스켈레톤 디자인으로 보다 경쟁력 있는 합성 자동차 구조 가능

제조업체가 복합 부품의 비용을 줄이기 위해 노력함에 따라 설계자는 구성 재료를 가능한 한 효율적으로 사용하는 동시에 자동화된 생산 및 여러 기능의 통합을 가능하게 하려고 노력합니다. 자동차 애플리케이션의 경우 1-2분 정도로 짧은 사이클 시간이 필요하기 때문에 이 문제가 더욱 악화됩니다.

연속 섬유 프리폼 위에 열가소성 복합 재료를 사출 성형하는 오버몰딩은 수년 동안 가능한 솔루션으로 추구되어 왔습니다. 예를 들어, CAMISMA 프로젝트는 2014년에 오버몰딩된 복합 소재 시트 등받이를 시연했습니다("CAMISMA의 카시트 등받이:대용량 하이브리드 복합 소재" 참조) . SGL Carbon(독일 비스바덴) 경량 및 응용 센터 책임자인 Dr. (LAC, 독일 마이팅겐).

이러한 발전은 수년 동안 개발된 "스켈레톤" 설계 접근 방식 덕분입니다. 처음으로 2015년 MAI Skelett 프로젝트에서 시연된 이 프로세스에는 단방향(UD) 탄소 섬유 열가소성 사용이 포함됩니다. 모든 이전 버전 요구 사항을 초과하는 구조적 지붕 부재를 생산하기 위해 75초의 2단계 공정으로 열성형 및 오버몰딩된 인발. 또한 부착용 클립을 통합하고 BIW 잔류 강도를 높이기 위해 취성에서 연성 파손 모드로 충돌 동작을 변경합니다("MAI Skelett 설계 프로세스에 대한 자세한 내용" 참조).

MAI Skelett 데모

17개월에 걸친 MAI Skelett 프로젝트는 독일 연방 교육 연구부(BMBF)의 지원을 받았고 Carbon Composites e.V.의 지역 부서인 MAI Carbon이 완료했습니다. (Augsburg) 네트워크. BMW(독일 뮌헨)가 주도하는 이 프로젝트의 초점은 유리 앞유리 위의 두 A 기둥 사이에 위치한 앞유리 프레임이라는 특정 데모를 구현하는 것이었습니다. 디자인은 현재의 BMW i3를 기반으로 했습니다. 모든 기능 및 공간 요구 사항을 포함한 구조. 앞유리 프레임은 지붕의 가로 구조 부재 역할을 할 뿐만 아니라 다음과 같은 다른 기능도 제공합니다. 충돌 요구 사항을 충족하는 데 도움이 되는 강도(지붕 누르기 테스트); 내부 구성 요소용 고정 장치(예:바이저, 내부 트림, 조명용 배선 하니스 등) 및 앞유리, 선루프 및 외부 루프 패널과의 연결을 위한 지지대.

스켈레톤 디자인의 앞유리 프레임은 부품 모서리에 있는 4개의 UD 섬유 강화 인발 막대로 구성되어 있으며 오버몰드 프레임으로 캡슐화되어 비틀림 강성과 복잡한 모양의 기능적 부착물을 제공합니다. 인발된 프로파일은 모두 한 평면에 있는 것이 아니라 다른 높이로 배열됩니다. 두 개는 60mm 높이 부품의 하단 근처에 있고 두 개는 상단 근처에 있습니다.

TP 도구 상자의 일부인 Pultrusion

MAI Skelett 앞유리 프레임의 경우 디자인을 위해 10x10mm 정사각형 단면이 완성되었습니다. 목표는 덜 비싸고 무거운 탄소 섬유를 사용하는 것이었습니다. 그러나 선택한 50K 견인 섬유는 무수한 필라멘트로 꽉 채워져 있어 수지 함침이 더 어렵습니다. . "일반적으로 이러한 문제는 최적화된 섬유 유도 및 퍼짐을 통해 최적의 함침에 도달하고 부피 기준으로 약 50%의 높은 섬유 부피 함량에 도달함으로써 극복할 수 있습니다."라고 열가소성 수지 Veronika Bühler의 SGL 제품 관리자가 말합니다. SGL은 이 기술을 마스터했으며 이제 열가소성 도구 상자의 일부로 인발을 제공합니다. “인발 방식인 열가소성 테이프 덕분에 우리는 이미 반제품에 대한 폭넓은 지식을 갖고 있었습니다. 그래서 우리는 현재 사용되는 인발 기술을 신속하게 적용하여 자체 프로필을 만들 수 있었습니다.” 이 프로세스에는 섬유 부피, 다공성 및 치수 정확도에 대한 품질 테스트가 포함됩니다. "자동화 및 로봇 핸들링 때문에 후자는 매우 중요합니다."라고 그녀는 계속합니다. "예를 들어, 인발된 프로파일의 잔류 응력으로 인해 곡률이 있을 수 없습니다."

인발 보강재 외에도 열가소성 수지는 MAI Skelett에서 조사되었습니다. 다양한 유형의 폴리아미드 6(PA6 또는 나일론 6)을 테스트하여 최적화된 인발 품질 및 속도에 필요한 점도와 유동성을 결정했습니다. SGL은 UD 테이프, 유기 시트, 단섬유 및 장섬유 강화 화합물용 절단 섬유, 현재 UD 강화 인발로 구성된 열가소성 도구 상자를 통해 프로젝트를 위한 다양한 재료를 제공했습니다. PA6 또는 현장 PA6을 포함한 폴리프로필렌(PP) 및 폴리아미드의 매트릭스. Bühler는 "복합 구조의 최적 성능을 달성하려면 섬유, 크기 및 매트릭스를 조화시키는 것이 필수적입니다."라고 말합니다.

그녀는 또한 현장 PA6에 대해 다음과 같이 설명합니다. "이것은 카프로락탐 단량체 또는 단일 단량체를 촉매 및 활성제와 반응시킨 다음 복합 부품을 성형하는 동안 중합 [긴 중합체 사슬을 형성]할 때입니다." 즉, 카프로락탐은 현장 중합 폴리아미드로. Bühler는 폴리머 그룹으로서 폴리아미드에는 PA66 및 PA12뿐만 아니라 추가 매트릭스 선택으로 특정 유형의 PPA가 포함된다고 말합니다.

앞유리 프레임 제조의 또 다른 중요한 측면은 열가소성 반제품이 성형 중 및 성형 후에 열성형되는 능력입니다. 이는 오버몰딩 중 융합 결합뿐만 아니라 모양의 추가 기능화를 가능하게 합니다. 둘 다 MAI Skelett 데모 디자인에서 중요한 요소였습니다.

열성형 및 오버몰딩

MAI Skelett 앞유리 프레임의 생산은 탄소 섬유/PA6 인발 프로파일로 시작되었습니다. 그런 다음 구성 요소의 모양과 다른 지점에서의 하중 도입을 수용하도록 수정해야 했습니다. 이를 위해 열성형이 선택되었으며, 탄소 섬유의 높은 강도와 ​​강성은 가능한 한 직선을 유지해야만 실현될 수 있다는 주된 우려가 있었습니다. 이는 인발된 철근을 매트릭스 흐름 방향으로 늘인 다음 철근의 끝 부분에서 평평하게 하고 구부러졌을 때 달성되었습니다(그림 1).

공정의 두 번째 단계는 열성형된 인발 성형 프로파일을 적외선 히터 아래에 놓아 50초 이내에 온도를 높인 다음 목적을 위해 개발된 자동화 처리 시스템을 사용하여 사출 금형으로 옮기는 것이었습니다. 프로젝트 내의 모든 부품은 기존 사출 성형 기계에서 생산되었습니다. 그런 다음 섬유 강화 화합물을 프로파일 위와 주변에 오버몰딩했습니다. 4개의 열성형된 인발 막대를 제자리에 고정하기 위해 오버몰딩 동안 몰드와 공정 모두에서 정밀도가 요구되었습니다.

2단계 프로세스의 총 주기 시간 (미리 만들어진 인발의 열성형 및 오버몰딩)은 대략 75초였습니다. Ebel은 "열가소성 매트릭스는 오버몰딩 전에 재용융되기 때문에 사전 제작 및 열성형 바를 형성하고 매우 짧은 주기 시간 내에 완성된 부품에 결합할 수 있습니다."라고 설명합니다. Bühler는 "일반적으로 열가소성 수지의 가용성은 금속 부품과도 접합이 가능합니다."라고 덧붙이며, 열가소성 열성형 및 사출 성형 공정은 대량 생산에 중요한 요소인 우수한 재현성과 공정 제어를 제공한다고 덧붙였습니다.

연성 파손

유리 및 탄소 섬유를 사용하는 호환 가능한 성형 화합물이 있는 PPA 및 PA6 프로파일 구성 요소에 대한보다 연성 파괴 모드를 탐색하기 위해 평가되었습니다. 더 연성 파괴 모드가 앞유리 프레임이 전달할 수 있는 하중의 양을 감소시켰지만, 이는 BIW 전체의 구조적 무결성을 향상시켰습니다.

해석 방법에는 솔리드 모델링, 철근 모델링(풀트러스가 오버몰딩을 보강하는 철근 역할을 하는 형상 모델링) 및 쉘 요소를 사용한 모델링과 이들의 다양한 조합이 포함됩니다. 소프트웨어에는 FE 솔버 ABAQUS(Dassault Systèmes, Paris, France) 및 Sandia National Laboratories(Albuquerque, N.M., U.S.)에서 개발한 Dakota 매개변수 솔버가 포함되었습니다. OptiStruct(미국 미시간주 트로이 소재 Altair Engineering)가 토폴로지 최적화에 사용되었습니다.

BMW는 최종 프로젝트 보고서에서 선호하는 재료 조합을 지정하지 않았지만 최종 시뮬레이션 및 테스트 결과에서 골격 구성 요소 앞유리 프레임의 핵심 설계 동인이 아닌 것으로 결정된 비틀림 강성을 제외하고 현재 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 부품에 대한 모든 요구 사항을 초과했습니다. 골격 설계는 현재 CFRP 부품과 비교하여 충돌 하중 사례에서 하중 수준과 에너지 흡수를 모두 초과했습니다. 또한 더 연성 파괴 모드를 달성하는 데 성공하여 복합 구조물 충돌 성능뿐만 아니라 충돌 성능에 대한 이해와 BIW 구조 전체와 관련이 있습니다.

미래의 골격 설계 응용 프로그램

MAI Skelett 최종 보고서에서 BMW는 뼈대 설계 접근 방식을 사용하여 제공되는 제조, 재료 및 도구 비용의 상당한 감소로부터 혜택을 받을 수 있는 6개의 다른 차량 구성 요소를 식별했다고 언급했습니다. SGL Carbon은 자동차 및 항공우주 시트 구조, 대시보드, 로봇 암, X선 벤치 등의 응용 분야를 제안합니다.

그러나 스켈레톤 디자인 접근 방식은 다축 으로 확장되어 더욱 발전되었습니다. 후속 프로젝트인 MAI Multiskelett(2015년 9월부터 2017년 6월까지 수행)에서 구성 요소를 강조했습니다. 베어링 구성 요소와 인발 프로파일이 교차하는 영역과 고하중 도입 영역, 특히 여러 주요 하중 경로가 교차하는 대형 구조 구성 요소를 살펴보았습니다. 이전 Skelett 프로젝트와 마찬가지로 구성 요소 설계 및 비용 효율적인 직렬 생산 라인을 조사했습니다.

스켈레톤 디자인이 기존 복합 부품을 더욱 최적화할 수 있는 방법의 예는 SGL과 자동차 기술 전문가 Bertrandt(독일 에닝겐)가 2017년에 개발한 전기 자동차용 카본 캐리어 전면 내부(그림 2)입니다. 모든 주요 기능 및 트림 부품 통합 기존 계기판의 Carbon Carrier는 강성을 추가하기 위해 하중 지지 "백본"으로 열성형된 유기 시트를 기반으로 했습니다. Ebel은 "미래에 이 부품은 오버몰딩된 열가소성 프로파일이 있는 설계로 대체될 수 있습니다."라고 말합니다. “이렇게 하면 오가노시트의 절단, 레이업 및 트리밍 작업이 생략됩니다. 또한 크로스 멤버는 인발 프로파일로 통합하고 대시보드 디자인을 달성하기 위해 오버몰딩하기 때문에 더 이상 사용되지 않습니다. 또한 이 오버몰딩 부품은 필요한 부착 요소와 이러한 요소나 케이블 등을 부착하기 위한 나사와 클립을 수용할 수 있는 더 많은 공간과 유연성을 제공합니다.”

Ebel은 이것이 엄청난 설계 변경이 될 것이라는 점을 인정하지만 "비용을 절감하고 전체 구성 요소를 보다 효율적으로 만듭니다." 그는 프로파일이 필요에 따라 정확히 절단되고 탄소 섬유 보강재가 이러한 단계 또는 오버몰딩 전 열성형에서 손실되지 않기 때문에 낭비가 거의 없는 프로세스를 설계하는 것이 가능하다고 지적합니다. Bühler는 좌석이 골격 설계의 주요 후보이기도 하다고 지적합니다. “복합재료의 경우 일반적으로 직물이나 테이프로 만들어지며 여전히 시트와 같은 구조입니다. 그러나 바닥에 프로파일을 통합하고 강성을 높임으로써 평면 영역의 두께를 줄일 수 있습니다.” 그녀는 인발형 프로파일이 주위에 구축할 수 있는 유일한 효율적인 UD 제품이 아니라는 점에 주목합니다. "또한 각 부품의 하중 경로에 쉽게 적용할 수 있는 테이프일 수도 있습니다."

Ebel은 “Lightweight &Application Center에서 많은 회사를 둘러보고 있습니다. "추가적인 혁신적인 개념인 스켈레톤 디자인은 많은 관심을 불러일으켰고 방문객들에게 매우 유망한 것으로 보입니다." 그는 센터가 설계 능력을 구축했으며 기업이 미래의 재료 효율적인 구성 요소를 위한 새로운 설계 공간을 열기 위해 골격 개념과 같은 혁신적인 아이디어를 통합하는 데 도움이 될 수 있다고 설명합니다.

Bühler는 “앞유리 프레임과 유사한 디자인을 사용할 수 있는 응용 프로그램이 많이 있습니다. “산업이 탄소 섬유의 강도와 강성 대부분을 테이블에 남겨두는 준등방성 레이업에서 발전하는 것이 중요합니다. 대신, 우리는 더 효율적인 재료 형태를 활용하여 필요한 곳에만 각 재료를 배치해야 합니다. 이것이 업계가 미래를 위해 필요로 하는 것입니다.”