Гибридные термопластики повышают ударную устойчивость пола багажника в автодизайне

Консорциум SMiLE (Германия) создал демонстратор заднего модуля пола, входящего в гибридный кузов (BIW) электромобиля. Пол состоит из двух типов термопластичных композитов, металлических профилей и вставок. Он клеится и крепится болтами к переднему гибридному/термореактивному полу (RTM из углеродного волокна/эпоксидки с ПУ-пенными ядрами), который несет батареи. Вся сборка присоединяется к алюминиевым порогам/боковым рельсам, закрепленным на алюминиевом монококе. Цель: снижение массы и высокая поглощающая способность при аварии при объеме 300 авто/день.

Проектные решения

Участники: Audi AG (лидер SMiLE), Volkswagen AG, KIT-FAST, Fraunhofer ICT (лидер по полам), Fraunhofer IWM, BASF SE, Dieffenbacher, Frimo Group.

Выбор пал на термопластики с металлическими вставками. Исследовали, может ли весь композитный пол поглощать энергию удара (обычно это делают металлические профили по бокам). Рассматривали PP и PA6 — PP исключен из-за высоких температур электрофоретного покрытия (e-coat). Для максимальной жесткости выбрали непрерывное армирование: UD-термопластичные препрег-ленты (автоматизированная укладка ATL — меньше отходов, нет волнистости волокон как в тканях).

Ограничение лент — высокая стоимость и плохое драпирование. Решение: селективное добавление текучего D-LFT для сложных ребер, интеграции функций и отливки металла (отверстия в вставках дают механическое зацепление). D-LFT дешевле, легче формовать в толстых секциях, компонуется у пресса — гибкость разработки и высокая R&R (повторяемость/воспроизводимость).

Симуляции и тесты на малых пробирах (стекло/углерод, разные FWF) показали: углерод дает более тонкие/легкие/жесткие структуры, но из-за стоимости и использования углерода в переднем полу выбрали стекловолокно. Материалы: Ultramid B3K PA6 D-LFT (40% стекло) и 8 слоев Ultratape B3WG12 PA6 (60% стекло) от BASF.

Финальный дизайн 1,3×1,3 м: тонкостенная оболочка из UD-лент (предконсолидированная) с более толстой D-LFT зоной сжатия. Корругации из UD-ленты (глубокие желоба) + два заряда D-LFT (X-образные ребра) создают высокий момент инерции, предотвращая изгиб. Алюминиевые профили по осям интегрированы в структуру, повышают жесткость, передают силу в зону сжатия, дают точки крепления. Металлические вставки — для замков ремней.

Успешная реализация

Симуляции и тесты подтвердили: весь гибридный пол может управлять аварийными нагрузками, безопасность сравнима с металлом.

Цель массы BIW 200 кг теоретически достигнута на этапе симуляций, но для лучшей аварийности и снижения стоимости (переход на стекло) цель промахнулись на 4,3%. Задний пол с вставками — 32,9 кг, передний (без батарей) — 12,1 кг. BIW SMiLE дороже обычного из-за углерода в переднем полу.

Проект привел к разработке Fraunhofer ICT подпроцесса local advanced tailored LFT (селективное применение D-LFT на UD-структуре) и использованию технологии radiation-induced vacuum-consolidation (коммерциализирована Dieffenbacher как Fibercon).

Сложный инструмент Frimo сработал с первой попытки, изготовлено >100 демонстраторов. Руководитель проекта Себастьян Баумгертнер считает, что в серийном производстве эффективнее двухстадийный процесс (предформование ламината отдельно), но одностадийный доказал работоспособность.

Пол זכה CCE-JEC Innovation Award 2018 в Китае, программа SMiLE признана правительством «Маяк» (Lighthouse project). Команда обсуждает следующие шаги.