열가소성 합성물:구조용 범퍼 브래킷

GM의 2019년형(MY) Chevrolet Silverado 픽업은 숨겨져 있지만 매우 효과적인 위치인 강철 범퍼 뒤의 왼쪽 및 오른쪽 전면에서 합성물을 위한 새로운 구조적 적용을 자랑합니다. 하이브리드 열가소성 복합 재료/금속 브래킷은 질량을 줄이고 제한된 패키지 공간에서 모달, 응력, 피로 및 충돌 테스트에서 동등하거나 더 나은 성능을 달성하고 부식 및 보증 위험을 줄이고 상당한 부품 통합을 허용합니다. 모든 사진 제공:General Motors Co.

풀 사이즈 픽업 프로그램을 작업하는 OEM 설계 엔지니어가 되는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 한편으로는 이러한 차량을 가능한 한 안전하고 기능이 풍부하며 연료 효율적으로 만들고자 합니다. 반면에 고객, 특히 건설 및 농업 산업에 종사하는 고객은 매일 차량을 세게 몰아붙이며 내구성 있는 소재와 그렇지 않은 소재에 대한 확실한 아이디어를 가지고 있습니다. 그들은 강철을 알고 신뢰합니다. 합성물? 그다지 많지 않을 수도 있습니다.

General Motors Co.(GM, Detroit, Mich., U.S.)에서 풀사이즈 픽업을 위한 수석 디자인 릴리스 엔지니어인 Chris Heo와 그의 팀은 최신 세대의 Chevrolet Silverado 작업을 시작했습니다. 픽업에서 차량 질량을 줄이기 위해 금속에서 합성물로 변환할 수 있는 응용 분야에 대해 논의했습니다.

2019년형(MY)의 경우 스타일이 지정된 범퍼 임팩트 바(스타일이 지정된 A-측면 및 마감재(크롬 도금 또는 차체 색상 페인트)가 있는 스탬프 강철 범퍼)를 차량의 전면 및 후면에 유지하기로 이미 결정했습니다. . 스타일링 중심의 모양과 강철 셸의 질량으로 인해 이러한 범퍼는 일반적으로 범퍼를 차량 프레임에 연결하고 GM의 범퍼 내구성, 차량 손상 가능성, 충돌 성능 및 포장 요구 사항을 충족하기 위해 하나 이상의 강철 보강 브래킷이 필요합니다. 이 경우 한 쌍의 브래킷이 범퍼의 왼쪽 및 오른쪽 모서리를 감쌉니다. 팀원들은 성능이나 내구성을 희생하지 않으면서 이 무겁고 복잡한 여러 조각 스탬핑을 더 가벼운 것으로 변환할 수 있는지 궁금해했습니다.

“우리는 범퍼의 금속 스킨을 유지하면서 숨겨진 부품을 경량 소재로 변환하는 방법에 대해 논의했습니다.”라고 Heo는 회상합니다. “범퍼와 같은 무거운 부품을 고정하기 위해 견고한 브래킷이 필요하고 범퍼와 브래킷 모두 차량의 수명 동안 작동해야 하기 때문에 이것이 어려운 일이라는 것을 알고 있었습니다. 또한 이 브래킷은 까다로운 오프셋 장벽 충돌 테스트를 충족하는 데 중요하며 금속에서도 통과하기 어려운 테스트입니다.”

처음 시도

도전에 굴하지 않고 GM 팀은 작업에 착수했고 곧 차량의 지정된 범퍼 공급업체인 Flex-N-Gate Corp.(FNG, Urbana, IL, U.S. 초기에 외부 차량 스타일링이 아직 마무리 단계였기 때문에 공동 팀은 1년 동안 업계의 옵션을 조사하고 효과가 있을 수 있는 접근 방식을 논의했습니다. "최종 스타일링에 따라 우리가 사용한 디자인과 접근 방식이 바뀔 수 있기 때문에 적절한 시기를 기다리고 있었습니다."라고 허는 설명합니다.

"우리는 다른 회사가 구조적이지 않은 아주 작은 브래킷을 트럭 범퍼 중 하나의 합성물로 변환했다는 것을 알고 있었기 때문에 시작할 수 있는 기회를 얻었습니다."라고 R&D 플라스틱의 FNG 엔지니어링 그룹 관리자인 Steve Perucca가 덧붙입니다. /궤조. FNG는 이미 승용차의 구조용 금속 부품을 열가소성 복합 재료로 변환한 경험이 많았고 이를 통해 팀이 앞으로 나아갈 수 있다는 자신감을 얻었습니다.

디자인 고려사항

픽업의 외부 디자인이 확고해짐에 따라 결합된 팀은 원하는 것과 필요 사항의 목록과 함께 브래킷에 대한 자체 디자인 작업을 시작했습니다. 벤치마크 브래킷은 고강도/저합금(HSLA) 강철로 스탬프 처리되었으며, 탄소강에 비해 기계적 강도가 더 높고 내식성이 향상되었습니다. 브래킷의 공칭 두께는 3mm이고 각각의 무게는 4.362kg입니다. 첫째, 합성 브래킷은 범퍼 뒤의 제한된 공간과 거의 동일한 패키지 공간에 맞아야 했습니다. 따라서 부품 두께가 크게 증가하지 않도록 충분한 강도를 가진 재료가 필요했습니다.

둘째, 전면 범퍼는 일반적으로 디자인 스튜디오가 원하는 스타일링 신호를 얻기 위해 차량의 전면 모서리를 감쌉니다. 그러나 단단한 강철 브래킷으로 프레임에 고정되어 있기 때문에 고속 충돌 시 범퍼가 휠 안쪽으로 눌려 휠 방향에 부정적인 영향을 미치고 스티어링이 잠길 수 있습니다. 충격을 받은 쪽의 휠을 최대한 오래 보호하려면 충격 시 범퍼 브래킷이 이탈하는 것이 바람직합니다. 반면에 보증 문제를 피하기 위해 범퍼는 차량의 수명 동안 정상 사용 중에 부착된 상태를 유지해야 합니다. 따라서 팀은 이러한 상충되는 요구 사항의 균형을 유지하는 방법을 결정해야 했습니다.

팀이 해결하고자 하는 또 다른 문제는 강철의 성형성 제한으로 인해 차량의 안개등을 고정할 수 있는 벤치마크 브래킷의 모양을 만들 수 없었기 때문에 또 다른 한 쌍의 중금속 브래킷을 사용해야 한다는 것이었습니다. 가능하다면 팀은 안개등 지지대를 합성 브래킷으로 통합하기를 원했습니다.

또한 와이어 하니스와 와이어가 마모되거나 끊어지는 것을 방지하기 위해 브래킷을 통과할 때 와이어 하니스 핀치 포인트를 피하는 것이 중요했으며, 이는 헤드라이트 및 팬과 같은 중요한 기능의 단락으로 이어질 수 있습니다. 금속 브래킷에 와이어가 통과할 수 있는 구멍을 제공하여 이를 방지하기 위해 추가 펀칭 작업을 사용하게 되었고, 이는 설계 자유도의 제한으로 인해 더 많은 툴링 비용을 추가했습니다. 따라서 복합 브래킷에서 이 문제를 시도하고 해결하는 것이 바람직했습니다. 물론, 합성 브래킷을 사용하기 위해 차량 조립을 변경하지 않아도 되는 것도 중요했습니다. 그리고 자동차 응용 분야에서 흔히 볼 수 있는 것처럼 합성 브래킷은 이상적으로는 더 가벼울 것입니다. 그리고 금속 벤치마크보다 저렴합니다. 마지막 우려 사항은 현재 사용 가능한 CAE 모델이 불연속 섬유 강화 열가소성 수지의 고주기 피로/내구성을 정확하게 예측할 수 있는지 여부였습니다.

하이브리드 접근 방식

위시리스트를 손에 넣은 팀은 바빴습니다. 초기 결정은 사용할 재료, 즉 FNG가 이미 경험이 있고 GM 승인을 받은 재료를 선택하는 것이었습니다. 그들은 수프란 PP1340 GMW15890P라고 불리는 롯데케미칼(한국 서울)의 검은색 40% 섬유 중량 분율(FWF) 장섬유 유리 폴리프로필렌(LFT-PP)을 선택했습니다. 브래킷은 햇빛에 노출되지 않고 엔진 열에서 충분히 떨어져 있기 때문에 단단한 올레핀 폴리머는 적절한 열 성능을 제공합니다. 고유동, 사출 성형 가능 등급은 용융 흐름 지수(MFI)가 40이므로 추가 게이트를 추가할 필요 없이 복잡한 형상을 잘 채울 수 있습니다. 추가 게이트는 주변 재료보다 약한 니트라인을 생성하며 구조적 부품, 특히 충돌 테스트를 통과해야 하는 부품에서는 피해야 합니다.

높은 충돌 성능과 장기적인 내구성이라는 경쟁적인 요구 사이의 균형을 맞추기 위해 팀은 하이브리드 접근 방식을 취하고 브래킷을 분할했습니다. 범퍼를 프레임에 결합한 부분은 HSLA 강철로 유지되지만 외부 부분은 합성물로 변환됩니다. 이 접근 방식은 부품을 통합하고 질량을 줄이며 안개등을 통합할 수 있는 더 큰 설계 자유를 허용하지만 복합 부분은 고속 측면 충돌에서 분리되어 휠 방향이 가능한 한 오랫동안 세로로 유지되도록 설계됩니다. 조향 능력을 유지하는 데 도움이 됩니다. GM의 모든 요구 사항을 충족하기 위해 조립 중에 조정할 수 있는 3개의 부싱과 함께 일부 금속 인서트가 브래킷의 합성 측면에 추가되었습니다. 설계자들은 브래킷의 다리(복합/갈색 CAE 디자인에 표시된 곡선형 끝 부분)가 안개등을 포함하도록 확장되어 해당 위치에 별도의 브래킷이 필요하지 않도록 하는 재료에 문제가 없음을 발견했습니다(그림 1).

프로젝트가 진행되고 물리적 부품이 생산 및 테스트됨에 따라 팀은 CAE 모델이 상당히 정확하다는 사실을 알게 되어 기뻤습니다. "처음에는 충돌 모델링에서 내구성과 높은 G 하중 측면에서 고주기 피로를 예측하려고 했기 때문에 부품을 제대로 시뮬레이션할 수 있는지 궁금했습니다."라고 Heo는 말합니다. "놀랍게도 셰이커 테스트에서 예측된 결과와 측정된 결과 사이의 상관관계는 충돌에도 가깝습니다." 최종 브래킷 디자인은 6개월 이내에 완료되었습니다. 크기는 약 41 x 46cm이고 공칭 벽은 3mm이며 고급 기계를 위한 늑골이 있습니다.

툴링은 Integrity Tool &Mold Inc.(캐나다 온타리오주 올드캐슬)에서 생산했으며 4개의 부품을 생산하는 순차 밸브 게이팅이 있는 2개의 캐비티/플레이트 및 2개의 다이렉트 드롭(콜드 러너)이 있는 통풍이 잘 되는 2+2 스택 몰드를 특징으로 합니다. /cycle은 Silverado 빌드 볼륨이 높기 때문입니다. 플랫폼. FNG의 Ventra Evart 사업부가 성형기입니다. 버튼 간 주기는 60초입니다.

중요한 성과

처음 상업적으로 사용되었을 때 구조적 범퍼 브래킷에 대한 GM의 하이브리드 접근 방식(그림 2)은 많은 이점을 가져왔습니다. 첫째, 모달, 응력, 피로 및 충돌 테스트에서 동등하거나 우수한 성능을 달성했습니다(아래 표 참조).

디자인

10Gx

20Gx

1 ^st 모드 주파수(Hz)

최대 변위(mm)

최대 응력(MPa)

최대 변위(mm)

최대 응력(MPa)

하이브리드 스틸/복합 브래킷

2.00

213

3.97

381

31.7

벤치마크 전체 강철 브래킷

2.36

259

4.45

480

30.1

금속 인서트가 있는 하이브리드 복합 브래킷은 질량을 줄였을 뿐만 아니라 맞춤형 형상으로 응력과 모달 성능을 모두 향상시켰습니다.

둘째, 복합소재의 자유로운 디자인 덕분에 상대적으로 작은 패키지 공간에서 보다 공격적인 스타일링이 가능해졌습니다. 셋째, 한 쌍의 하이브리드 브래킷의 질량이 벤치마크에 비해 차량당 2.5kg 감소했습니다. 그리고 질량 분해 효과 덕분에 범퍼 모서리가 가벼워짐에 따라 범퍼 마운팅 브레이스 및 기타 구성 요소의 게이지 감소가 가능해지므로 프론트 범퍼 시스템의 총 질량은 이전 2016년 모델에 비해 7.3kg 감소했습니다.

또한 복합 브래킷이 녹슬지 않아 부식 위험 및 보증 비용이 감소했습니다. 질량 감소는 연비 개선에 기여하거나 법적 도로 하중 제한을 초과하지 않고 더 무거운 탑재물을 운반할 수 있게 함으로써 소비자에게 이익이 됩니다.

개별 가격 기준으로 하이브리드 브래킷은 사출 금형의 추가 비용으로 인해 세척되었습니다. 시스템 비용을 기준으로 했을 때 추가 구성 요소를 축소할 수 있는 기능으로 인해 비용이 절감되었지만 실제 절감액은 수량화하기 어렵습니다. 브래킷은 3년 이상 문제 없이 생산되고 있습니다.

차세대 Silverado를 위해 , 허의 팀은 프론트 범퍼에 하이브리드 브래킷을 계속 사용할 계획이지만, 그는 이미 팀원들에게 리어 범퍼 브래킷에 하이브리드 접근 방식을 취하는 방법에 대해 생각하기 시작하도록 도전했습니다. 리어 범퍼의 모서리에 스텝 어시스트 기능이 포함되어 있어 사람들이 픽업 박스에 더 쉽고 안전하게 오르내릴 수 있기 때문에 문제가 복잡합니다. 또한 더 많은 구성 요소(예:백업 경고 센서)가 강철 스킨 뒤에 패키징되어 패키지 공간이 줄어듭니다.

"우리는 문제를 살펴보고 제품이 어떻게 사용되는지, 기능 요구 사항이 무엇인지 파악한 다음 한계를 뛰어 넘는 스마트 엔지니어링 접근 방식을 계속 사용할 것입니다."라고 Heo는 결론지었습니다.