Высокопроизводительный углеродно-эпоксидный композит для снижения массы и серийного производства в автопроме

Проект IACMI 3.2 и «невозможная» смольная система

IACMI — The Composites Institute (Ноксвилл, Теннесси, США) объединяет промышленность, академию и госсектор для решения инженерных задач, снижения массы авто, энергопотребления, выбросов, создания рабочих мест. Проект 3.2 — один из первых (с июня 2015), основан на сотрудничестве Ford Motor Co. и Dow Automotive (ныне Dow Chemical), начатом до создания IACMI.

В программу вошла новая семья эпоксидных смол VORAFUSE для препрега и SMC, обрабатываемая на компрессионном прессовом оборудовании (широко доступно в автопроме НА). Требования Ford (CTQ — critical-to-quality):

• Tg 150–160°C.
• Формовка при 145–155°C.
• Отверждение <2 мин при 150°C (доступно <1 мин) — для высокообъёмного производства (100 000+ шт/год).
• Пост-отверждение >95%.
• Без растворителей и ЛОС (VOC).

«CTQ Ford уникальны и никогда не достигались в одном коммерческом продукте. Потребовались новаторская химия и нетрадиционные продукты», — Дэйв Банк, феллоу Dow Polyurethanes R&D.

«Термодинамическое разделение складской стабильности и полимеризации в смеси смола/отвердитель даёт сухую пасту, которую можно инфузировать в углерод без запуска отверждения. При 150°C химия «горячая» — мгновенное отверждение», — Банк. 21 патентная заявка, 4 выдано.

Дополнительные фишки VORAFUSE

• Складская стабильность при комнатной температуре 50+ дней, мгновенное отверждение ≥150°C. Не нужен морозильник (если склад <40°C).
• Безлипкая химия — идеальна для автоматизации. Нет наклеивания на роботов/оборудование.
• Внутренний антипригар (IMR) — 1000 деталей без внешнего антипригара. Эпоксиды обычно отлично липнут к металлам.
• Неотвердевший лом перерабатывается: дробление → дисконтинуальное волокно для сложных геометрий (ребёрки, боссы). Вся неотвердевшая отходная масса в производство — устойчивость и экономия.

Фаза 1: Препрег B-стойка

Команда: Ford, Dow, DowAksa US LLC, Мичиганский гос. ун-т, Пердью, Ун-т Теннесси (Ноксвилл), Continental Structural Plastics, Oak Ridge National Lab.

Разработаны препреги с непрерывным углеродным волокном (сплетеные и некримовые ткани) на смоле VORAFUSE P6300 для волокна DowAksa A42 D012 24K. Цель — структурные детали сложной геометрии вместо штампованного металла в высоконагруженных, критичных по безопасности зонах первичной кузовной структуры серийных авто.

Демонстратор: B-стойка Ford Fusion. Симуляция → физические детали → полноразмерные крэш-тесты. Пройдено идеально: снижение массы 3 кг с стороны. Неотвердевший лом → ребёрки B-стойки. Композит позволил уточнить окружающий металл → более дешёвые сплавы → доп. экономия веса и стоимости.

Первое коммерческое применение: передняя крыша и передний половой панел Ford GT суперкара.

Препрег дороже — лучше для авто с жёсткими мандатами по массе, готовых платить премию.

Фаза 2 / Поток 1: Полностью SMC багажник (decklid)

Дисконтинуальное углеродное волокно в SMC на новой смоле для сложных 3D структур с критичными функциями. Демонстратор: внутренняя/силловая панель багажника Lincoln MKS. Замена обычного стекловолокна/ненасыщенного полиэстера. SMC снаружи — низкой плотности (1.25) стекло/полиэстер вместо стандартной (1.9), оба Class A. Оригинальная оснастка पुनиспользована. Усадка близка — без проблем монтажа.

Виртуальное прототипирование: крутильная жёсткость, жёсткость переднего угла, дефлекция водопада, нагрузки на замок. Дюжины панелей отлиты, склеены, протестированы — включая задний удар 89 км/ч. Пройдено.

Масса багажника снижена 30% (10.5 → 7.33 кг). При переработке оснастки внутренней панели (тонкие стенки 2 мм или 1.5 мм) — 35%+ экономия.

Углерод/эпоксид SMC прошёл требования Ford — готов для коммерческих платформ, но дороже стекло/полиэстер SMC.

Фаза 2 / Поток 2: Гибридная SMC/алюминиевая задняя дверь (liftgate)

Самый сложный кейс: ЗАМЕНА лёгкого металла (магний) на углерод/эпоксид SMC для гибридной склеенной сборки задней двери Ford Mondeo 5-дв. Сборка добавляется в кузов до экоат-краски (высокие температуры).

Внутренние панели из SMC склеены с алюминиевыми внешними. Новая оснастка → перепроектирование: переменная толщина, ребра, металлические вкладыщи в высоконагруженных зонах (газовые стойки, замки, петли) — панель толще, но упаковка позволяет.

Требования: крутильные/изгибные нагрузки, боковая устойчивость, коррозия, долговечность, задний крэш-тест, строгая размерная стабильность (зазоры, планка).

Гибрид прошёл большинство тестов, но проблемы с внешним видом из-за несовпадения КЛТР (CLTE) композита и алюминия → остаточные напряжения в клеевом шве, искривление после остывания. Работа с Пердью по улучшению моделирования модуля, прочности, кинетики отверждения 1K-клея (выживает при экоат). Искривление снижено на порядок, но цель не достигнута полностью. Варианты: 2K/комнатное отверждение клей или индукционный, новый высокотемпературный клей. Долгосрочно — замена алюминия на углеродный композит снаружи или сборка двери оффлайн. Оба — доп. стоимость.

Итоги

Проект 3.2 завершается. Получены коммерчески готовые технологии (B-стойка препрег, SMC багажник) и выявлены зоны для доработки (гибридная дверь).

«Работа с IACMI и партнёрами позволила глубже погрузиться в технологию от первых принципов, развить фундаментальную науку и использовать широкую базу знаний. Ждём новых коммерческих возможностей и R&D», — Патрик Бланшар, лидер проекта 3.2, технический лидер Ford Research & Innovation.