Революция в дизайне люка: термопластичные композитные направляющие рельсы вместо алюминия

Команда во Франции во главе Webasto SC (Ле Шателье-Шатомюр) разработала новаторский модуль люка с фиксированным стеклом и рулонной шторой, который впервые использует термопластичные композитные направляющие рельсы вместо обычных алюминиевых. Первая коммерциализация на нескольких MPV Groupe Renault (Булонь-Билланкур). Изменение экономит вес, стоимость и инструментарий, устраняет железо и множественные операции, упрощает монтаж на конвейере, снижает эксплуатационный шум и освобождает 13 мм дополнительного пространства над головой между пассажирами и стеклянной панелью люка.

Конвенциональная сборка люка

Автопром традиционно использовал алюминиевые рельсы для соединения модуля рулонной шторы с кузовом-в-белом (BIW) кровлей, особенно для больших панорамных фиксированных стеклянных люков, охватывающих почти всю длину/ширину крыши. Эти направляющие рельсы по бокам выполняют двойную функцию: образуют скользящую поверхность для моторизированной ткани рулонной шторы при развертывании/свертывании. В отличие от жестких солнцезащитных экранов в Северной Америке, свернутые рулонные шторы занимают мало места под потолком, невидимы для пассажиров, но дают ту же тепло- и звукоизоляцию.

Конвенциональный процесс изготовления алюминиевых рельс начинается с профиля постоянного сечения и требует трудоемкого многошагового фрезерово-финишного процесса для сложной формы:

• разрезка под длину,
• формовка малых складок штамповкой и пробивкой,
• изгиб кривых,
• обработка/фрезеровка сложных форм, недостижимых штамповкой (требует набор инструментов/операции и ОК после каждого шага),
• анодирование рельсы в черный или натуральный цвет,
• сборка клипов кабелей, спиральных клипов, центрирующих пинов и гайок.

Каждая марка/модель использует слегка разную форму/длину рельс, поэтому производители люков должны производить и skladировать значительные запасы. При новой модели — все новый инструментарий, если нет общих деталей.

Алюминиевые рельсы не только трудоемки в производстве у поставщика люка, но и при монтаже на автозаводе. Конвенционально рельсы вручную крепятся винтами к BIW. Затем модуль люка проходит через лобовое окно и загружается снизу в отверстие крыши, где оператор фиксирует его к недавно установленным рельсам. Наконец, стеклянная крыша клеится структурным клеем к верху авто, герметизируя модуль и салон.

Недостатки алюминия: дорогой сырой материал, сложнее гнуть в сложные формы. Экология — утилизация химикатов анодирования значительные доп. затраты. Процесс длинный/сложный, высокие затраты на инструментарий. Повышение функциональности требует доп. железа и шагов сборки.

Новая концепция рельс

Основываясь на успешных конверсиях рам люков из алюминия в композиты на мелкоформатных подвижных стеклянных системах, команда Webasto решила изучить, можно ли конвертировать гораздо более крупные боковые рельсы рулонных систем. (Передние и задние поперечины уже конвертированы в композиты — обычно стеклополипропилен GR-PP — на таких системах.) Цель: добавить функциональность, снизить шаги производства, количество деталей, стоимость и вес, сохраняя OEM требования.

Команда изучила функциональность и условия работы рельс, выявила критичную особенность — обеспечение плавного движения моторизированной шторы с одинаковой силой спереди-назад и слева-направо по пути. Для этого рельсы требуют точной геометрии и постоянного сечения на всей длине (>1 м). Также рельсы должны быть достаточно структурными для надежного соединения с другими компонентами люка/модуля: поперечинами, кровлей, мотором, стеклом, потолком. Для OEM требований моторизированная штора должна работать с низким шумом скольжения для снижения NVH в салоне.

Обзор обычных автокомпозитов быстро исключил термореактивные матрицы в пользу термопластиков. Vs термопластики, термореактивные — выше плотность, медленнее циклы формовки, больше пост-обработки. Переплавимые термопластики дают клее-/крепеж-свободную сборку верхних/нижних рельс и упрощают утилизацию в конце жизни. Плюс термореактивы вызывают опасения по туманности и ЛОВ (VOC) — строго регулируются в ЕС для салонов.

Из-за строгих OEM требований к размерному контролю — особенно избегание вояжирования, мешающего плавной работе шторы — полиамид, полипропилен (PP) и термопластичные полиэфиры исключены. Алюминиевые рельсы требуют смазки для плавной работы шторы, а Webasto инженеры не были уверены, нужна ли смазка на композитных рельсах — поликарбонат исключен из-за плохой химической стойкости и склонности к напряженным трещинам. ABS отклонен из-за 110 °C термических требований люка.

Webasto ранее использовала стеклопластик на основе стиролмалеинового безводного/АБС (GR-SMA/ABS) для рамы подвижного стеклянного люка, поэтому фокусировалась на этом материале, используемом в автопроме десятилетиями для субстратов приборных панелей. GR-SMA/ABS — низкая плотность, жесткий и прочный, очень низкое вояжирование и деформация на широком диапазоне Т и влажности. Аморфный — нет пост-формовой кристаллизации/усадки. Переплавимый, хорошо сваркивается, компонент малеинового безводного обеспечивает высокую адгезию к разным субстратам, включая полиуретановый структурный клей для соединения стеклянной крыши с модулем люка.

Webasto обратилась к поставщику смолы Polyscope Polymers BV (Гелен, Нидерланды) за грейдами. Polyscope предложил два: 15%-GR XIRAN SGH30EB и 30%-GR XIRAN SGH60EB — протестированы в маломасштабных лабах Webasto. 30%-GR жестче, но высший модуль не нужен для плавной работы солнцезащиты. Тесты показали, что 15%-GR соответствует механическим целям, команда выбрала его для левых/правых рельс и передней поперечины. Задняя поперечина осталась GR-PP.

Следующее решение — процесс производства рельс. Изначально рассматривали профильную экструзию — дает полые и твердые формы, функционально похожа на процесс алюминиевых профилей, непрерывный, достаточно быстрый, низкие затраты на инструментарий. Но опасения: экструзия не даст достаточно гладких внутренних поверхностей от волокнисто-усиленных смол для плавного/тихого движения шторы. Также ограничивает способность менять геометрию профиля вдоль длины для функциональной интеграции без доп. железа в пост-обработке.

Другой процесс — литье под давлением: дает очень сложные 3D структуры с гладкими финишами и высокой эстетикой быстро, точно, с отличной R&R. Позволяет влить отверстия, вырезы, защелки, клипы — снижает вторичную обработку. Минус: не может дать полую структуру за один шаг (нужно лить в две части и соединять). Инструментарий может быть дорогим.

Команда выбрала литье под давлением с целью включения множества деталей в семейный инструмент для снижения стоимости инструментов.

Доказательство концепции

С перспективной базовой концепцией команда расширилась: OEM Groupe Renault и литейщик ARRK-Shapers (Ла Сегиньер, Франция). Цель — спроектировать композитную рельсовую систему для фиксированного стеклянного рулонного люка на моделях 2016 г. Renault Scenic (5 мест) и Grand Scenic (7 мест) MPV. Решили спроектировать каждую рельсу с высоким уровнем функциональной интеграции, зеркальной симметрией левой/правой рельс и дизайном, пригодным для стандартных (седан/5 мест) и длинных (универсал/7 мест) моделей. Аспекты дизайна покрыты 3 патентами.

Для управления стоимостью инструментов оптимизировали дизайн формы: за цикл производились верхние/нижние части левой/правой рельс, передняя поперечина, плюс 3 детали стыковочного интерфейса к задней GR-POP поперечине (литая отдельно). Экономия: ARRK-Shapers использовали модульные блоки (вставляемые/удаляемые для длинных/коротких версий рельс) вместо дорогих слайдов. Для литья всех 8 GR-SMA/ABS компонентов в большом семейном инструменте понадобился пресс с зажимающей силой 1500 кН. Ультразвуковая сварка выбрана для соединения верхних/нижних рельс, спроектирован и построен специальный сборочный приспособление.

Прототипирование и тестирование позволили финализировать дизайн рельс, предвидеть производственные вызовы и убедиться, что детали пройдут валидационные тесты Renault:

• Долговечность 10 000 циклов жизни.
• Трехосевое вибрационное тестирование -20 °C до 110 °C при 95% относительной влажности (RH).
• Температурное циклирование 85 °C → -20 °C → 50 °C при 95% RH → 110 °C.
• Прочность на отслоение и сдвиг после клеевого соединения.
• Тест шума вождения Renault для NVH.
• Ролловер «коркусcrew» тест.
• Скорость работы рулонной шторы ≥75 мм/сек при 23 °C после каждого теста.

«Идея конвертации экструдированных алюминиевых направляющих рельс в пластиковое решение на рулонном люке — идея Webasto, запатентованная давно. Однако до недавнего времени ни один инженерный пластик не выполнял жесткие требования этой функции», — Жак Вивиан, Webasto R&D, design to cost, промышленный эксперт. «Пластиковый кандидат должен был выполнять требования к размерной точности; стабильности во времени, стойкости к Т и влажности; сохранять жесткость и скользящую способность; демонстрировать отличную склеиваемость; и все это оставаться стоимостно-конкурентоспособным. Мы были очень довольны выбором Polyscope XIRAN SGH30EB, проект стал полным успехом для всех».

Превышение ожиданий

С более чем 2 годами производства и продаж композитные рельсы работают как предсказано, видны множественные выгоды на уровне Tier, OEM и клиента. Напр., хитрый инструментарий ARRK-Shapers значительно снизил затраты программы. Дизайн Webasto с значительно большей функциональной интеграцией vs легаси алюминиевая сборка и выбор литья под давлением для создания сложных структур за один шаг устранил железо и пост-обработку, снизив стоимость. Производство рельс сокращено с 7 шагов до 2.

На заводе Renault новый модуль люка, включая рулонную штору, приходит полностью собранным и предварительно протестированным как единый блок, который роботизированно клеится к крыше, устраняя 2–3 сборочных шага и позволяя перераспределить оператора, снижая стоимость и время. Сообщается, первоначальное снижение системной стоимости ~20%, но новый модуль имеет меньше деталей, что ожидаемо снизит гарантийные затраты долгосрочно (ниже PPM дефектов, выше качество у Renault). Еще выгода: Z-осевое сокращение стека элементов >13 мм, так как весь модуль клеится прямо к BIW вместо конвенционального 2-3 шагового процесса (рельсы винтами к BIW, затем модуль к рельсам). Это не только дает больше рабочего пространства на линии, но и выше пассажирам больше места для головы. Тонкое улучшение: NVH снижен при работе шторы на огромном световом отверстии обеих моделей. Как алюминий, композитные рельсы полностью перерабатываемы, но меньше энергии нужно для первичного производства и утилизации в конце жизни авто, что, вероятно, тоже лучше для экологии. (Интересно, команда также обнаружила, что смазка не нужна на композитных рельсах для надежной работы шторы.)

«Когда Жак Вивиан из Webasto Франция впервые сказал, что рассматривает замену алюминиевых направляющих рельс на SMA композит на рулонно-шторном модуле люка, я подумал, это может быть вызовом, но стоит риск», — Анри-Поль Бенишу, продажи и бизнесс-развитие Polyscope. «Это инновационное применение оказалось техническим и промышленным успехом, дающим многочисленные выгоды поставщикам, Renault и клиентам Renault».