Скелетная конструкция делает композитные автоструктуры более экономичными

В стремлении снизить стоимость композитных компонентов конструкторы ищут способы максимально эффективно использовать материалы, обеспечивая автоматизированное производство и интеграцию множества функций. Для автопромышленности задача осложняется необходимостью циклов по 1–2 минуты.

Эволюция метода овермолдинга

Овермолдинг — литье термопластиковых композитов на преформы из непрерывных волокон — давно рассматривался как решение. Проект CAMISMA в 2014 г. продемонстрировал овермолдинг спинки сиденья. «Но теперь этот подход выведен на новый уровень: достигнуто полностью автоматизированное производство термопластиковых композитных конструкций кузова в белом (BIW)», — объясняет д-р Кристоф Эбель, руководитель Центра легких конструкций и применений (LAC) SGL Carbon (Висбаден, Германия).

Прорыв обеспечил подход «скелетная конструкция», развивавшийся несколько лет. В проекте MAI Skelett (2015 г.) использовались пультрудированные профили из уднонаправленного (UD) углеродного волокна с термопластичной матрицей. Их термоформировали и овермолдинговали за двухстадийный 75-секундный цикл, получая силовой кровельной элемент, превосходящий все требования. Интегрированы клипсы для крепления, а режим разрушения при ударе изменен с хрупкого на вязкий, повышая остаточную прочность BIW.

Демонстратор MAI Skelett

17-месячный проект MAI Skelett при поддержке немецкого министерства образования и исследований (BMBF) выполнила MAI Carbon (региональное отделение Carbon Composites e.V., Аугсбург). Лидер — BMW (Мюнхен). Цель — демонстратор рамы лобового стекла (между А-стойками над ветровым стеклом) на базе структуры BMW i3 со всеми функциональными и пространственными требованиями. Рама служит поперечным силовым элементом крыши, обеспечивает жесткость (снижая NVH), прочность (тест на раздавивание крыши), крепление внутренних компонентов (визоры, проводка) и стыковку с лобовым стеклом, люком и крышей.

Скелетная рама состояла из четырех пультрудированных UD-профилей в углах, инкапсулированных овермолдингом для крутильной жесткости и сложных функциональных креплений. Профили расположены на разных высотах: два у дна 60-мм детали, два — у верха.

Пультрузия в термопластичном наборе инструментов

Для рамы лобового стекла задано сечение 10×10 мм. Цель — использовать дешевые тяжелые пучки (50K), но их плотная упаковка затрудняет пропитку смолой. «Оптимизированное управление волокном и раскрытие пучка позволяют достичь оптимальной пропитки и объемного содержания волокна ~50%», — говорит менеджер по термопластикам SGL Вероника Бюлер. SGL освоила эту технологию и включает пультрудированные профили в свой термопластичный набор. «У нас был опыт с термопластичными лентами, тоже на базе пультрузии, поэтому быстро адаптировали производство собственных профилей». Включены тесты на объемное содержание волокна, пористость и геометрическую точность — критично для автоматизации и робототехники.

Помимо пультрузии, в MAI Skelett исследовали термопластичные смолы. Тестировали разные полиамиды 6 (PA6) для определения вязкости и реологии. SGL предложила диапазон материалов через свой набор: UD-ленты, органолисты, коротковолокнистые компаунды и теперь UD-пультрудированные профили — все на базе углеродного волокна SIGRAFIL 50K с сайзингом для матриц полипропилена (PP) и полиамидов (PA6, in-situ PA6). «Гармонизация волокна, сайзинга и матрицы критична для оптимальной производительности», — подчеркивает Бюлер.

In-situ PA6: капролактам (мономер) с катализатором и активатором полимеризуется прямо при формовке детали в полиамид. Полиамиды включают также PA66, PA12, определенные PPA.

Важный аспект — термоформирование термопластичных полуфабрикатов во время и после формовки, позволяющее дальнейшую функционализацию формы и сварку при овермолдинге. Оба фактора были ключевы в MAI Skelett.

Термоформирование и овермолдинг

Производство начиналось с пультрудированных профилей углерод/ПА6. Их модифицировали под форму детали и ввод нагрузки. Термоформирование выбрали, сохраняя углерод максимально прямым для реализации прочности и жесткости. Профили растягивали в направлении течения матрицы, затем сплющивали и гнули по концам.

Второй этап: нагрев под ИК-облучателем менее 50 секунд, затем перенос в форму литья под давлением автоматизированной системой. Все детали делались на стандартных прессах. На профили овермолдинговали стекловолокнистый компаунд. Требуемая точность формы и процесса для удержания четырех термоформированных профилей в позиции.

Общий цикл двухстадийного процесса — ~75 секунд. «Так как термопластичная матрица переплавляется перед овермолдингом, это позволяет формировать и спаивать детали за очень короткие циклы», — Эбель. «Плавкость термопластов также позволяет соединять с металлическими компонентами», — добавляет Бюлер. Термопластичные процессы обеспечивают отличную воспроизводимость и контроль — критично для крупносерийного производства.

Вязкое разрушение

Оценивали профили PPA и PA6 с совместимыми компаундами (стекло/углерод) для более вязкого режима разрушения. Хотя вязкое разрушение снизило передаваемую нагрузку, оно улучшило структурную целостность BIW в целом.

Методы анализа: твердотельное моделирование, моделирование арматуры (пультрузии как арматура овермолдинга), оболочечные элементы и их комбинации. ПО: ABAQUS (Dassault Systèmes), Dakota (Sandia National Laboratories), OptiStruct (Altair Engineering) для топологической оптимизации.

BMW не указала предпочтительную комбинацию материалов, но заключила: скелетные компоненты превзошли все требования к текущей CFRP-детали, кроме крутильной жесткости (не ключевой драйвер). Скелет превзошел текущую деталь по нагрузке и поглощению энергии при аварии. Достигнут более вязкий режим разрушения, что продвигает понимание крэш-поведения композитов и их роли в BIW.

Будущие применения скелетной конструкции

В отчете MAI Skelett BMW выделила шесть других компонентов, где подход даст значительное снижение затрат на производство, материалы и оснастку. SGL Carbon предлагает применения в авто и аэросиденьях, панели приборов, манипуляторах роботов, рентгеновских столах и др.

Подход развит дальше в проекте MAI Multiskelett (сентябрь 2015 – июнь 2017) для мультиаксиально нагруженных компонентов. Рассматривались зоны пересечения несущих элементов и пультрудированных профилей, зоны высокого ввода нагрузки в крупных структурах. Исследовали конструкции и экономичные серийные линии.

Пример оптимизации — Carbon Carrier передней панели инструментов электромобиля (2017 г.), разработанный SGL и Bertrandt (Энинген, Германия). Интегрирует все основные функциональные и декоративные элементы приборной панели. Несущая «хребет» — термоформированный органолист. «В будущем эту деталь можно заменить конструкцией с овермолдингом термопластичных профилей», — говорит Эбель. «Это исключит резку, укладку и обрезку органолиста. Поперечина станет лишней — интегрируем её как пультрудированные профили и овермолдингуем для дизайна панели. Деталь даст больше места и гибкости для крепежей, клипсов, кабелей».

Эбель признает: это огромная переработка дизайна, «но снижает стоимость и делает компонент эффективнее». Почти нет отходов: профили режут точно по длине, углерод не теряется при термоформировании. Бюлер отмечает: сиденья — идеальные кандидаты. «В композитах они обычно из тканей/лент — листовые структуры. Можно уменьшить толщину в плоскости, интегрировав профили снизу для жесткости». Пультрудированные профили не единственный эффективный UD-продукт. «Можно использовать ленту, легко адаптируемую под траектории нагрузок каждой детали».

«Мы проводим много туров по LAC», — говорит Эбель. «Скелетная конструкция как инновационная концепция вызывает большой интерес и считается очень перспективной». Центр накопил компетенции по дизайну и помогает компаниям интегрировать такие идеи, открывая новое пространство для материалоэффективных компонентов.

«Много применений, где можно использовать дизайн, похожий на раму лобового стекла», — говорит Бюлер. «Важно для индустрии уйти от квазиизотропной укладки, которая не использует полную прочность и жесткость углерода. Нужно эксплуатировать более эффективные формы материалов, кладя каждый материал только туда, где он нужен. Это будущее индустрии».