающиеся в Северной Америке, сдвижные люки на крыше обычно используются для крыш с фиксированными стеклянными крышами - часто это большие панорамные крыши, которые охватывают почти всю ширину и длину линии крыши транспортного средства. В развернутом состоянии они выполняют примерно ту же функцию, что и жесткие солнцезащитные козырьки на автомобилях Северной Америки, блокируя излишки солнечного света и гася шум от дождя и ветра. Они состоят из тонкой, но блокирующей свет ткани, которая разворачивается и разворачивается вдоль моторизованной колеи, а затем снова наматывается вокруг шпинделя, который находится под обшивкой потолка в задней части крыши в салоне автомобиля.

Обычный люк в сборе

В автомобильной промышленности исторически использовались алюминиевые направляющие для соединения модуля рольставни люка с конструкцией крыши белый кузов (BIW), особенно в случае больших и прозрачных систем люков с фиксированным стеклом, которые обычно охватывают почти всю длину. и ширина крыши автомобиля. Эти направляющие, установленные вдоль водительской и пассажирской стороны крыши, выполняют двойную функцию в системах люков на крыше, поскольку они образуют скользящую поверхность, по которой движется моторизованная тканевая рулонная штора, когда штора сворачивается, позволяя проникать большему количеству света. в салоне автомобиля или при его развертывании, чтобы уменьшить этот свет. В отличие от жестких солнцезащитных козырьков, распространенных в Северной Америке, солнцезащитные козырьки на роликах в сложенном состоянии занимают мало места под обшивкой потолка, где они не видны пассажирам автомобиля, но при этом обеспечивают такую ​​же тепловую изоляцию от солнца и звукоизоляцию от ветра и дождя, что и жесткие солнцезащитные козырьки.

Традиционный процесс производства алюминиевых рельсов начинается с алюминиевого профиля постоянного поперечного сечения и требует трудоемкого многоступенчатого процесса фрезерования и чистовой обработки для получения рельсов сложной формы:

• обрезка по длине,
• формирование мелких складок путем штамповки и перфорации,
• формирование кривых,
• обработка / фрезерование сложных форм, которые невозможно формовать с помощью штамповочных инструментов (требуется один набор инструментов / операция и одна проверка качества после каждого шага),
• анодированная рейка черного или натурального цвета,
• и сборка зажимов для электрических кабелей, спиральных зажимов для кабелей, центровочных / установочных штифтов и гаек.

Каждая марка и модель легкового автомобиля использует рельс немного разной формы и длины, поэтому производители люков на крыше должны производить и хранить значительные запасы во время производственного цикла данного модуля люка. А когда добавляется новая модель, требуются совершенно новые инструменты, если только автомобиль не имеет общих частей с модулем системы люка на крыше существующей модели.

Алюминиевые направляющие рельсы трудоемки не только при производстве на заводе-изготовителе люка, но и при установке на заводе по сборке автомобилей. Обычно рельсы вручную крепятся к BIW винтами. Затем модуль люка в крыше пропускается через отсек ветрового стекла и загружается снизу в проем в крыше, где оператор прикрепляет его к недавно установленным рельсам. Наконец, сама стеклянная крыша приклеивается с помощью структурного клея к верхней части автомобиля, герметизируя модуль люка и внутреннюю часть кабины.

Хотя алюминиевые рельсы представляют собой известную, устоявшуюся технологию, у них есть недостатки. Во-первых, алюминий - дорогостоящее сырье, и его сложнее сгибать в сложные формы. С другой стороны, для защиты окружающей среды утилизация химикатов для анодирования, используемых для предотвращения коррозии, требует значительных дополнительных затрат. Как подробно описано выше, производственный процесс является длительным и сложным, а затраты на его инструменты высоки. Кроме того, усилия по увеличению функциональности требуют использования дополнительного оборудования, применяемого на дополнительных этапах сборки.

Новая концепция железных дорог

Основываясь на других успешных преобразованиях рам люков из алюминия в композиты в системах люков с подвижным стеклом гораздо меньшего формата, команда Webasto решила провести исследование, чтобы выяснить, могут ли быть преобразован в составной. (Передние и задние поперечные балки в таких системах уже были преобразованы в композит - обычно полипропилен, армированный стекловолокном (GR-PP).) по-прежнему соответствуют требованиям производителей оригинального оборудования.

Команда начала с изучения функциональности направляющих и условий эксплуатации и определила наиболее важную особенность рельсов как их способность облегчить плавное перемещение моторизованного солнцезащитного козырька с одинаковой силой спереди назад и слева направо по пути следования. . Для этого рельсы требуют точной геометрии и постоянного поперечного сечения по всей длине, которое может быть больше метра. Кроме того, направляющие должны быть достаточно конструктивными, чтобы обеспечивать надежное соединение с другими компонентами люка / модуля, включая передние и задние поперечные балки люка и саму конструкцию крыши, моторный механизм, стекло крыши и обшивку потолка. Чтобы соответствовать требованиям производителей оригинального оборудования, солнцезащитный козырек с электроприводом должен работать с низким уровнем шума от скольжения, чтобы снизить шум / вибрацию / резкость (NVH) в салоне кабины.

При сканировании обычно используемых автомобильных композитов быстро были исключены композиты с термореактивными матрицами и предпочтение от термопластов. По сравнению с термопластическими композитами, смоченные термореактивными пластиками, как правило, имеют более высокую плотность, имеют более медленные циклы формования и требуют более тщательной отделки после формования. Кроме того, переплавляемые термопласты предлагают возможность сборки без клея и застежек между верхней и нижней направляющими и значительно упрощают переработку в конце срока службы. Кроме того, термореактивные материалы вызвали опасения по поводу возможного запотевания и выбросов летучих органических соединений (ЛОС), которые жестко регулируются для салонов автомобилей в Европейском Союзе.

В связи с требованиями производителей оборудования для чрезвычайно жесткого контроля размеров - в частности, во избежание коробления, которое может препятствовать бесперебойной работе солнцезащитного козырька - полиамид, полипропилен (ПП) и термопластичные полиэфиры были исключены. Поскольку алюминиевые рельсы требуют смазки для плавной работы солнцезащитных штор и поскольку инженеры Webasto еще не были уверены, потребуется ли смазка для композитных рельсов, поликарбонат был исключен из-за его плохой химической стойкости и склонности к растрескиванию под напряжением. Акрилонитрилбутадиенстирол (АБС) был отклонен из-за требований к температуре люка в крыше 110 ° C.

Команда Webasto ранее использовала армированный стекловолокном стирол-малеиновый ангидрид / ABS (GR-SMA / ABS) для каркаса люка с подвижным стеклом, поэтому они сосредоточили внимание на этом материале, который десятилетиями использовался в автомобильной промышленности для панели приборов. подложки. GR-SMA / ABS отличается низкой плотностью, жесткостью и прочностью, имеет очень низкое коробление и низкую деформацию в широком диапазоне температур и уровней влажности. Поскольку он аморфный, нет никаких проблем с кристаллизацией и усадкой после формования. Кроме того, он пригоден для повторной обработки в расплаве, хорошо сваривается, а его компонент из малеинового ангидрида обеспечивает высокую прочность сцепления с различными подложками, включая полиуретановый структурный клей, используемый для соединения стеклянной крыши с модулем люка.

Webasto обратилась к своему поставщику смол GR-SMA / ABS Polyscope Polymers BV (Гелин, Нидерланды), чтобы предложить сорта, которые подойдут. Polyscope предоставил две возможности - 15% -GR XIRAN SGH30EB и 30% -GR XIRAN SGH60EB - которые затем были подвергнуты небольшому лабораторному тестированию в Webasto. Марка 30% -GR была более жесткой, но ее более высокий модуль упругости не требовался для обеспечения плавной работы солнцезащитного крема. Тесты показали, что сорт 15% -GR будет соответствовать целевым показателям механических свойств, поэтому команда решила использовать этот материал не только для левых и правых рельсов, но и для передней поперечины. Задняя поперечина осталась в ГР-ПП.

Следующее решение заключалось в том, какой процесс использовать для изготовления рельсов. Первоначально рассматривалась экструзия профилей, поскольку с ее помощью можно производить как полые, так и цельные формы, и функционально она напоминает процесс, используемый для производства алюминиевых профилей. Это также непрерывный процесс, достаточно быстрый, чтобы удовлетворить производственные потребности, но при этом затраты на инструменты относительно невысоки. К сожалению, исследователи были обеспокоены тем, что экструзия не приведет к получению достаточно гладких внутренних поверхностей из армированных волокнами смол, чтобы солнцезащитный козырек мог плавно и бесшумно перемещаться по трассе. Кроме того, этот процесс ограничит возможность изменения геометрии профиля по всей длине рельса, чтобы обеспечить более функциональную интеграцию без добавления оборудования (например, дополнительных штифтов и зажимов) на этапах постобработки.

Другим рассматриваемым процессом было литье под давлением, которое позволяет быстро, точно и с превосходной повторяемостью и воспроизводимостью (R&R) производить очень сложные трехмерные структуры с гладкой отделкой и высокой эстетикой. Кроме того, он позволяет вливать отверстия, вырезы, защелкивания и даже зажимы, сокращая вторичную чистовую обработку.

Для целевого применения обратная сторона заключается в том, что литье под давлением не может создать полую структуру за один этап (что требует, чтобы каждая направляющая была сформована из двух частей, а затем соединена). Кроме того, инструменты могут быть дорогостоящими.

Команда остановилась на литье под давлением с целью объединить несколько деталей в один семейный инструмент, чтобы снизить затраты на инструменты.

Проверка концепции

Поскольку основная концепция выглядела многообещающей, команда разработчиков расширилась за счет включения OEM Groupe Renault и формовщика ARRK-Shapers (Ла Сегиньер, Франция). Цель заключалась в разработке композитной рельсовой системы для модуля люка с фиксированным стеклом и жалюзи на многоцелевых автомобилях (MPV) Renault Scenic (пятиместный) и Grand Scenic (семиместный) 2016 модельного года. Команда решила спроектировать каждую направляющую так, чтобы она обеспечивала высокий уровень функциональной интеграции, чтобы иметь зеркальную симметрию между направляющими для левой и правой сторон, а также чтобы дизайн соответствовал как стандартным (седан / седан / пятиместный), так и длинным (универсал / универсал). легковые / семиместные) модели автомобилей. Аспекты дизайна команды теперь защищены тремя патентами.

Чтобы затраты на инструменты были управляемыми, команда оптимизировала конструкцию пресс-формы, чтобы позволить верхнюю и нижнюю части левого и правого рельсов, переднюю поперечину, а также три части стыка, которые соединяются с задней поперечиной GR-PP ( отформованы отдельно) для производства в каждом цикле. Еще одним шагом к экономии средств стало использование ARRK-Shapers модульных блоков (которые вставляются / удаляются для работы как с длинными, так и с короткими рельсами) вместо дорогостоящих направляющих для инструментов. Для формования всех восьми компонентов GR-SMA / ABS в большом семействе инструментов потребовался литьевой пресс с усилием зажима 1500 кН. Для соединения верхней и нижней направляющих была выбрана ультразвуковая сварка, а также было разработано и изготовлено специальное сборочное приспособление.

Этап прототипирования и тестирования позволил команде завершить проектирование рельсов, предвидеть производственные проблемы и гарантировать, что детали пройдут валидационные испытания Renault, которые включали:

• Испытание на долговечность 10 000 жизненных циклов.
• Испытание на трехосную вибрацию в диапазоне температур от -20 ° C до 110 ° C при относительной влажности 95%.
• Температурный цикл от 85 ° C до -20 ° C до 50 ° C при относительной влажности 95% до 110 ° C.
• Прочность на отрыв и сдвиг после склеивания.
• Тест на шум при вождении Renault на NVH.
• Тест "штопор" при переворачивании.
• Скорость работы жалюзи составляет не менее 75 мм / сек при 23 ° C после каждого испытания.

«Идея преобразования направляющих из экструдированного алюминия в пластмассовое решение для жалюзи люка на крыше - это идея Webasto, которая запатентована в течение долгого времени», - объясняет Жак Вивьен, специалист по исследованиям и разработкам Webasto, промышленный эксперт. «Однако до недавнего времени ни один инженерный пластик не отвечал жестким требованиям этой функции». Он напоминает нам, что пластиковый кандидат должен был соответствовать требованиям к точности размеров; стабильность во времени, устойчивость к перепадам температуры и влажности; сохранять жесткость и способность скольжения; проявляют отличную склеиваемость; и делать все это, оставаясь конкурентоспособными по цене. «Мы были очень довольны выбором Polyscope XIRAN SGH30EB, благодаря которому проект оказался успешным для всех участников».

Превосходя ожидания

За более чем двухлетний период производства и продажи композитные направляющие рельсы работают в соответствии с прогнозами, и многие преимущества были замечены на уровне отдельных производителей, производителей оборудования и клиентов. Например, умный инструментарий ARRK-Shapers позволил значительно сократить расходы на программу. Использование Webasto конструкции со значительно большей функциональной интеграцией, чем унаследованная алюминиевая сборка, и выбор литья под давлением для создания сложных структур за один проход, исключили аппаратное обеспечение и последующую отделку, а также снизили затраты. Только производство рельсов сократилось с семи до двух.

На сборочном заводе Renault новая система люка на крыше, включая рольставни, прибывает в полностью собранном виде и предварительно тестируется как единое целое, которое роботизированно прикрепляется к крыше, что исключает два-три этапа сборки и позволяет переназначить оператора, что снижает затраты. и время еще дальше. Как сообщается, первоначальное снижение стоимости системы составило около 20%, но в новом модуле меньше деталей, что, как ожидается, сократит гарантийные расходы в долгосрочной перспективе, о чем свидетельствует меньшее количество дефектов на миллион (PPM) и более высокое качество, наблюдаемое в Renault. Еще одно преимущество новых композитных рельсов заключается в том, что было достигнуто уменьшение стопки элементов по оси Z на> 13 мм, поскольку весь модуль приклеивается непосредственно к BIW вместо обычного двух-трехэтапного процесса, во время которого рельсы крепятся винтами к BIW, после чего модуль крепится к направляющим. Это не только обеспечивает больше рабочего места на сборочной линии для рабочих, но и дает больше свободного пространства для более высоких пассажиров. Еще одно небольшое улучшение заключалось в том, что во время работы солнцезащитной шторки шумоизоляция была уменьшена, чтобы открывать или закрывать огромное отверстие для дневного света на обеих моделях автомобиля. Как и алюминий, композитные рельсы полностью пригодны для вторичной переработки, но для их первоначального производства и переработки в конце срока службы автомобиля требуется меньше энергии, что, возможно, также делает их более безопасными для окружающей среды. (Интересно, что команда также обнаружила, что на композитных рельсах не требуется смазки для надежной работы солнцезащитной шторки.)

«Когда Жак Вивьен из Webasto France впервые сказал мне, что рассматривает возможность замены алюминиевых направляющих рельсов на композит SMA на модуле рольставни люка, я подумал, что это может быть немного сложно, но стоит рискнуть», - отмечает Анри- Пол Бенишу, менеджер по продажам и развитию бизнеса Polyscope. «Это инновационное приложение оказалось техническим и промышленным успехом, предоставив многочисленные преимущества поставщикам, Renault и клиентам Renault».