Революция в дизайне багажников: испытание модифицированной нитевитой намотки

Автомобильные багажники, или задние люки, десятилетиями медленно переходили от металлов к композитам. Хотя только в 2013 году был коммерциализирован первый полностью пластиковый/композитный багажник без металлической поддерживающей структуры, большинство багажников сегодня все еще имеют этот поддерживающий компонент, на который крепятся внешние панели и внутренние панели, особенно на более крупных, тяжелых внедорожниках (SUV) и кроссоверах (CUV) с большими задними дверями.

Однако то, что может стать следующей эволюцией в композитных багажниках, дебютировало в 2019 году на спортивном автомобиле Toyota Supra от Toyota Motor Corp. (Тойота Сити, Япония). Нитевито-намотанный композитный рама заменила металлическую раму и, как сообщается, предлагает более высокую жесткость и прочность при меньшем весе, чем традиционные металлические структуры, с большей гибкостью дизайна, особенно в тесном упаковочном пространстве. Как сообщается, процесс нитевитой намотки был модифицирован настолько, что по мере роста интереса и распространения применений он может соответствовать целям по скорости и стоимости более высокого объема автомобильного производства. Вот как пришел дизайн и технология.

Трилатеральное производство

Magna International Inc. (Аврора, Онтарио, Канада) — интегратор 1-го уровня в Северной Америке, но в Европе ее дочерняя компания Magna Steyr AG & Co. KG (Грац, Австрия) также проектирует и собирает полные автомобили для OEM, которым нужна дополнительная производственная мощность.

Недавно Magna участвовала в интересной программе, вовлекающей автопроизводителей Toyota и BMW AG (Мюнхен, Германия), которые сотрудничают по дизайну и производству с 2013 года. Для последнего усилия Toyota хотела возродить свою марку Supra и партнерировала с BMW для обеспечения дизайна и настройки автомобиля и сестринского автомобиля, 2-местного BMW Z4. Два автомобиля делят двигатель, подвеску и рулевые системы. Magna Steyr соберет оба автомобиля в Граце, а также поставляет Supra сиденья, кузовные панели, замки дверей и багажники. Хотя на обоих автомобилях много инноваций, багажник, включенный в Supra, — это то, где инновации композитного дизайна наиболее очевидны.

Манчестер Богемии

За годы до вовлечения Magna в Supra 2020 модельного года, ее операция в Либерец, Чешская Республика, исследовала технологии для композитных космических рам для ряда потенциальных применений. Как повезло, в районе богатая традиция как ведущий текстильный центр и когда-то был известен как «Манчестер Богемии». Команда Либерец искала архитектуру технологий, поддерживающую высокие нагрузки, снижающую общую массу, поддерживающую жесткие размерные допуски и производящую процесс с высокой повторяемостью и воспроизводимостью (R&R) для соответствия производительности и производственным требованиям европейских автопроизводителей.

«Мы пришли к выводу, что нам нужен термореактивный продукт с высокой тепловой и размерной стабильностью», — вспоминает Риад Чаая, глобальный директор продуктовой линии — композитные багажники Magna. «Мы также знали, что нам нужна закрытая форма с возможностью производства сечений переменных форм и толщин — необходимых для оптимизации механической производительности, упаковочного пространства, массы и стоимости — которые могли бы производиться в процессе, способном делать 150 000 деталей ежегодно. Мы рассматривали многие технологии, включая дутье, плетение и нитевитую намотку, но ни одна не совсем соответствовала нашим нуждам. После многих испытаний мы выбрали нитевитую намотку как лучшее соответствие для того, чего мы хотели, так как она давала нам контроль ориентаций и количества нитей для извлечения наивысшего модуля при наименьшем весе».

Несмотря на многие преимущества, было опасение, что нитевитая намотка может быть слишком медленной для обычного автомобильного производства. Кроме того, команде нужен был метод для начала и завершения процесса намотки для создания рамы закрытой формы. К счастью, пока у команды не было истории с нитевитой намоткой, наследие Либереца в текстильном производстве означало, что местное сообщество было полно экспертов в ровинге и намотке нитей.

«Великое удача для нас, эти эксперты имели страсть воскресить свое традиционное ноу-хау, чтобы помочь нам применить его новыми способами для удовлетворения высокообъемных автомобильных нужд», — добавляет д-р-Инг. Йозеф Пута, лидер технологии Magna Exteriors — Чешская Республика.

«Потому что традиционная нитевитая намотка была слишком медленной для наших нужд, мы и наши партнеры рассмотрели многие способы сделать ее быстрее», — вспоминает Лукаш Струхал, глава индустриализации, Magna Либерец. «Мы рассматривали способы ускорения каждого шага процесса, а также делали вещи совсем иначе. Хотя мы не можем сказать слишком много о том, КАК мы это сделали, мы можем сказать, что достигли огромных улучшений в скорости, так что наш модифицированный процесс мог стать "автомобильно достойным"».

Magna и ее партнеры исследовали многие смольные системы, включая эпоксидную, полиуретановую (PUR) и смесь PUR/винилэфирную, плюс разнообразие армирований, от стекловолокна до углеродного и базальтовых волокон. Финальная система включает PUR и стекловолокно, которые предложили лучший баланс эффективности волокна, производительности, стоимости и скорости производства.

Общий нитевито-намотанный космический рама Magna производится в трех шагах, каждый тщательно оптимизированный для скорости. Сначала жесткий клеточный PUR сердечник производится методом реакционной инъекционной формовки (RIM); второй, этот сердечник, функционирующий как мандрель, наматывается стекловолокном; и третий, эта намотанная структура затем инфузруется PUR и консолидируется в процессе высоконапорного смольного переносного формования (HP-RTM). Забота принимается для обеспечения того, чтобы сердечник не коллапсировал во время инфузии/консолидации. Пута объясняет, что много работы ушло в спецификацию типов ровингов, размеров и смол, используемых — требуя тесной работы с поставщиками по модификации материалов — а также определение количества намоток и ориентации нитей в каждом слое. Неудивительно, что компании было выдано множество патентов, охватывающих все от дизайна и производства сердечника до нитевито-намоточной машины, плюс дополнительные коммерческие тайны, которые они держат близко.

«Мы сделали множество инноваций в каждом шаге процесса и продукте», — объясняет Струхал. «Вы могли бы разобрать один из наших рам, увидеть формы и геометрии, использованные, и вы все равно бы удивлялись, почему и как мы это сделали».

Хотя команда Magna Либерец не разрабатывала свою технологию космической рамы для конкретного применения, они вот-вот получили интересную возможность использовать ее.

Сложный багажник

Magna имеет долгую историю производства багажников легковых автомобилей. Компания, как сообщается, построила первые полностью олефиновые багажники в Северной Америке и Европе для BMW i3 2013 года электрического городского автомобиля, и спроектировала и построила следующее поколение полностью олефинового багажника для FCA NA LLC (Оберн-Хиллс, Мичиган, США) 2019 Jeep Cherokee SUV. Учитывая, что производство багажника было доставкой для программы Supra, Magna не только опиралась на работу, сделанную в Либерец, но и на свою долгую историю конвертации металлических структур багажников в композиты и пластики.

«Багажник Supra предложил ряд немедленных вызовов», — вспоминает Чаая. «Во-первых, упаковочное пространство было очень ограниченным, означая, что допуски были очень жесткими, и коэффициенты линейного теплового расширения должны были быть тщательно управляемы, чтобы держать багажники свободно открывающимися и закрывающимися. Во-вторых, форма этой двери была еще более сложной. Toyota не только хотела более легкий багажник, но у них были очень специфические стилистические требования к тому, как задняя часть автомобиля драпировалась. В-третьих, с прогнозируемыми объемами производства автомобиля, оснастка для достижения этой формы в металлах была бы очень дорогой. Фактически, мы пришли к выводу, что рама багажника не могла быть произведена из одного куска металла и все еще соответствовать дизайну и требованиям производительности Toyota. Это означало, что космическая рама должна быть сделана из композитов и, более конкретно, термореактивных композитов».

Внешняя кожа была бы покрашенной, инъекционно формованной тальк-усиленной панелью TPO для обработки агрессивной формы, в то время как внутренняя панель была бы длинноволокнистым полипропиленом (PP); обе были бы соединены с рамой структурным двукомпонентным PUR клеем. Чаая добавляет, что много работы было сделано для оптимизации космической рамы и завершения багажника для соответствия требованиям к крутильной нагрузке. Ранний вызов был найти способ точно смоделировать свойства материалов для достижения точной корреляции между предсказанными и измеренными результатами.

«Это была тяжелая борьба за хорошую корреляцию с нашими материальными моделями, так как нам пришлось смоделировать каждый слой намотки и включить форму, радиусы и требования намотки», — добавляет он. «Хотя мы начали с отклонением 20%, после большой настройки и определения лучшего способа улучшить нашу жесткость, наши финальные предсказания были очень близки. На такой большой раме мы также сумели удерживать размерные допуски в 1 миллиметр».

Множество преимуществ

Финальная пончикообразная рама имеет переменные диаметры и толщины стенок по всей длине, но имеет номинальный диаметр 50-60 миллиметров. За исключением небольшого кронштейна в углу и жестких креплений, таких как замки и петли, а также фольги для заземления интегральных антенн, вся рама — размером 104 x 111 сантиметров — полностью композитная. Даже «ушные» кронштейны, используемые для соединения внутренней обшивки с нижней половиной багажника, композитные и изготовленные через HP-RTM. Хотя композитная рама на 10% легче сравнимой металлической рамы, эффекты массы-декомпенсации означают, что полный багажник легче примерно на 20-25% металлического багажника. Более легкие багажники требуют меньше усилий для потребителей для открытия/закрытия, легче для рабочего установить при сборке автомобиля, экономят топливо в течение срока службы автомобиля и обеспечивают то, что Струхал описывает как «потрясающий твердый звук» при закрывании багажника. Композитная система также устранила шаги, такие как подворот краев и сварка точек/стыков, требуемые с металлическими багажниками.

Чаая намекает, что у его компании есть еще один крупный нитевито-намотанный автомобильный проект. Он также говорит, что Magna видит другие применения для технологии за пределами багажников. «Двери, крышки багажников, капота, FEM (передние модули) и даже автономные автомобили — как автобус, состоящий из стеклообмотанной рамы — могли бы использовать такую космическую раму», — добавляет он. «И ему даже не нужно быть скрытым. Если бы мы использовали углеволокнистое плетение, это было бы признаком престижа оставить эту красивую поверхность открытой и не прятать раму внутри».