Композитные армирования в кузовных структурах транспортных средств

Хотя композиты сделали некоторые вroads в автомобильные кузовные структуры body-in-white (BIW), материалы в этой области транспортного средства долгое время доминировали сталью и, в последнее время, алюминием. Из-за этого автопроизводители сильно полагаются на сварку и механические крепежи, такие как болты и винты, для соединения металлических структур. Хотя в целом надежные, сварные стыки и крепежи могут выйти из строя. Они также мало делают для улучшения жесткости (без недопустимого увеличения массы) или для снижения шума/вибрации/жесткости (NVH) или энергии удара, проходящей через транспортное средство. Один из способов встретить эти вызовы — армировать стыки и полости BIW композитами в сочетании с структурными клеями.

Пример такого решения — класс материалов/технологий, называемых композитные кузовные решения (CBS). Эти включают 3D структурные вставки для армирования первичных структур транспортного средства, комбинирующие элементы BIW или других подструктур транспортного средства, термопластиковые носители (с непрерывным или прерывистым волокнистым армированием) и теплоактивированные, пенистые структурные клеи. Элементы CBS устанавливаются в кузовном цехе на ранней стадии сборки автомобиля, перед применением электрофоретического антикоррозийного покрытия (E-coat).

Компоненты CBS обычно производятся в процессе 2K/инъекционного овермолдинга, где носитель — включающий сварочные лапки или защелки для временного соединения CBS с металлическими компонентами BIW — селективно овермолдится расширяющимся клеем и возможно дополнительным герметиком (в 3K процессе) для дополнительной функциональности. Сухой на ощупь неотвержденный клей (на основе кастомной эпоксидной химии) может быть отлит в сложные формы, но позволяет покрытию E-coat металлических элементов, сохраняя зазор между композитными и металлическими поверхностями до теплоиндуцированного расширения во время пост-E-coat печной отверждения. По мере расширения пены зазоры герметизируются между носителем и окружающими компонентами, блокируя их вместе в коробообразную «макроструктуру», улучшающую механические свойства, особенно под высокими и динамическими нагрузками.

Когда включены рано в дизайн транспортного средства, модули CBS являются массово- и стоимоэффективными вариантами для увеличения локальной и глобальной жесткости BIW и улучшения безопасности пассажиров и комфорта при меньшей массе. Они также позволяют нейтральные или более низкие затраты по сравнению с более тяжелыми, полностью металлическими решениями. Изначально используемые только в автомобильной, растущая портфель носителя и клеевых материалов расширило применения CBS, основные моменты которых следуют.

 

Инженерия для вызовов производительности

Технология CBS была разработана и коммерциализирована L&L Products Inc. (Ромео, Мичиган, США). С долгой историей как автомобильный поставщик герметиков, акустических контрмер и армирований для улучшения производительности BIW, L&L разработала технологию для помощи клиентам улучшить безопасность пассажиров и выполнить более строгие автомобильные требования к крашу при меньшей стоимости и весе, улучшая обработку и сборку во время сборки автомобиля.

Между 1995 и 2004 годами CORE Products, совместное предприятие между L&L и Gurit Essex (Ваттвиль, Швейцария), отвечало за раннюю разработку применений и производство CBS. L&L в конечном счете приобрела все активы CORE, которое теперь работает как L&L Products Europe.

L&L тесно работала со своими материальными поставщиками во время начальной разработки и последующего расширения технологии CBS. Одна такая компания, Lanxess AG (Кёльн, Германия), долго предоставляла композитные материалы носителя и материальную характеристику и поддержку симуляции L&L в Европе.

 

CBS в применении

Помимо уже упомянутых преимуществ, технология CBS обеспечивает лучший переход путей нагрузки, мультиаксиальное управление нагрузкой и поглощение энергии; большую стабильность сечения (устойчивость к коллапсу или проникновению); более низкий NVH; и улучшенную динамику вождения и краш-производительность при более высоких нагрузках. Кроме того, она предлагает более быстрые сроки внедрения во время проектирования/перепроектирования транспортного средства и не требует изменений последовательности сборки в кузовном цехе. Поскольку технология CBS делает легче контролировать передачу энергии через кузовные структуры, минимизируя деформацию и/или проникновение, она идеально подходит для применений, разработанных для сопротивления фронтальным, боковым или задним крашам или сдавливанию крыши для лучшей защиты пассажиров, пассажирских отсеков и батарей. Она также полезна для структур, которые должны проходить сложные протоколы, такие как тесты малого перекрытия Insurance Institute for Highway Safety (IIHS, Арлингтон, Вирджиния, США).

«Дизайнерская универсальность технологии CBS помогает упростить сборку в областях со сложными или труднодоступными условиями», — объясняет Нурия Иньес, менеджер по инженерии структурных продуктов, L&L Products Reinforce в L&L Products EMEA (Альторф, Франция). «Например, использование технологии CBS на дверях и других замыканиях не только снижает вес и увеличивает жесткость, но может упростить производство двери, если интегрирована рано в процесс проектирования. Благодаря инструментам CAE и десятилетиям опыта, плюс комбинация носителя и пены, которая обеспечивает надежное крепление к BIW после отверждения, мы можем использовать правильное количество правильного материала в правильном месте для баланса жесткости с массой и стоимостью или поглощения энергии с акустикой и стоимостью».

«Действительно интересный аспект технологии CBS — его «биомиметическая» природа», — добавляет Питер Кейт, глобальный стратегический менеджер по маркетингу L&L. «Так же как клеточно-армирующие стылы в центре костей — это самый массоэффективный метод природы для добавления жесткости и управления нагрузками в полых структурах, однажды расширившись, клей, единицы CBS армируют полости кузова транспортного средства тем же образом, помогая инженерам оптимизировать структурную жесткость при наименьшей массе».

«Увеличивая локальную и общую жесткость и распределяя нагрузки более эффективно через структуру, армирования CBS — это хвостовые решения для решения локальных проблем жесткости и металлической усталости без добавления массы», — продолжает Пал Сваминатан, менеджер по бизнес-развитию, Tepex Automotive, Lanxess Corp. (Питтсбург, Пенсильвания, США). «Улучшения NVH также распространены, когда технология CBS интегрирована в кузовные структуры. Снова, тщательный инженерный анализ позволяет разработку и локацию-оптимизацию решений для баланса качеств езды и управления».

 

Ранние применения

Раннее автомобильное применение технологии CBS на тогда PSA Group 2006 Citroёn C4 Picasso седанах включало девять единиц для армирования А- и В-колонн и заднего переверста. Армирующие элементы снизили вес транспортного средства на 12 килограммов, улучшив безопасность пассажиров. Черный материал — композит Lanxess, красный — эпоксидная пена L&L, а серебряный — часть металлической кузовной структуры, к которой крепится элемент CBS.

Первое коммерческое автомобильное применение CBS L&L было в 1998 году; к 2002 году технология набирала рыночное признание. Хороший ранний пример был реализован на 2006 Citroёn C4 Picasso седанах от PSA Group (Париж, Франция — теперь Stellantis N.V., Амстердам, Нидерланды). Девять компонентов CBS — на нижних участках А-колонн, нижних и верхних участках В-колонн и на переверсте над задней осью — снизили массу транспортного средства на 12 килограммов по сравнению с металлическими вариантами. Некоторые вставки CBS селективно увеличивали несущую способность и минимизировали проникновение в пассажирский отсек при ударе, улучшая безопасность пассажиров. Другие улучшали NVH производительность BIW. Все носители были инъекционно отлиты из 35 в.м.% короткое стекло/полиамид 6 (PA6). Подобные единицы CBS использовались на 2012 Ford Transit фургонах от Ford Motor Co. (Дирборн, Мичиган, США).

 

Новые носители, варианты пены

За годы L&L и ее поставщики расширили технологию CBS с новыми формулировками пены, более широким диапазоном носительских смол и армирований и применяя концепцию к разным структурам.

Например, большинство носителей CBS для краш-применений инженерируются с использованием теплостабилизированного, 30 в.м.% стеклоусиленного PA6, потому что нужен баланс между жесткостью и вязкостью внутри сложной 3D формы. Два таких носителя использовались на передних продольных элементах для большой платформы электромобиля (EV), где, как сообщается, они не только упростили сборку (сократив количество деталей), но также снизили краш-проникновение в огнестойку на 20%.

Для более высоких ударных требований теперь доступны гибридные носители, такие как те, армирующие А-колонны на преимущественно алюминиевом 2019 Porsche 911 Carrera Cabriolet спортивном автомобиле от Porsche AG (Штутгарт, Германия). Будучи кабриолетом, устыйвание безкровного каркаса было критично для защиты пассажиров в случае перевертышей. Чтобы сохранить транспортные средства легкими и маневренными, Porsche заменила тяжелые трубчатые стальные антиперевертыши вставками CBS в А-колоннах. Оболочки колонн производились из высокопрочной стали, которые были стабилизированы и устывлены вставками CBS внутри каждой колонны. Основное тело носителя было прессовано из органолиста (47 об.% твилл-тканое стеклоткань/PA6), который был предварительно нагрет, предварительно сформирован, затем инъекционно овермолдинг с ребрами (30 в.м.% короткое стекло/PA6/6). Сторона органолиста несет расширяющийся клей L&L L-5235. Не только эта гибридная технология выполнила все цели производительности и веса (которые трубчатая стальная варианта, как сообщается, не выполняла), но она снизила массу транспортного средства на 5,4 килограмма, облегчила сборку и снизила центр тяжести транспортного средства, что улучшило динамику вождения.

Для применений, где печной процесс не доступен для активации расширяющегося клея, или где нужна дополнительная поддержка в красочном цехе, L&L говорит, что работает над другими окружающей средой-отверждающими решениями.

Несколько смежных технологий, основанных на CBS, также были разработаны. Скоро имеющее свое первое коммерческое применение, непрерывная композитная система (CCS) L&L комбинирует стекло- или углеродно-волокнисто-усиленные пультрудированные носители — например, полиуретан (PUR) с или без тканей, а также ровнинг — с кастомно-формулированными герметиками или структурными клеями. Элементы CCS, которые также могут включать части CBS и металлические компоненты, улучшают жесткость и прочность структур постоянного поперечного сечения при меньшей массе (обычно на 75% меньше стали и на 30% меньше алюминия). Они коррозионно-устойчивы, неэлектропроводящие/электрически изолирующие, предлагают низкий коэффициент линейного термического расширения (CLTE) и обеспечивают высокопредсказуемое управление энергией, делая их идеальными для армирования структурных элементов унibody транспортных средств или рамы секций для body-on-frame транспортных средств, плюс рамы батарей для EV.

Композитные панельные армирования включают самоприлипающие, расширяющиеся структурные клеи, коэкструдированные с стекловолокнистым армированием, которые применяются к сформированным металлическим панельным поверхностям в кузовном цехе. Система не только улучшает жесткость (снижая волнистость и вымятины) больших/относительно неподдерживаемых панелей, но также улучшает NVH из-за увеличенного момента инерции. Кроме того, она предлагает возможности понижения толщины панелей для меньшей массы и стоимости. Коммерческие применения включают автомобильные дверные, крышные и напольные панели, капоты, крылья, задняя дверь и багажники; потенциальные применения включают батарейные корпуса.

Сотовые панельные армирования включают легкую эпоксидную смолу — в пастообразной форме для ручного применения или низковязкой жидкости для автоматизированного насоса — которая, после отверждения, может быть механически обработана или зашкурена. Эти разработаны для стабилизации сотовых сердечников, преимущественно в стратегических локациях в авиационных интерьерах, например, без добавления избыточной массы. Другие применения включают усиление краев (герметизация/армирование краев композитных панелей), склеивание вставок и локальное армирование, где металлические петли/вставки устанавливаются в композитные панели.

 

Что будущее держит

С первого патента в 1999 году, L&L подала многочисленные изобретения для технологии CBS. Учитывая широкий диапазон носителей и клеевых вариантов, теперь доступных в этой продуктовой семье, не удивительно, что применения расширились за пределы автомобильной в грузовики и аэрокосмику. Что дальше?

«За годы продукты CBS эволюционировали для обслуживания новых прикладных требований, комбинирующих функции», — добавляет Иньес. «Например, что началось как просто структурное армирование, эволюционировало не только устывлять, но также улучшать акустические функции или увеличивать поглощение энергии. Учитывая набор высокожелательных свойств, которые предлагает технология CBS, мы ожидаем не только рост автомобильного использования, но и рост в других отраслях тоже».