열가소성 복합 구조가 안전에 중요한 브레이크 페달의 금속을 대체합니다.

자동차 산업은 1990년대에 가속 페달을 금속에서 사출 성형된 짧은 유리 열가소성 플라스틱으로 전환했습니다. 그러나 강성, 강도 및 비틀림 하중 요구 사항이 까다로운 안전에 중요한 구성 요소인 브레이크 페달은 변환하는 데 훨씬 더 오랜 시간이 걸렸습니다. Tier 1 자동차 공급업체인 Boge Rubber &Plastics Group(독일 담메 소재)은 열가소성 복합 재료의 브레이크 페달에 대한 까다로운 OEM 성능 및 비용 목표를 충족하는 최초의 공급업체라고 말합니다. 독특한 디자인, 3가지 다른 재료 및 맞춤형 생산 프로세스를 통해 회사는 더 강하고 더 단단하며 더 낮은 무게와 더 낮은 비용의 페달을 생산할 수 있습니다.

중요한 틈새 시장 찾기

Boge는 자동차 산업용 경량 플라스틱 모듈 및 페달 박스(브레이크, 클러치 및 가속 페달 조합 포함)뿐만 아니라 진동 감쇠 및 파워트레인/섀시 장착용 제품의 개발 및 생산업체입니다. 이 회사는 2008년부터 짧은 유리 오버몰딩 화합물을 사용하여 연속 섬유 유기 시트로 자동차 부품을 생산해 왔습니다. 2018년에는 단방향(UD) 열가소성 테이프를 믹스에 추가했습니다. 지속적인 공정 혁신을 통해 주기 시간과 비용이 감소하고 비즈니스가 증가했습니다.

"2015년에 제 상사가 저에게 와서 '당신이 만든 이러한 변화는 훌륭합니다, Daniel. 그러나 정말로 중요한 생산량을 가진 더 큰 시장을 찾을 수 있다면 좋을 것입니다'라고 말했습니다."라고 Dr.-Ing는 회상합니다. . Boge 글로벌 이노베이션 센터의 경량 팀 책임자인 Daniel Häffelin 선임 관리자입니다. Boge 엔지니어 팀은 도전을 수락하고 비용을 줄이고 더 많은 비즈니스를 확보하기 위해 광섬유 효율성을 높이는 방법을 브레인스토밍했습니다.

"Organosheet는 훌륭한 제품이지만 필요한 경우에만 올바른 방법으로 사용해야 합니다."라고 Häffelin이 설명합니다. “우리는 이미 생산 프로세스를 매우 간소화했기 때문에 사이클 시간을 더 줄이려고 해도 많은 것을 얻지 못할 것입니다. 비용을 줄이는 가장 좋은 방법은 광섬유를 더 효율적으로 사용하여 사용하는 무한 광섬유의 양을 줄이는 것이라고 추론했습니다.”

단순히 페달을 더 작거나 얇게 만드는 것 또한 작동하지 않을 것입니다. 브레이크 페달의 크기와 모양에 실질적인 제약이 있기 때문입니다. 안전이 중요한 특성으로 인해 성능 사양이 까다롭습니다. 가장 합리적인 것은 섬유 방향을 더 잘 제어하여 가장 높은 피크 하중을 보인 부품 영역에서 국부적 특성을 최적화하고 덜 중요한 영역에서 벽 두께를 줄일 수 있는 기회를 제공하는 방법을 찾는 것이었습니다.

Boge Rubber &Plastics Group의 CEO인 Dr. Torsten Bremer는 "우리는 섬유를 국부적으로 '조정'하는 방법을 모색하여 강성과 강도를 유지하기 위해 필요한 곳에 섬유를 배치할 수 있었습니다. “원칙적으로 스포츠 용품과 의료에 사용되는 픽 앤 플레이스 기계를 이미 고려했기 때문에 이것이 가능하다는 것을 알고 있었지만 너무 비쌌습니다. 그때 우리는 새로운 프로세스가 필요하다고 결정했습니다.”

"우리는 이미 독일 OEM과 협력하여 성능과 비용 요구 사항을 충족하는 복합 브레이크 페달을 만드는 방법을 찾고 있었습니다."라고 Boge Plastics &Rubber Group 부사장 겸 제품 라인 리더인 플라스틱의 Burkhard Tiemann은 회상합니다. “고객님께 'UD 테이프와 오가노시트를 사용하여 새로운 공정을 개발하겠다'고 하셨고, 고객이 '질량과 비용을 더 줄일 수 있다면 그렇게 하겠다'고 했습니다. 그것이 우리의 출발점이었습니다. 우리는 2015년에 더 저렴하고 더 가벼우며 대량으로 생산할 수 있는 복합 브레이크 페달을 제공할 수 있다는 큰 약속을 했습니다. 세부 사항을 파악하고 첫 제품을 제공하는 데 3년이 걸렸습니다.”

파이버 스티어링

복합 브레이크 페달은 기존 강철 또는 알루미늄 페달과 동일한 성능 사양을 충족해야 합니다. 여기에는 최대 하중에서 3,000뉴턴의 높은 하중과 강철과 같은 변형이 있는 특수 고장 모드 요구 사항이 포함됩니다. 이러한 요구 사항과 사용 가능한 제한된 패키지 공간을 감안할 때 최대 하중을 전달하는 페달의 메인 쉘 구조에는 지속적인 섬유 보강이 필요합니다. 따라서 팀은 오르가노시트를 사용하여 페달 백본을 형성하기로 결정했습니다. 그런 다음 UD 테이프는 강성/강도를 국부적으로 증가시키고 예비 성형 동안 U-채널로 후속적으로 구부러지는 부품 영역에서 최대 응력 동안 내부 벽을 강화하는 데 사용됩니다. 그리고 리브와 같은 기능적 기하학이 필요한 영역에서는 잘게 자른 유리 오버몰딩 컴파운드가 지정되었습니다. 팀은 이 하이브리드 방식이 재료 사용량, 평균 벽 두께 및 주기 시간을 줄이는 동시에 섬유 효율성을 높일 것이라고 생각했습니다.

팀은 생산 중 섬유 위치를 최적화하기 위해 집중적인 시뮬레이션 작업을 시작했습니다. Boge 작업의 기초는 SoWeMa(완전 자동 폐쇄형 경량 제조 체인을 위한 소프트웨어, 도구 및 기계 개발)라고 하는 2011-2014년 공적 자금 지원 독일 연구 프로그램을 기반으로 했습니다.

Häffelin은 "SoWeMa 연구는 1년 후 우리의 벤처에 대해 물어볼 많은 질문을 다루었습니다."라고 설명합니다. "설계는 Boge의 핵심 노하우의 일부이기 때문에 SoWeMa 프로그램의 기초부터 시작하여 이방성 레이업 구조에 대한 자체 FE(유한 요소) 시뮬레이션 기능을 구축했습니다."

초점 영역 중 하나는 테이프 레이업과 리브 구조를 위한 결합된 토폴로지 최적화였습니다. CRRC 혁신 센터의 FEA 엔지니어인 K. Siebe는 다음과 같이 말합니다. "UD 테이프, 유기 시트 및 단섬유 재료의 재료 조합은 고유하고 해당 응용 프로그램이 특정 습도 및 온도 창에 종속되기 때문에 우리는 이러한 재료가 물리적 테스트 중에 어떻게 동작하는지를 보다 정확하게 특성화하기 위해 자체 재료 카드를 만들었습니다. "

Boge는 시뮬레이션 결과와 주어진 페달 설계를 기반으로 각 재료에 대한 레이어 구조와 섬유 아키텍처를 지정했습니다. Lanxess Deutschland GmbH(독일 쾰른)는 45-50%의 섬유 부피 분율(FVF)로 유기 시트를 공급합니다. FVF가 55-60%인 UD 열가소성 테이프는 Celanese Corp.(미국 텍사스주 어빙)에서 공급했습니다. 40-60% 섬유 중량 분율(FWF)의 이 응용 프로그램을 위한 짧은 유리 주입 화합물은 여러 출처에서 공급되었습니다. 모든 재료는 검정색이며 폴리아미드 6 또는 6/6(PA6, PA6/6) 매트릭스가 특징입니다. 고객 사양을 충족하기 위해 PA6은 세 가지 복합 재료 유형 모두에 대한 기본 수지입니다. 그러나 제조 중 습도와 온도 수준, 공간 제약 및 페달 형상에 따라 Boge는 오버몰딩 수지에 PA6/6을 사용할 수도 있습니다. 두 폴리머가 잘 접착될 만큼 충분히 유사하기 때문입니다.

3단계 생산

디자인과 병행하여 팀은 3단계 생산 프로세스를 진행했습니다. 첫 번째 단계에서 맞춤형 섬유 블랭크는 부품의 쉘 구조를 강화하기 위해 하중 경로에 정렬된 UD 테이프 스트립을 전략적으로 고정하기 위한 안정적인 기반으로 사전 절단 및 사전 통합된 유기 시트를 사용하여 생성됩니다. 두 번째 단계에서는 블랭크를 이동하고 순차적으로 가열, 통합 및 성형/드레이프합니다. 세 번째 단계에서는 늑골이 있는 구조를 만들기 위해 짧은 유리 화합물로 오버몰딩됩니다.

빠른 사이클 시간을 달성하기 위해 이 시스템에 로봇 핸들링이 제공되었습니다. 팀이 포함하고자 하는 주요 프로세스 기능은 길이, 방향 및 유기 시트 쉘의 한 면에 있는 임의의 위치에 테이프를 배치하고 테이프가 이동하지 않도록 쉘에 레이저로 고정할 수 있는 유연성이었습니다. 후속 단계에서.

팀이 내린 또 다른 결정은 레이업 직후가 아니라 드레이핑/예비 성형 및 오버몰딩 직전에 맞춤형 블랭크를 사전 통합하는 것이었습니다. 팀은 어쨌든 드레이핑/예비 성형 중에 재료를 재가열해야 하고 비용 효율성을 위해 총 사이클 시간을 1분에 가깝게 유지해야 한다고 추론했습니다. 따라서 Boge는 테이프와 유기 시트 사이에 강력한 기계적 결합을 생성하기 위해 고압과 결합된 급격한 온도 증가를 사용하여 드레이핑/예비 성형 직전에 블랭크를 가열하고 통합합니다. 가열이 멈추고 부품 온도가 떨어지기 시작합니다. 아직 뜨거운 통합 블랭크가 드레이핑 캐비티로 이동하기 전에 다시 이동하고 두 번째 캐비티의 리브 및 기타 기능적 특징으로 오버몰딩됩니다. 확인된 폴리머 사슬 침투와 함께 강력한 기계적 결합이 세 가지 재료 모두에서 달성됩니다. 성형 후 마무리가 필요하지 않습니다.

이러한 안전이 중요한 부품에 대한 품질 요구 사항을 충족하기 위해 팀은 제조 공정의 각 단계에서 재료를 확인하는 비전, 힘, 시간, 압력 및 온도 센서를 사용하는 빠르고 정확한 인더스트리 4.0 호환 시스템도 개발했습니다. 그런 다음 시스템은 해당 데이터를 저장하고 각 페달의 고유 식별 번호에 다시 연결합니다. 이를 통해 관련된 모든 자재, 교대 및 공정 설정을 100% 추적할 수 있습니다.

현재까지의 성과

Boge의 맞춤형 완전 자동화 및 품질 관리 프로세스는 2018년 프로토타입에서 대량 양산으로 단계를 올렸습니다. 대략 1분마다 새로운 페달을 생산하는 현재 제조 셀은 연간 최대 100만 부품을 제조할 수 있습니다. 복합 페달은 이전 디자인보다 33% 적은 유기 시트를 사용하고 공칭 벽 두께는 3mm에서 2mm로 떨어졌습니다. 페달은 또한 50-55% 더 가볍지만 강철에 대한 강도 요구 사항을 충족하거나 능가합니다. 더 가벼운 페달은 드라이빙 햅틱을 향상시킵니다. 소비자를 위해 그리고 전체 시스템은 수명이 다했을 때 100% 재활용 가능합니다. 현재 공정에서 합성 페달은 알루미늄과 동등하고 강철보다 약간 더 비싸다. 기타 자동차 및 스포츠용 제품도 개발 중입니다.

자동차 제조업체가 자원을 차량 전기화로 전환함에 따라 미래는 어떻게 될까요? Häffelin은 "드라이브 바이 와이어(전자 기계식 작동 시스템)와 파워트레인 전기화가 더 보편화됨에 따라 가속 페달은 사라질 수 있지만 브레이크 페달은 남아 있을 것입니다."라고 생각합니다. “그러나 우리는 브레이크 페달에서 센서를 포함한 더 큰 전자 통합을 보게 될 것입니다. 그러면 부품 복잡성이 크게 증가하여 복합 재료가 더욱 만들어집니다. 금속보다 경쟁력이 있습니다.”

재료 사용, 공정 단계 및 장비 기준은 CW에 자세히 설명되어 있습니다. 의 2021년 1월 후속 기사 "맞춤 공정으로 1분마다 복합 브레이크 페달을 생산합니다."