ESE E2: революционное однокомпонентное углеродное колесо, готовое к производительности

Один кусок, одно отверждение. Линейка композитных колес ESE E2 использует адаптивное размещение волокна (TFP) и проприетарный компрессионный процесс литья смолы под давлением (RTM) для производства однокомпонентного полностью углеродного колеса. Источник | ESE Carbon Co.

Углеродные колеса предлагают ряд преимуществ за счет снижения вращательной инерции и комбинированной массы — известной как нерессортированная масса — колес автомобиля, подвески и других прямо соединенных компонентов, не поддерживаемых подвеской. Это снижение вращательной инерции и нерессортированной массы, которое может достигать 50%, обычно приводит к более быстрому разгону с меньшими усилиями, сокращенному тормозному пути, улучшенному управлению из-за лучшего контакта с дорогой (механическое сцепление) и сниженному дорожному шуму.

Но ценники на углеродные колеса — как гибридные, так и полностью композитные — держали их вне досягаемости многих потребителей. С самыми доступными, ценившимися более $10 000 за комплект, колеса, вероятно, будут найдены только на очень высококлассных спортивных автомобилях и люксовых машинах. Несколько колесных компаний, однако, признают рыночный потенциал более дешевого углеродного колеса и работают над поиском решения. Подходы варьируются от используемых материалов к тому, как компоненты колеса производятся и комбинируются. Некоторые комбинируют углеродные компоненты с алюминием для гибридного колеса. Некоторые создают колеса из препрега.

ESE Carbon Co. (ESE, Майами, Флорида, США) была основана в 2011 году с целью сделать углеродные колеса доступными для более широкого сегмента водителей. Компания добавила пятиосевую ЧПУ-точную обработку, передовые возможности структурных композитных деталей, машины адаптивного размещения волокна и робототехнику для автоматизации производства. Компания нацеливается выпустить свою линейку E2 однокомпонентных, одноотвердеваемых полностью углеродных композитных автомобильных колес в наступающем году. Веся всего 17 фунтов, колесо ESE спроектировано под нагрузку оси 3850 фунтов, делая его способным поддерживать автомобили до 6800 фунтов валовой массы. По словам CEO ESE Карлоса Эрмиды, традиционные алюминиевые колеса, способные выдерживать тот же вес, весили бы более 30 фунтов.

Глубокая чаша. Пятиспицевая конструкция E2 основана на универсальной спортивной эстетике. Фото CW | Скотт Фрэнсис

E2 — пятиспицевая конструкция, основанная на универсальной спортивной эстетике с вогнутой глубокой чашей. Эрмида говорит, что компания была вдохновлена дизайном алюминиевого колеса Porsche, которое затем было оптимизировано для углеродного волокна. Колесо использует высокотемпературную эпоксидную систему с хорошей прозрачностью и предлагает индивидуальные решения отделки, включая глянцевый прозрачный, матовый прозрачный и индивидуальные цвета.

Углеродное колесо ESE на 80% пути к сертификации под существующей Рекомендуемой практикой Society of Automotive Engineers (SAE, Уоррендейл, Пенсильвания, США), которая применяется ко всем колесам, производимым в настоящее время, включая металлические колеса. Что больше, Эрмида говорит, что компания, вероятно, будет иметь первое однокомпонентное колесо на рынке, сертифицированное под новой рекомендуемой практикой для композитных колес SAE J3204, которая только что была одобрена для публикации SAE. Как рекомендуемая практика металлического колеса, эта новая рекомендация для композитных колесов адресует долговечность через различные усталостные и ударные тесты. Она также добавляет новые требования для учета экологических эффектов, уникальных для композитов. Д-р Майкл Хейз, вице-президент развития продукта ESE, активно участвовал в таск-форсе для этой новой рекомендуемой практики, делясь данными и предоставляя прототипы для развивающих тестов SAE комитета. Внутренне инженерная команда ESE работает над тем, чтобы обеспечить, что производительность E2 превышает минимальные рекомендации SAE.

«Было много лет работы SAE таск-форсом, чтобы создать практику композитного колеса», — говорит Эрмида. «Много наших тестовых данных и знаний было передано SAE, чтобы помочь довести практику до финишной линии, и пока новая SAE практика будет более строгой, чем текущие практики колес, мы приветствуем это во имя безопасности потребителей».

Адаптивное размещение волокна. Углеродное колесо ESE создано с использованием технологии адаптивного размещения волокна (TFP) ZSK Stickmaschinen GmbH. Источник | ESE Carbon Co.

Переход к адаптивному размещению волокна

Колесо ESE создано с использованием технологии адаптивного размещения волокна (TFP), которую компания говорит позволяет быстрое, высоковольное производство углеродных компонентов с хорошими механическими свойствами. TFP работает путем расположения волокнистых пучков, позиционирования их там, где они нужны для структурной производительности, и сшивания их в позицию на совместимом базовом слое. Процедура используется вместо конвенционального подхода резки тканых тканей в требуемую форму. ESE использует промышленное углеродное волокно от Hyosung Advanced Materials (Сеул, Южная Корея) и технологию TFP от ZSK Stickmaschinen GmbH (ZSK, Крефельд, Германия) для сшивания пластов, создавая преформы близкой к чистовой форме.

«Контролируя путь пруткового материала, когда он сшивается в желаемую геометрию, материал размещается только там, где он нужен в конечной преформе», — объясняет Топхер Андерсон Ph.D., менеджер технического вышивки для ZSK. «Области ткани, которые пришлось бы вырезать в традиционном ламинированном дизайне, просто остаются незашитыми. Этот процесс снижает как начальные отходы, производимые при резке тканых тканей в форму, так и пост-обработку отходов из-за способности соответствовать сложным геометриям».

Изначально работая с традиционными углеродными тканями перед переходом к TFP, ESE утверждает, что технология позволила компании снизить пласты до 50%, тем самым создавая упрощенный процесс укладки и минимизируя отходы. По словам Эрмиды, углеродные отходы снизились с примерно 40% с традиционными углеродными тканями до менее 10% при внедрении TFP. Кроме того, технология привела к улучшению качества укладки, оптимизации ориентации волокна и увеличению гибкости дизайна.

Авиационный пруток. ESE использует углеродное волокно от Hyosung Advanced Materials для E2. Источник | ESE Carbon Co.

«В наших спицах много кривизны, что усложняет пласты. С традиционными тканями ориентация ваших углеродных пластов ограничена», — объясняет Эрмида. «С TFP есть почти неограниченная способность создавать прямые или изогнутые узоры в любом направлении, позволяя проектировать пласты, оптимизированные для управления нагрузками и напряжениями более эффективно, чем возможно с традиционными тканями».

Одной из самых значительных экономий затрат для колеса ESE приходит от этих улучшений укладки. Эрмида говорит, что до перехода к TFP укладка была производственным бутылочным горлышком для компании. Она утверждает, что снижение пластов улучшает эффективность и сокращает время укладки почти на 50%. Больше деталей на форме может быть сделано каждый день, что переводится в положительное влияние на общие инвестиции времени, труда и оборудования на колесо.

Во всем, ESE говорит, TFP упростила ее процесс и способствовала улучшению масштабируемости. Эрмида говорит, что есть также добавленное стоимостное преимущество консолидации цепочки поставок за счет покупки прутка вместо ткани.

Узнайте больше об адаптивном размещении волокна (TFP):

• Адаптивное размещение волокна: Превосходство металла в объемном производстве
• Переменно-осевые композиты открывают путь к более легким композитным структурам
• Преформирование становится промышленным: Часть 2

Полностью инфузированное, одно-отверждение углеродное колесо

Тепло торможения. ESE Carbon говорит, что Araldite Huntsman улучшил производственные темпы и увеличил прочность обода, даже при повышенных температурах, которым колеса подвергаются при торможении. Фото CW | Скотт Фрэнсис

Помимо инвестиций в технологию TFP, ESE уходит от автоклавной обработки для своего колеса, нажимая на улучшение производственных темпов. E2 производится проприетарным компрессионным процессом литья смолы под давлением (RTM) с использованием кастомных прессов, спроектированных инженерной командой ESE. Эрмида говорит, что достижение полностью инфузированного, одно-отверждения колеса было сложным. Ключевым компонентом этого был выбор правильной смольной системы.

«Нам нужна была низковязкая, высокая Tg [температура стеклования], высокая прозрачность, быстро отвердевающая система с надежными свойствами», — говорит Эрмида.

Компания выбрала эпоксидную смольную систему Araldite от Huntsman Advanced Materials (The Woodlands, Техас, США). По словам Huntsman, система предлагает низкую вязкость для более быстрых скоростей впрыска, смачивания волокна и легкости обработки, а также гибкость для адаптации к разным условиям формы и времени циклов. С Araldite ESE говорит, что может улучшить производственный темп и увеличить прочность обода, даже при повышенных температурах, которым колеса подвергаются при торможении.

Araldite сочетает улучшенную удлинение и более высокую вязкость на разрыв при сравнении с конвенциональными эпоксидными смолами с высокой Tg до 200 °C.

«Из-за тепла торможения, которое генерируется, это критический компонент», — говорит Эрмида.

Для сокращения времени в форме, система предлагает отверждение при промежуточных температурах внутри формы, за которым следует опциональное пост-отверждение при повышенных температурах вне формы. Результат — легкий композитный обод с хорошей усталостной устойчивостью, что ключево для долговечности колес, подвергающихся повторному циклированию/напряжениям во время эксплуатации автомобиля.

Технические представители Huntsman работали с инженерной командой ESE для определения, какая эпоксидная смольная система подойдет их производственным нуждам, а также идеальные соотношения компонентов для достижения рабочего времени, достаточно длинного для впрыска множественных форм колес до того, как эпоксид начнет геляровать. Кроме того, компания предоставила компьютерно-генерированный предиктивный анализ моделирования отверждения и лабораторное тестирование для поддержки развивающих усилий ESE.

Композитное колесо продолжает вращаться

Автоматизация. ESE работает над продвижением автоматизации таких задач, как обрезка, пик-энд-плейс автоматизация и преформирование. Источник | ESE Carbon Co.

ESE начнет дорожные тесты в Q1 2020. Доставка послепродажных колес ожидается позже в 2020 году, и ESE говорит, что начала дискуссии с OEM. С E2, готовой к дебюту на рынке, вопрос возвращается к стоимости. Большинство углеродных колес на рынке сегодня примерно стоят как некоторые доступные автомобили.

«Производство углеродных колес уникально во многих отношениях; пока текущие технологии автоматизации нам помогают, большое количество кастомизации и разработки автоматизации все еще требуется, чтобы достичь ценовых точек колес, которые мы хотим», — говорит Эрмида.

С добавлением TFP, ESE делает шаги в автоматизации своего процесса. Эрмида говорит, что компания также смогла автоматизировать пост-обработку колеса, и компания сейчас работает над продвижением автоматизации таких задач, как обрезка, роботизированная пик-энд-плейс укладка и преформирование.

«Это сводится к тому, чтобы ESE сделала углеродные колеса достижимыми», — говорит Даниел Канаван, вице-президент бизнес-развития ESE. «Мы прилежно работаем, чтобы достичь точки, где углеродные технологии могут быть применены к более широкому населению».

ESE E2 нацеливается быть больше, чем просто конкурентоспособное колесо на рынке. Начальная цель — предложить комплект из четырех колес за менее $9 900. Хотя это все еще может звучать дорого, это определенно шаг в правильном направлении, и Эрмида говорит, что проекты автоматизации компании помогут подстричь затраты, чтобы выйти за рамки люксово/производительного рынка.

«Наши амбиции идут далеко за этим», — говорит Эрмида. «Это просто отправная точка. Наша цель — установить цены в пределах удара от кованых алюминиевых колес». Сопоставимые кованые алюминиевые колеса варьируются между $5 000–$7 000.

«Мы видим большую картину делая это в массовом производстве», — говорит Канаван. «Мы думаем об электрических автомобилях и других рынках, где мы можем разделить эффективность и [пользователи] могут испытать преимущества нерессортированного веса — производительность, скорость и безопасность. Есть так много преимуществ этой технологии, где мы действительно можем сделать разницу».