Энд-ту-энд производство CFRP от BMW: от тока к ленте к готовой детали

В начале текущего продвижения композитов на углеродном волокне в автомобильные применения производитель BMW Group (Мюнхен, Германия) казался выделяющимся. Начальная работа по ускорению смольной переносной формовки (RTM) для производства крыши модели M привела к созданию полной цепочки поставок для деталей из углеродного волокна (CFRP) на автомобилях i3 и i8, а затем к совершенно новым ячейкам fabricación и сборки для мультиматериального кузова Carbon Core на 7 Series.

BMW зафиксировала обязательства по i3 в 2009 году с большим ажиотажем, но в том же году Audi AG (Ингольштадт, Германия) создала технический центр, посвященный волокнисто-усиленным пластикам. В 2011 году Audi анонсировала партнерство с Voith Composites (Гархинг, Германия) для разработки и производства деталей CFRP в больших объемах. В следующем году компания опубликовала информацию о разработке усиленного CFRP стального стойки B, сделанной с использованием RTM, и о своем партнерстве с SOGEFI (Гианкур, Франция) для коммерциализации композитных пружин подвески. В 2012 году Audi также стала учредительным партнером ведущего кластера MAI Carbon, в который вошли BMW, Voith Composites, SGL Group (Висбаден, Германия) и другие.

Наиболее заметно, что собственная история развития CFRP компании Audi начинается с ее первого поколения спортивного автомобиля R8, выпущенного в 2006 году. Он имел крышки отсека для кабриолетной крыши и сайдблейды, сделанные методом RTM. Компания прошла от эстетичных экстерьеров и более мелких структур к Модульной спортивной системе (MSS) в Audi R8 e-tron. Хотя главная структура этого электрического суперкара состояла из экструдированных алюминиевых балок, соединенных алюминиевыми литьми, все панели и наполнители были из CFRP, включая багажный вставной элемент с корругированными аварийными структурами, позволяющими заднему модулю поглощать в пять раз больше энергии, чем металлический каркас.

Основа MSS — это задняя стена, которая эволюционировала от начальной концепции в 2011 году к модулю, который сейчас производится для неэлектрического R8 компанией SGL Technologies (ранее BENTELER-SGL, Орт им Иннкрайс, Австрия; см. «Тур по заводу: BENTELER SGL»). Но Audi уже планировала следующий шаг: итерация задней стены для использования в своем более крупном серийном люксовом седане A8, с Voith Composites в качестве производственного партнера.

Voith Composites — 10-летняя дочерняя компания многопрофильной Voith GmbH & Co. KGaA, основанной в 1867 году. Материнская компания сейчас имеет 19 000 сотрудников, годовой доход 4,2 млрд евро (5,2 млрд долларов США) и предоставляет производственное оборудование и технологии через четыре дивизиона: Voith Digital Solutions, Voith Hydro, Voith Paper и Voith Turbo. Voith Composites эволюционировала от производства CFRP-ролей для бумагоделательства к производству автомобильных и промышленных карданных валов и плоских ламинатов из CFRP.

В 2011 году Voith Composites начала работу над высокоавтоматизированной процессной цепочкой CFRP, направленной на производство задней стены A8. В ее ядре был Voith Roving Applicator (VRA), который в одной линии распределяет 35K углеродный ток от Zoltek (Сент-Луис, штат Миссури, США) в биндерную однонаправленную (UD) ленту, которая затем резается и стакуется для формирования адаптированного бланка. VRA был удостоен JEC Innovation Award в 2017 году. Он также заложил надежную базу для последующих операций преформинга и формовки. Автоматическая категория высших наград снова была завоевана Voith Composites и Audi на JEC World 2018 за завершенную цифровую производственную линию 4.0 на базе VRA, используемую для производства модуля задней стены Audi A8. Работая с поставщиком смолы Dow Automotive (Оберн-Хиллз, штат Мичиган, США) и Zoltek, эти партнеры не только разработали материалы, процесс и интегрированные системы инлайн-инспекции, необходимые для производства высокопроизводительных деталей CFRP в больших объемах, но и создали полный набор необходимых инструментов CAD/CAM и симуляции, которые уже применяются для разработки будущих деталей.

Эволюция дизайна, ориентированная на эффективность

«Мы начали работать с Audi рано», — говорит д-р Яромир Уфер, руководитель бизнес-развития Voith Composites. Первый приоритет — разработать новый дизайн задней стены A8, который определил бы, как деталь должна производиться.

«Когда мы начинали инженерию этого производства, не могли найти готовые программные продукты, имеющие все, что нам нужно», — объясняет Уфер. «Поэтому мы собрали инструменты проектирования вроде ABAQUS, но создали свои материальные карты и разработали свои методы симуляции». Audi уже выделила снижение веса кузова и увеличение крутильной жесткости как ключевые цели для дизайна задней стены R8 (см. «Стенка сиденья Audi R8: прелюдия к производству»). Для модуля A8 был предложен интегральный дизайн для сокращения много-компонентной сборки MSS до одной формовой CFRP-панели с небольшим количеством клеевых и заклепных соединений. Этот дизайн привел к разработке высокоанизотропного ламината с локализованными путями нагрузки, позволяющим готовой детали обеспечивать 33% крутильной жесткости приводящей ячейки при 50% веса по сравнению со сборкой из трех-пяти сварных алюминиевых деталей.

«Композитный преформ для панели задней стены Audi A8 варьируется от базы в 6 пластов до 19 пластов там, где добавляется локальное усиление — например, где есть выемки или точечные нагрузки, такие как крепления детских удерживающих систем», — объясняет Уфер.

Voith Roving Applicator

Уфер отмечает, что разработка этого дизайна и VRA шли параллельно. «Только благодаря свободе дизайна, которую предлагает VRA, стала возможной производительность новой задней стены A8». Также важно то, что поставщик волокна Zoltek взял на себя 7-летнее ценовое обязательство по программе.

Процесс VRA начинается с крейля углеродного волокна Zoltek PX 35. Несколько бобин 50K тока подаются в каждую линию VRA и распределяются для производства 50-миллиметровых лент. Затем наносится эпоксидный биндер, который позже будет реагировать с матричной смолой Dow VORAFORCE быстрого отверждения во время RTM композитной детали. Небольшое количество инфракрасного (ИК) тепла применяется для расплава биндера достаточно, чтобы удерживать ленту вместе через последующие консолидацию, резку и стакующие шаги (Шаг 1).

«Это непрерывный процесс, полностью автоматизированный», — говорит Уфер. «Если по какой-то причине необходимо остановить линию, оборудование реагирует автоматически. Например, ИК-нагреватель немедленно выключается и отводится, чтобы предотвратить повреждение ленты перегревом. В оборудовании сотни таких деталей и цифровой контроль, обеспечивающий эту технологию».

После нанесения биндера консолидация ленты достигается по мере прохождения через множество роликов под натяжением (Шаг 2). Уфер объясняет, что это также создает буфер для линии. «У нас есть блок, прерывающий непрерывный поток тяги волокна, обеспечивающий переход к импульсному формату механизма резки и укладки ленты». Этот портальный механизм режет ленты на адаптированные длины и укладывает их под заданными углами 0–360° на вращающийся стол (Шаг 3). Каждый адаптированный стак, состоящий из 6–19 слоев ленты, имеет толщину от 1,5 до 3,7 мм соответственно.

Voith установила четыре линии VRA (см. фото в начале), и хотя каждая наносит до четырех 50-миллиметровых лент за раз, Уфер указывает: «линии имеют модульный подход, поэтому они могли наносить 10 и более лент за раз. Это зависит от размера детали и темпа производства».

Автоматизация включает контроль качества. Сканирование лент и преформов сравнивается с алгоритмом отбраковки. «100% сканирование ленты VRA обеспечивает правильное распределение волокна для всей производственной линии», — объясняет Уфер. «Мы также используем термографию и лазерные датчики для проверки преформов в заданных зонах». VRA может реагировать на любые обнаруженные проблемы. «Если одна лента некорректна», — указывает он, «VRA вырежет дефектный участок и произведет другой для замены». QR-код наносится на готовый преформ для прослеживаемости. (QR-коды предпочтительнее RFID-тегов, так как, как сообщается, они лучше выдерживают процесс инъекции смолы.)

Формовка, литье и сборка

2D-стак выходит из VRA и перемещается в секцию формовки, литья и сборки производственной линии. Первый пресс, в который он помещается, поставленный специалистом по автоматизации композитов FILL (Гуртен, Австрия), использует тепло и давление для формовки 2D-стака ленты в 3D-преформ (Шаг 4). Уфер объясняет, что поскольку преформ варьируется по толщине и форме, пресс может адаптировать приложенное давление при штамповке отдельных областей преформа, зажатого в формовочном инструменте. ALPEX Technologies (Милс бай Холль, Австрия) изготовила парные стальные формы RTM на основе дизайна, предоставленного Voith Composites. «Мы разработали инструментарий и пресс-процесс виртуально», — говорит Уфер. «Хотя фактический тестовый цикл не требовался, мы валидировали и верифицировали модели симуляции на других формах и деталях перед механической обработкой производственных инструментов A8. Эта симуляция процесса литья прямо перешла в реальное производство и помогла ускорить оптимизацию».

Пресс держит несколько секунд для реакции порошкового биндера и фиксации формы, в результате чего получается стабильный преформ, способный противостоять вымыванию волокна при инъекции смолы. «Частицы биндера также функционируют для удержания волокон раздельно для улучшенного течения смолы во время RTM», — отмечает Уфер. «Это полезно, потому что в преформе нет сшивки для помощи течению смолы, поэтому эти частицы биндера действуют как микроканалы течения».

Формованный преформ затем роботом перемещается в CNC-ячейку компании EiMa Maschinenbau GmbH (Фриккенхаузен, Германия), где ультразвуковой нож обрезает внешний контур. Затем он роботизированно помещается в RTM-пресс (Шаг 5), поставленный ENGEL (Швертберг, Австрия). Все роботы в линии поставлены KUKA Robotics (Аугсбург, Германия).

RTM-процесс, используемый для литья задней стены A8, тот же, что разрабатывался в Audi Lightweight Center для предыдущей задней стены R8, называемый ultra-RTM. Он позволяет лить крупные детали с быстрой инъекцией, но низким давлением. По сравнению с типичными 140 бар для HP-RTM, давление инъекции смолы в форме во время ultra-RTM задней стены Audi A8 составляет <15 бар, даже меньше, чем для R8. В результате вместо 2500 кН силы пресса требуется только 350 кН. Поэтому можно использовать более мелкий, менее дорогой пресс для производства высококачественных деталей с высоким объемным содержанием волокна.

Смола VORAFORCE 5300 эпоксидная, трехкомпонентная система, включающая форму-отпускатель, отверждает за 90–120 секунд при 120°C и имеет технологическую вязкость 20 цП. Для задней стены A8 порция смолы 1,3 кг инъецируется в преформ, за которым следует 120-секундное отверждение.

Отвердевшая деталь роботизированно извлекается и загружается в закрытую CNC-фрезерную ячейку для обработки выемок. Затем обработанная деталь помещается в автоматическую мойку для очистки от остаточной пыли CFRP.

Промытая задняя стена передается в сборочную ячейку, оснащенную двумя роботами. Первый робот помещает отлитую деталь в автоматическую заклепную машину, которая документирует приложенную силу при установке заклепок. Это часть производственного интеллекта, встроенного в общий процесс, и добавляется в цифровую запись обработки каждой детали (цифровая нить). Деталь затем перемещается в зону клеения, и второй робот готовит зоны для клеения с использованием автоматического растворительного обтирания. Тот же робот затем наносит быстроотверждающийся двухкомпонентный полиуретановый структурный клей Dow BETAFORCE 9050M (Шаг 6), совместимый с трехкомпонентной эпоксидной смолой. Деталь затем помещается в печь для короткого цикла отверждения клея.

Эта производственная линия поддерживает 5-минутный такт для готовой детали, и текущий спрос на детали может быть удовлетворен в одну или две 8-часовые смены. 3D-лазерное сканирующее устройство периодически используется для проверки 3D-формы и измерений детали. Готовые детали затем готовятся к отгрузке на линию окончательной сборки Audi A8 в Неккерсалм, Германия, примерно в 3 часах езды по дороге (Шаг 7).

Прямое размещение волокна = будущая гибкость

С учетом всех вложенных инвестиций удивительно узнать, что Voith Composites не была уверена в этом бизнесе, но компания завершила разработку и затем участвовала в конкурентном тендере для получения производства. «Мы смогли достичь целевой стоимости детали, определенной Audi, а также требований к качеству и производительности детали», — говорит Уфер. Это не малаяfeat, учитывая, что довольно много компаний претендовали на программу.

Voith Composites запатентовала множество частей своего процесса. «VRA продемонстрировала индустриализацию с использованием прямого размещения волокна [DFP] лент, что снижает отходы и используемое материалы через высокооптимизированную укладку», — говорит Уфер. Также используются наиболее экономичные материалы — необработанное тяжелый ток и порошковый биндер. Второй поколение процесса заменяет порошковый биндер на прямое нанесение смолы, устраняя еще больше процессных шагов. Однако компания разработала и другие DFP-процессы, включая Voith Longfiber Preformer и Voith Prepreg Winding.

«Мы устанавливаем новые стандарты для деталей из углеродного волокна для крупносерийного автомобильного серийного производства», — говорит управляющий директор Voith Composites д-р Ларс Хербек. «Умная фабрика, которую мы создали, приносит автоматизированное производство CFRP-компонентов на новый уровень эффективности и гибкости, включая практически любую форму, а также индивидуальные размеры партий. Это, действительно, куда движется отрасль».