자동차 대량 감소, 대량 생산을 위한 탄소 섬유/에폭시

IACMI 프로젝트 3.2는 새로운 에폭시 기반 수지 시스템이 주입된 탄소 섬유 강화 복합 재료를 평가하여 고용량 승객의 1차 차체 구조에 대한 고하중, 안전이 중요한 응용 분야에서 금속을 대체하기 위해 복잡한 기하학적 구조의 복합 구조 부품을 개발했습니다. 차량. 평가된 첫 번째 응용 프로그램 중 하나는 테스트 차량의 B 기둥에 탄소 섬유/에폭시 프리프레그를 사용하는 것이었습니다. 고성능 프리프레그 재료는 직접적으로 3킬로그램의 질량을 감소시키고 주변 판금의 하향 측정을 가능하게 하여 더 저렴한 합금으로 지정할 수 있어 추가 중량 및 비용 절감을 제공합니다. 출처 | 포드 자동차 주식회사

대부분의 지역에서 자동차 제조업체는 2025년 테일파이프 배출 감소 및/또는 승용차의 연비 개선에 대한 도전 과제에 직면해 있습니다. 그러나 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 근본적으로 새로운 자동차 기술을 개발하는 것은 비용이 많이 들기 때문에 공급망 구성원이 경쟁 전 연구 비용을 공유할 수 있도록 하는 컨소시엄이 많은 국가에서 사용되고 있습니다.

미국에서는 그러한 조직 중 하나가 첨단 복합재 제조 혁신 연구소(IACMI—The Composites Institute, Knoxville, Tenn., U.S.)입니다. 조직의 이니셔티브 중에서 산업계, 학계 및 정부의 IACMI 회원은 엔지니어링 문제를 해결하고 차량 질량을 개선하며 에너지를 줄이기 위해 통합 재료/공정 개발, 모델링/시뮬레이션, 다중 재료 결합 및 재활용을 포함한 다각적 프로젝트에 참여합니다. 소비와 배출, 그리고 새로운 미국 일자리를 창출합니다.

프로젝트 3.2와 불가능한 수지 시스템

프로젝트 3.2는 IACMI가 2015년 6월에 형성되었을 때 수행한 첫 번째 프로젝트 중 하나였지만 프로젝트에 사용된 기술은 IACMI가 생성되기 몇 년 전에 Ford Motor Co.(Dearborn, Mich. , 미국) 및 당시 Dow Automotive(현재 The Dow Chemical Co., Midland, Mich., US)였습니다. IACMI가 형성되고 Project 3.2가 시작되었을 때 Ford와 Dow는 새로운 에폭시 수지 시스템에 대한 이전 작업을 프로그램에 도입했습니다. IACMI와 합류한 후 프로그램은 결국 이 혁신적인 수지의 새로운 용도를 나타내는 여러 단계를 포함하도록 확대되었습니다. 프리프레그 B 필러, 전체 시트 몰딩 컴파운드(SMC) 데크 리드 및 SMC/알루미늄 리프트게이트.

Dow for Ford에서 개발한 VORAFUSE라는 수지 제품군은 프리프레그 및 SMC에 사용하고 북미 자동차 산업에서 널리 사용되는 압축 성형 장비에서 처리하도록 설계되었습니다. Ford의 요구 사항에 따라 수지의 유리 전이 온도(T_g ) 150-160°C, 145-155°C에서 성형, 150°C에서 2분 이내에 경화(1분 미만 경화 가능), 대용량( 100,000+/년) 차량 생산. 95% 이상의 성형 후 경화를 달성합니다. 시스템에는 용매 및 휘발성 유기 화합물(VOC)이 없습니다.

Dow Polyurethanes R&D의 Dave Bank 펠로우는 "Ford가 정의한 CTQ[품질에 중요한 요구 사항]은 독특하며 이전에는 단일 상용 제품에서 달성된 적이 없습니다."라고 설명합니다. "이러한 이유로 이러한 까다로운 사양을 충족하려면 새로운 화학 물질과 고도로 비전통적인 제품이 필요했습니다."

“수지/경화제 블렌드에서 저장 안정성과 중합의 열역학적 분리는 경화를 진행하지 않고 탄소 섬유에 주입할 수 있는 건조 페이스트를 생성하고 건조하고 비점착성 성형 화합물을 생성합니다.”라고 Bank가 덧붙입니다. "하지만 성형 조건이 150°C에 도달하면 화학 반응이 '뜨거워'지고 경화가 빠르게 진행됩니다." Dow는 21개의 특허 출원을 제출했으며 지금까지 이 기술에 대해 4개의 특허를 받았습니다.

VORAFUSE 시스템의 추가 기능:

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상온에서 50일 이상 보관 안정성이 있지만 150°C 이상에서 급속 경화됩니다. 보관 온도가 40°C를 초과하지 않는 한 키트 절단 및 성형 전에 냉동실 보관이 필요하지 않습니다.

점착성이 없는 화학 물질은 자동 취급에 이상적입니다. 기존 프리프레그의 점착성이 없기 때문에 로봇 및 기타 자동 처리 장비에 축적 및 관련 문제가 발생하지 않습니다.

새로운 내부 이형제(IMR)가 포함되어 있어 가공업자가 외부 이형제를 도구 표면에 적용하기 전에 1,000개 부품을 성형할 수 있습니다. 에폭시는 일반적으로 금속에 효과적인 접착제이기 때문에 IMR과 반대입니다.

경화되지 않은 제품은 리브/보스와 같은 복잡한 형상을 성형하는 데 이상적인 불연속 섬유 강화 화합물로 재료를 잘게 자르고 성형 시스템에 다시 공급하여 고부가가치 부품으로 재활용할 수 있습니다. 기존의 에폭시 프리프레그 및 SMC와 달리 경화되지 않은 모든 스크랩을 재사용할 수 있으므로 재료의 지속 가능성을 높이고 부품 비용을 증가시키는 스크랩 손실을 줄일 수 있습니다.

1단계:프리프레그 B 기둥

VORAFUSE가 프로젝트 3.2에 도입된 후 IACMI는 전체 프로젝트의 1단계가 될 자동차 애플리케이션에 대한 작업을 시작했습니다. 팀 구성원으로는 Ford, Dow, DowAksa US LLC(Az. Tucson, DowAksa BV의 미국 기반 자회사, Dow Chemical과 Aksa Akrilik Kimya Sanayii A.Ş., Çiftlikköy-Yalova, 터키 간의 50/50 합작 투자); 미시간 주립대학교(미국 미시간주 이스트랜싱); 퍼듀 대학교(미국 인디애나주 웨스트 라파예트); 테네시 대학교 녹스빌(미국 테네시주 녹스빌); Continental Structural Plastics(CSP, Auburn Hills, Mich., U.S.); 및 Oak Ridge 국립 연구소(Oak Ridge, Tenn., U.S.)

첫 번째 단계에서 연구원들은 에폭시가 함침된 연속(편조 및 비압축 직물) 탄소 섬유 강화 프리프레그를 개발했습니다. VORAFUSE P6300 수지는 DowAksa A42 D012 24K 표준 모듈러스 탄소 섬유와의 호환성을 위해 공식화되었습니다. 팀의 목표는 탄소 섬유/에폭시 프리프레그를 사용하여 복잡한 형상을 가진 구조용 복합 부품을 개발하여 고용량 차량의 기본 차체 구조에서 고하중 및 안전이 중요한 응용 분야에서 스탬프 금속을 대체하는 것이었습니다.

기술 시연자의 경우 Ford Fusion 한쪽 면의 B 기둥 테스트 차량을 사용했습니다. 먼저 시뮬레이션을 통해 생존 가능성을 평가한 다음 물리적 부품을 성형하고 전면적인 차량 충돌을 포함하여 필요한 모든 테스트를 거쳤습니다. 기존 금속과 비교하여 측면당 3kg의 질량을 줄인 플라잉 컬러로 부품을 통과했습니다. 경화되지 않은 스크랩은 기둥의 복잡한 리브 구조를 형성하기 위해 재활용되었습니다. 고성능 합성물을 사용하여 주변 판금을 다운게이징할 수 있으며, 이 판금을 보다 저렴한 합금으로 지정할 수 있어 추가 중량 및 비용 절감 효과를 얻을 수 있습니다.

Ford의 모든 요구 사항을 통과한 이 소재는 탄소 합성물 집약적인 Ford GT의 전면 루프 헤더와 전면 바닥 마감 패널에 처음으로 상업적으로 사용되었습니다. 슈퍼카.

당연히 탄소 섬유/에폭시 프리프레그는 비용 프리미엄이 붙기 때문에 상당한 중량 절감 기회에 대한 프리미엄을 지불할 수 있는 상당한 질량 감소 의무가 있는 차량에 가장 적합합니다.

최근에 Project 3.2는 구조용/구조용 신규 에폭시를 사용한 탄소 섬유 강화 SMC에 중점을 두었습니다. 데크 리드(왼쪽)와 리프트게이트(오른쪽)의 내부 패널. 프로젝트는 현재 종료되고 있지만 상업적으로 준비되어 있고 추가 작업이 필요한 영역을 가리키는 흥미로운 기술을 생산했습니다. 출처 | 포드 자동차 주식회사

2단계/작업 흐름 1:모든 SMC 데크 리드

프리프레그의 성공을 바탕으로 프로젝트 연구원들은 다음으로 안전에 중요한 기능을 가진 복잡한 3D 구조에서 새로운 에폭시 수지를 사용하여 불연속 탄소 섬유 강화 SMC를 탐색했습니다. 한 데모에서는 탄소 섬유/에폭시 SMC가 접착된 데크 리드(트렁크 리드)의 내부/구조 패널로 사용되었고 다른 데모에서는 훨씬 더 크고 복잡한 접착 리프트게이트의 내부/구조 패널에 사용되었습니다( 유리창, 와이퍼 모터, 조명 등을 포함하는 후면 해치/도어). 두 작업 흐름 모두에서 원래 설계 제약 조건, 하드웨어, 접합 기술 및 구조용 접착제는 변경되지 않은 상태로 유지되었습니다. 300 MPa 이상의 인장 강도와 40 GPa 이상의 인장 강성(기존 주조 마그네슘 및 알루미늄에 필적하는)의 도전적인 기계적 목표가 사용되었습니다. SMC도 프리프레그보다 높은 유량이 필요했기 때문에 약간 다른 등급인 VORAFUSE M6400이 개발되었습니다.

현재 유리/SMC 기술에 대한 점진적인 발전을 나타내는 데크 리드 데모의 경우 탄소 섬유/에폭시 SMC는 Lincoln MKS의 데크 리드 내부용 기존 구조용 유리 섬유 강화 불포화 폴리에스테르 SMC를 대체했습니다. 프로토타입 차량. 탄소 섬유/에폭시 SMC 내부 패널은 기존 표준 밀도(1.9SG) 유리 섬유/폴리에스터 SMC를 대체하는 저밀도(LD, 1.25SG) 유리 섬유/폴리에스터 SMC 외부 패널에 결합되었습니다. 이전 외부 패널 재료와 새 외부 패널 재료는 모두 클래스 A와 호환됩니다. 탄소 섬유/에폭시 SMC 내부 및 유리 섬유/폴리에스터 외부 패널을 모두 성형하기 위해 원래 도구를 재사용했습니다. 수축(두 수지 시스템 간에 약간씩 다름)은 적합성 및 마감 문제를 일으키지 않을 만큼 충분히 가깝습니다(즉, 유의미한 치수 변화가 관찰되지 않음).

가상 프로토타이핑은 접합된 어셈블리를 비틀림 강성, 전면 모서리 강성, 폭포수 편향 및 래치 하중을 포함하여 여러 가지 까다로운 하중 사례에 적용했습니다. 다음으로 수십 개의 내부 및 외부 패널이 성형, 접착 및 테스트되었습니다. 여기에는 시속 89km의 험난한 후방 충돌이 포함됩니다. 어셈블리는 문제 없이 가상 및 물리적 테스트를 모두 통과했습니다.

Decklid 질량은 벤치마크에 비해 30% 감소했습니다(10.5kg에서 7.33kg). 그러나 예산이 허락한다면 내부 패널을 재조정할 수 있었습니다. 내부 패널은 기존 제품에 비해 더 높은 기계적 성능을 감안할 때 더 얇게 설계될 수 있었습니다. 그러면 연구자들은 2밀리미터 벽으로 질량을 최소 35% 줄일 수 있었을 것으로 계산합니다. 1.5밀리미터 벽으로.

탄소 섬유/에폭시 SMC는 Ford의 모든 요구 사항을 통과했으며 이제 상업용 플랫폼에서 사용할 수 있지만 기존 유리 섬유/폴리에스터 SMC보다 비용이 많이 듭니다.

2단계/작업 흐름 2:SMC/알루미늄 리프트게이트

마지막 프로젝트를 위해 연구원들은 경량 금속을 탄소 섬유/에폭시 SMC로 대체하여 Ford Mondeo의 더 크고 복잡한 리프트게이트를 위한 하이브리드(금속/복합체) 접합 어셈블리를 생산하는 정말 어려운 시나리오로 전환했습니다. 5도어/해치백 테스트 차량. 차량 제작 순서에 대한 변경을 최소화하기 위해 연구원들은 전기영동 녹 코팅(e-coat) 처리 및 관련 페인트 베이킹 주기 전에 BIW(body-in-white)에 어셈블리를 추가하도록 설계했습니다.

탄소 섬유/에폭시 SMC는 기존 알루미늄 외부 패널에 접합된 구조/내부 패널용 마그네슘을 대체했습니다. 복합 패널을 생산하기 위해 새로운 도구를 만들어야 했기 때문에 부품이 재설계되었습니다. 패널 두께는 강성/강도 요구 사항 및 리빙 추가에 따라 다양했습니다. 또한 가스 스트럿, 래치, 힌지 및 잠금 장치의 고하중 부착 영역에 금속 보강재를 사용하여 복합재 패널을 다소 두껍게 만들었습니다. 패키지 공간이 허용하는 수준입니다.

Ford Mondeo의 5도어/해치백 버전용 SMC/알루미늄 리프트게이트(금속 하드웨어 포함)의 분해도. 출처 | 포드 자동차 주식회사

이러한 다중 재료 어셈블리는 비틀림 및 굽힘 하중, 측면 안정성, 내부식성, 장기 내구성 및 후방 충돌 테스트를 비롯한 까다로운 요구 사항을 충족해야 했습니다. 또한 여백 및 플러시와 관련하여 엄격한 치수 안정성 요구 사항을 충족해야 했습니다.

하이브리드 시스템은 대부분의 요구 사항을 쉽게 통과했지만 복합 내부 패널과 알루미늄 외부 패널 사이의 선형 열팽창 계수(CLTE) 불일치로 인해 적합성 및 마감 문제가 있었고, 이로 인해 접합 조인트에 잔류 응력 축적 및 냉각 후 패널 변형이 ​​발생했습니다. 아래에. Purdue University의 시뮬레이션 팀과의 후속 작업은 더 잘 작동할 접착제를 리버스 엔지니어링하기 위해 1K 에폭시 접착제(전자 코팅 온도를 견딜 수 있는 능력 때문에 선택)의 모듈러스, 강도 및 경화 동역학 예측을 개선하는 데 중점을 두었습니다. 뒤틀림이 한 단계 감소했지만 목표를 약간 빗나갔습니다. 몇 가지 솔루션이 가능합니다. 2K/실온 경화 또는 유도 경화 접착제를 시도하거나 새로운 고온 접착제를 개발할 수 있습니다. 장기적으로 외부 패널에서 알루미늄을 탄소 섬유 복합재로 교체하면 리프트게이트를 오프라인으로 생산하고 나중에 차량 제작 시퀀스에 추가하는 것처럼 문제가 제거됩니다. 그러나 두 옵션 모두 비용이 추가됩니다.

프로젝트 3.2는 이제 마무리 단계지만 흥미로운 기술을 생산했으며, 그 중 일부(B 필러 프리프레그 및 SMC 데크 리드)는 상용화 준비가 되었으며 일부는 추가 작업이 필요한 영역을 가리킵니다.

프로젝트 3.2 리더인 Patrick Blanchard는 "IACMI 및 산업 및 학계 파트너와 협력하여 첫 번째 교장부터 기술에 대해 훨씬 더 깊이 파고들어 기초 과학을 개발하고 훨씬 더 광범위한 지식 기반을 활용할 수 있었습니다."라고 요약합니다. 기술 리더의 첨단 폴리머 시스템, Ford의 연구 및 혁신. "IACMI 파트너와 계속 협력하기 위해 새로운 상업적 기회와 R&D 활동을 식별하기를 기대합니다."