자동차 합성물을 위한 최초의 열가소성 플라스틱 도어

자동차 OEM 및 Tier 1은 연비 및 탄소 배출 목표를 충족하기 위해 차량 질량을 줄여야 하는 필요성과 씨름하고 있습니다. 복합 재료는 많은 영역에서 이러한 경량화에 크게 기여할 잠재력이 있지만 비용, 설계 문제, 익숙하지 않은 가공 및 다른 재료와의 경쟁은 계속해서 장애물을 제시합니다. 이러한 문제를 극복하기 위해 많은 프로젝트에서 복합 재료를 다중 재료 자동차 구조에 통합하여 최대의 이점을 얻을 수 있는 방법을 조사하고 있습니다.

복합 재료가 자동차 하중 지지 구조를 줄이는 방법을 다루는 한 프로젝트는 Clemson University(Clemson, SC, US) Composites Center, Clemson University International Center for Automotive Research(CU-ICAR) 및 Honda R&D Americas(Raymond, OH)에서 수행하고 있습니다. , 미국), 델라웨어 대학교 복합 재료 센터(CCM, 미국 델라웨어주 뉴어크)의 지원과 미국 에너지부(DOE, 워싱턴 DC, 미국)의 자금 지원으로 이루어졌습니다.

프로젝트의 초점은 Jenkins 부여 자동차 공학 교수이자 Dean의 Clemson 교수 펠로우인 수석 연구원 Dr. Srikanth Pilla는 복합 재료가 도어, 후드, 트렁크 리드와 같은 초경량 폐쇄 시스템을 가능하게 할 수 있는지 여부에 대한 질문이라고 말합니다. 파워트레인 기술의 동시 발전과 더 나은 공기 역학을 보완합니다. 합리적인 가격대에서 하중 지지, 구조적 폐쇄 시스템 영역에서 효율성을 높일 수 있는 가능성이 있다고 믿습니다.”

협업, 팀 구성이 핵심

2016년에 시작된 4개년 프로젝트는 자동차 배기가스 기준 충족을 포함하여 많은 주제에 대한 추가 과학 및 엔지니어링에 대한 오바마 행정부의 그랜드 챌린지 시리즈의 일부인 DOE의 권유로 시작되었습니다. 표준 OEM 도어에 비해 42.5% 경량화하면서 유사한 충돌 성능, 내구성 및 사용/오용 성능 및 유사한 NVH(소음, 진동 및 거칠기) 성능을 제공하는 카 도어의 설계 및 개발에 대한 제안 요청 . 그리고 경량 도어가 어떻게 설계되었는지에 관계없이 상업적으로 이용 가능한 재료 시스템을 사용하고 연간 최소 20,000대의 차량을 생산할 수 있도록 규모를 확장해야 했습니다.

Honda R&D Americas의 Advanced Planning &Verification Vehicle Development Foundations 수석 엔지니어인 Skye Malcolm은 "궁극적으로 배기 가스가 없는 사회를 만들겠다는 우리의 비전"과 프로젝트가 일치했기 때문에 Honda가 연구 프로젝트의 OEM 고문으로 합류했다고 말했습니다. Honda는 또한 프로젝트에 자체 제약 조건을 추가했습니다. 그는 다음과 같이 덧붙입니다. “팀이 개발할 도어 디자인은 동일한 밀봉 구조를 사용해야 하고 기본 도어와 동일한 기능 장비를 모두 갖추고 있어야 하며 클래스 A 마감을 제공해야 합니다. 기준선을 설정하고 Honda 내구성 및 노후화 요구 사항을 충족합니다." 팀은 문을 100% 재활용할 수 있다는 추가 목표를 가져왔습니다. 아마도 가장 중요한 것은 DOE에서 파운드당 최대 허용 비용을 $5로 제한했다는 것입니다. 이는 일반적인 Acura MDX 31.8kg의 도어 무게를 42.5% 줄이면 전체 목표 무게가 18.3kg이 되며, 이는 (절약된 무게의 $5/lb) 합성 도어만 추가할 수 있음을 의미합니다. 문 비용에 $150.

프로젝트에서 Pilla를 지원하는 몇 명의 학부생 및 대학원생, Clemson의 공학 역학 교수인 Dr. Gang Li 및 Drs. 델라웨어 대학교 CCM의 Bazle Haque와 Shridhar Yarlagadda는 복합 재료 복합 재료 전문가입니다. 프로젝트의 공동 책임자인 Yarlagadda는 "Honda는 우리 노력의 필수적인 부분이었고 HPC 컴퓨팅 지원 및 스펙트럼 전반에 걸쳐 Honda 엔지니어에 대한 액세스를 포함하여 우리 프로그램에 탁월한 수준의 협업과 약속을 제공했습니다. 복합 부품의 설계, 제조 및 통합은 수용 가능한 시스템 설계를 생성하기 위해 고객 중심의 여러 '소프트' 요구 사항과 결합되어야 하며, 이는 Honda의 지원 없이는 불가능했을 것입니다.” 이 감정은 다른 팀원들도 공유하고 있다고 Pilla는 덧붙입니다. “단순한 재료 교체는 해결책이 아닙니다. 우리는 시스템 접근 방식을 살펴봐야 했고 Honda는 구성 요소 수준까지 모든 도어 시스템 요소를 이해할 수 있도록 도와주었습니다. 실제로, 그들의 파트너십과 참여는 타의 추종을 불허합니다.”

새 문 디자인

초기 분석에는 A8 용 Audi의 알루미늄 도어 프레임을 포함하여 제한된 시장 모델에 대한 경량 클로저에 대한 다른 OEM 노력의 벤치마킹이 포함되었습니다. 모델, Porsche Panamera 마그네슘 도어 프레임과 BMW의 i8 탄소 섬유 강화 열경화성 도어 프레임. 그러나 이러한 이전 OEM 방식 중 어느 것도 이 프로젝트의 비용 또는 중량 목표를 충족하지 못했습니다. Pilla는 다음과 같이 말합니다. “미래에 도움이 되고 순환 경제에 기여할 수 있는 일에 참여하고 싶었습니다. 열가소성 플라스틱 도어는 이전에 시도된 적이 없으며 재활용할 수 있습니다.” 열경화성 복합 재료, 알루미늄 및 강철을 포함한 다른 후보 재료와 비교할 때 열가소성 플라스틱은 재활용 가능성뿐만 아니라 생산 목표를 달성하기 위해 경량화 및 빠른 처리 속도(열경화성 수지에 비해)에 대한 매우 높은 잠재력을 제공합니다.

오리지널 Acura MDX 문을 기준선으로 하여(그림 1) 팀은 재료 믹스를 62% 금속, 21% 경질 순수 폴리머, 13% 유리 및 4% 엘라스토머로 분류했습니다. 경량화를 위한 가장 큰 기회인 60%는 금속 도어 프레임에서 나올 것입니다. 팀은 기본 중량 15.4kg에서 목표 중량 6.2kg으로 줄이려고 의도했습니다. 문의 내부 부품 및 전자 장치(라디오 스피커, 창을 올리고 내리기 위한 서보, 도어 잠금 장치 등)의 무게를 줄일 수 있는 기회는 없었지만 팀은 창 유리 무게를 20%까지 줄일 수 있다고 결정하여 아마도 유리는 더 얇지만 NVH 및 내구성의 목표 메트릭을 손상시키지 않습니다. 또한 팀은 문의 내부 표면에 있는 트림 요소의 무게를 30%까지 줄이거나 제거할 수 있다고 추정했습니다.

프로젝트의 주요 작업은 처음 2년 동안 동시에 진행되었습니다. 일부 팀원은 재료 데이터 생성 작업을 하고 다른 팀원은 도어 디자인 세부 사항을 처리했습니다. 재료 데이터 그룹은 내부 프레임 및 외부 패널의 후보 재료를 결정하기 위해 연속 테이프, 매트, 단섬유 및 장섬유 강화 폴리머 등 다양한 열가소성 수지에 대한 재료 테스트 데이터를 생성했습니다. 재료는 여러 산업 공급업체 파트너가 제공했습니다. 데이터는 전체 강도, 전단 강도, 허용 비용, 허용 밀도, 강성 및 인성이 차트 축을 구성하는 스파이더 차트를 통해 평가되었습니다.

연속 섬유 테이프 및 장섬유 강화 열가소성 펠릿과 같은 초기 데이터 평가 후 최고의 성능을 보이는 재료 옵션은 재료 모델링을 거쳤습니다. Pilla는 다음과 같이 설명합니다. 법." 그러나 장섬유 강화 폴리머의 경우 사출 성형 도어 부품의 강도와 강성을 예측하기 위해 2차 시뮬레이션이 필요했습니다. 이는 최종 부품 형상과 몰드 충전 프로세스 모두에 의해 도입된 이방성 때문입니다. Pilla는 "이러한 장섬유 재료의 모델링은 시뮬레이션에서 많이 수행되지 않았기 때문에 어렵습니다."라고 덧붙입니다. 필요한 데이터를 수집하기 위해 팀은 제조 최적화 루프를 개발했습니다. 문의 내부 프레임과 외부 패널의 일반 부품 모양은 Dassault Systémes(미국 매사추세츠주 월섬) SolidWorks 3D 설계 소프트웨어를 사용하여 생성되었습니다. Moldex(대만 Chupeei City)의 Moldex3D 소프트웨어를 사용하여 용융유동 벡터를 결정하기 위해 이러한 형상의 금형 충전 시뮬레이션을 수행했습니다. e-Xstream(Hautcharage, Luxembourg, Hexagon 회사)의 Digimat 소프트웨어를 통해 섬유 배향을 결정하기 위해 용융 흐름 역학 및 공모를 분석했습니다. 그리고 매핑된 섬유 방향은 Altair Engineering Inc.(미국 미시간주 트로이) HyperWorks CAE 솔루션에서 제공하는 재료 카드를 포함하여 유한 요소 분석(FEA) 도구를 사용하여 강성 매트릭스를 생성하는 데 사용되었습니다. 부품 모양이 수정되고 재료가 테스트되면서 최적화 루프가 여러 번 반복되었습니다.

동시에 다른 팀원들이 실제 도어 개념 개발, 그리고 결국에는 툴링 및 제조 시뮬레이션에 대해 작업했습니다. 대략적인 스케치와 높은 수준의 재료 선택으로 시작하여 다양한 디자인이 만들어졌습니다. 그런 다음 간단한 정적 하중 사례에 대한 초기 FEA 시뮬레이션과 함께 대략적인 CAD 모델이 생성되었습니다. Pilla는 2016년 가을에 CU-ICAR에서 디자인 워크샵을 개최했으며 팀은 추가 작업을 위해 도어 개념 옵션을 7개로 좁혔습니다. Pilla는 "처음부터 우리의 설계 철학은 부품과 재료의 기능 통합을 최대화하고 부품 수를 최소화하며 최적화를 통해 활용되는 재료의 효율성을 극대화하고 조립을 단순화하는 것이었습니다."라고 말합니다.

이 시점에서 상세한 CAD 모델이 생성되었고 Honda의 목표에 따라 정적 성능을 검증하기 위해 각 개념에 대해 FEA 시뮬레이션이 수행되었습니다. 서브시스템의 제조 가능성 및 통합을 고려하여 개념 7(우주 프레임 접근 방식)은 개념 2(일체 구조 프레임)로 수렴되기 시작했으며 팀은 우주 프레임 접근 방식에서 얻은 교훈을 통합하여 개념 2를 계속하기로 결정했습니다. . 이 개념은 외부 클래스 A 패널, 도어 내부, 내부 프레임 또는 패널, 내부 트림 요소의 4가지 요소로 구성됩니다.

다중 소재 내부, 클래스 A 외부

팀은 2018년 중반에 최종 도어 디자인을 위한 재료 및 제조 프로세스를 선택했으며 2019년 1월 15일에 디자인이 동결되었습니다. 툴링 제조 및 프로토타이핑이 시작되었습니다. 그림 2는 1.2mm 두께의 내부 프레임과 그 구성 요소에 대한 세부 정보를 보여줍니다(외부 클래스 A 패널은 표시되지 않음). "벨트라인"은 성형된 복합 패널을 지지하기 위해 보강재가 배치된 창 유리의 하단 가장자리에 의해 형성되는 스타일링 라인을 나타냅니다. Pilla는 측면 충돌 시 승객 보호를 위한 침입 방지 빔이 전체 도어 중량을 낮추기 위해 강철로 유지되어야 했다고 지적합니다. 동일한 성능을 가진 합성 빔은 너무 무거웠을 것입니다. 디자인의 핵심 요소 중 하나는 내부 프레임을 외부 패널에 연결하기 위한 고정 시스템입니다. Pilla는 다음과 같이 설명합니다. "외부 Class A 패널은 조립 라인의 끝에서 도어에 부착되어 직원이 미리 도어 내부를 쉽게 설치할 수 있고 조립 중 Class A 표면의 손상을 방지할 수 있습니다." 내부 프레임의 성형된 스냅핏 기능은 Y 방향의 제조 공차를 수용할 수 있도록 조정 가능하며, 금속 패스너용 홈이 있는 구멍은 조립 중에 X 및 Z 방향의 제조 공차를 보정하는 데 도움이 된다고 덧붙였습니다.

무게 감소를 돕기 위해 현재 도어 디자인에는 기존의 내부 트림 패널이 없습니다. 대신 사출 성형된 지도 포켓, ABS 플라스틱으로 백몰딩된 천연 나무 팔걸이, 발포체로 적층된 일부 가죽 패딩을 포함하여 몇 가지 기능적 성형 부품이 설계되었습니다. 이 부품의 무게는 3.49kg인 기본 내부 패널과 비교하여 1.34kg입니다. Pilla는 팀이 디자인 최적화를 통해 더 많은 무게를 줄일 수 있을 것으로 기대한다고 말합니다.

현재 복합재 도어가 견뎌야 하는 정적 하중 케이스와 동적 충돌 하중을 모두 모델링하기 위해 FEA 분석 및 최적화가 진행 중입니다. 정적 하중 케이스는 단독으로 위압적이며 도어 처짐, 벨트라인 강성, 미러 마운트 강성, 도어 핸들 당김 강성 등을 포함합니다. Pilla는 현재 동적 하중 테스트가 FMVSS(연방 자동차 안전 표준) 214 준정적 폴 테스트로 구성되어 있다고 말합니다. 이 폴 테스트에서는 차량 문이 18인치 동안 폴(루프와 차체가 누락됨)에 의해 안쪽으로 으스러집니다. 모든 최소 하중 요구 사항은 유지됩니다. "이 경우는 다른 두 충돌 테스트[75° FMVSS 5 백분위수 여성(AF5) 극 테스트 및 고속도로 안전 측면 충격 기준 평가를 위한 보험 연구소(IIHS SICE) 테스트]. 이를 통해 더 많은 설계 실험과 최적화 루프를 수행할 수 있습니다.”

Gang Li는 다음과 같이 덧붙입니다. “복합재 제조 공정과 구조적 성능 시뮬레이션을 최적화 알고리즘과 통합하는 것은 흥미롭고도 어려운 일입니다. 문제는 시스템의 복잡성과 관련된 계산의 규모에 있지만 이러한 통합은 구조, 재료 및 제조 프로세스 설계 공간을 함께 병합하고 경량화 및 향상된 성능을 위한 더 많은 기회를 제공합니다.” 그리고 이 극 테스트 로드 케이스를 충족한다는 것은 도어가 다른 두 극 및 측면 충격 테스트를 충족하는 데 가깝다는 것을 의미한다고 그는 덧붙였습니다.

"지금까지의 테스트는 합성 도어가 연방 요구 사항을 쉽게 충족한다는 것을 보여주지만 기본 Acura 도어의 포괄적인 성능은 이러한 요구 사항보다 훨씬 높습니다."라고 Pilla는 말합니다. 지금까지 FEA 결과는 경량 합성물 도어가 기준 도어(23.59kJvs.15.34kJ)보다 더 많은 에너지를 흡수한다는 것을 보여줍니다. 이는 Pilla가 초기 항복점 이후에 추가 변형 에너지를 흡수하는 합성물의 능력에 기인합니다. 그러나 시뮬레이션에 따르면 외부 벨트라인 보강재와 내부 프레임의 보강 구조 모두를 개선할 수 있습니다.

초기 프로젝트 타임라인에서 1년이 남은 상태에서 이 그룹은 제조 시뮬레이션 및 툴링 접근 방식을 생성하고 있습니다. 생산 라인의 규모 확장 및 예상 비용을 위한 대량 생산 계획 수립; 충돌 및 기계적 성능 테스트, 적합성 및 마감 테스트, 가속 노화를 위한 프로토타입을 생산합니다.

Pilla는 "복합 도어는 패널의 두께로 인해 여전히 목표를 달성하지 못하고 있으며 완전히 최적화되지 않았습니다. 강철 기준선보다 훨씬 가볍지만 아직 42.5%의 무게 감소 목표를 달성하지는 못했지만 달성할 수 있을 것이라고 낙관하고 있습니다.” 적합성 및 기능 테스트를 위한 프로토타입 도어가 곧 준비될 것입니다. 프로젝트 팀은 이 도어를 위해 개발된 재료와 기술이 다른 자동차 부품(예:볼트온 및 흰색 차체 부품)으로 쉽게 확장될 수 있으며 복합 재료 프로세스의 상대적으로 낮은 인프라 비용이 새로운 이러한 기술을 구현하는 OEM 및 공급업체는 자동차 복합 재료의 승리입니다.