하중 바닥 충격 강도를 제공하는 하이브리드 열가소성 수지

독일의 시스템 통합 E-모빌리티를 위한 다중 재료 경량 설계(SMiLE) 컨소시엄의 야심찬 다년 프로그램은 더 큰 하이브리드 BIW(body-in-white) 구조의 일부인 데모용 자동차 적재 바닥 모듈을 개발했으며 다음을 보여줍니다. 중형 생산 환경에서 복합 재료 및 비철금속 사용에 대한 큰 가능성. 이 배터리 전기 자동차(BEV)의 후방 적재 바닥은 두 가지 유형의 열가소성 합성물과 금속 프로파일 및 인서트로 구성됩니다. 트렁크 바닥과 뒷좌석 승객실의 바닥 역할을 합니다. 그 다음, 금속 인서트와 폴리우레탄 폼 코어를 포함하는 로컬 샌드위치 구조가 있는 탄소 섬유 강화 에폭시로 수지 전달 성형(RTM'd)된 두 번째 하이브리드/열경화성 복합 로드 플로어에 접착식으로 기계적으로 결합됩니다. 이 구조는 차량의 앞쪽 절반을 위한 바닥이며 배터리를 보관합니다. 전체 로드 플로어 모듈은 차량의 알루미늄 모노코크에 있는 대들보에 볼트로 고정되는 알루미늄 로커/사이드 레일에 결합 및 나사로 고정됩니다. 전체 로드 플로어 모듈 데모는 하루에 300대씩 생산되는 양산 차량에 대해 질량을 줄이고 상당한 충돌 에너지 흡수를 제공하도록 설계되었습니다.

디자인 결정

리어 로드 플로어에서 작업한 컨소시엄 회원에는 자동차 제조업체인 Audi AG(독일 잉골슈타트 - 전체 SMiLE 프로그램의 리더이기도 함)와 Audi 소유주인 Volkswagen AG(독일 볼프스부르크)가 포함되었습니다. Karlsruhe Institute of Technology의 차량 시스템 기술 연구소(KIT-FAST, 독일 카를스루에); Fraunhofer Institute for Chemical Technology(F-ICT, 독일 Pfitztal, 전면 및 후면 적재 바닥 프로젝트 리더) 및 Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials(F-IWM, Freiburg, Germany); 열가소성 복합 재료 공급업체 BASF SE(독일 루트비히스하펜); 기계 OEM Dieffenbacher GmbH Maschinen- und Anlagenbau(독일 에핑겐) 및 도구 제조업체/성형업체 Frimo Group GmbH(독일 롯데)

그는 금속 인서트가 있는 열가소성 합성물을 사용하여 후방 로드 플로어를 생산하기로 결정했습니다. 팀은 트렁크 기능과 2열 안전벨트 부착 구조를 추가하기를 원했지만 로드 플로어를 사용하여 상당한 충돌 에너지를 흡수하기를 원했습니다. 일반적으로 자동차 제조업체는 승용차의 후방 충돌 에너지를 관리하기 위해 금속 적재 바닥 측면의 금속 프로파일에 주로 의존합니다. 그러나 열가소성 복합 재료의 충격 강도를 고려할 때 연구원들은 복합 하중 바닥의 전체 너비와 길이를 사용하여 충돌 하중을 관리할 수 있는지 궁금해했습니다. 그들은 또한 더 높은 충돌 에너지를 흡수할 수 있는지 궁금해했습니다.

연구원들은 일반적인 자동차 열가소성 복합 재료를 검토했습니다. 폴리프로필렌(PP) 및 폴리아미드 6(PA6) 매트릭스가 고려되었지만 리어 로드 플로어가 고온 전기 영동 코팅(e-coat) 녹 방지 공정을 통해 BIW와 함께 이동하기 때문에 온도 문제로 PP가 제외되었습니다. 최고의 강성과 강도를 달성하려면 연속 섬유 강화가 필요했기 때문에 사전 시험 작업은 직물 강화 유기 시트(유리 매트 열가소성(GMT) 복합 소재의 한 형태)와 단방향(UD) 열가소성 프리프레그 테이프에 중점을 두었습니다. 여러 가지 이유로 추가 프로토타이핑을 위해 테이프를 선택했습니다.

연구원들은 후방 적재 바닥의 기하학적 구조가 복잡할 것이라는 것을 알고 있었습니다. UD 테이프를 임의의 방향으로 배치하고 유기 시트보다 적은 재료로 창/구멍을 만드는 ATL(자동 테이프 부설) 기계를 사용하면 스크랩, 질량 및 비용을 줄이고 지역 및 전 세계적으로 섬유를 가장 효율적으로 사용할 수 있습니다. 부분. 또한 ATL을 통해 배치된 섬유는 플라이 스택의 각 층에 평평하고 평행하게 놓여 있고 직물처럼 직조되지 않기 때문에 기복이 없고 그에 따른 강성과 강도의 손실이 없습니다.

그러나 UD 테이프에는 한계가 있습니다. 상대적으로 비싸고 드레이프성이 거의 없고 흐름이 거의 없어 복잡한 형상을 채우기가 어렵습니다. 이러한 문제는 유동성이 있고 높은 수준의 기능 통합/부품 통합을 가능하게 하고 섬유 브리징 없이 복잡한 리브로 형성하기가 훨씬 쉬운 불연속/절단 직접 장섬유 열가소성(D-LFT) 복합 재료를 선택적으로 사용함으로써 극복되었습니다. 상당한 충돌 에너지를 흡수합니다. D-LFT를 사용하면 금속 부착물을 더 쉽게 삽입할 수 있습니다. 특히 삽입물이 미리 천공되어 있어 복합 재료가 금속 주위로 흐르도록 하여 기계적 연동을 통해 강력한 결합을 생성하는 경우 더욱 쉽습니다. 또한 D-LFT는 테이프 또는 유기 시트보다 비용이 저렴하고 두꺼운 섹션에서 성형하기가 훨씬 쉽습니다. 프레스 측에서 결합된 D-LFT는 재료 재고 관리를 단순화하고 개발 프로그램에 높은 유연성을 제공하여 부품이 만들어지고 평가될 때 재료 특성(섬유 길이 및 유형, 섬유 부피 분율(FVF) 및 매트릭스)을 빠르게 변경합니다. 생산 중에 재료/공정 설정을 제어하여 높은 수준의 반복성 및 재현성(R&R)을 달성할 수 있습니다. 이것이 바로 자동차가 거의 20년 동안 중대량 생산을 위해 공정을 사용해 온 이유입니다.

연구자들은 후방 하중 바닥을 얇고 가볍게 유지하고 높은 충격 하중을 흡수하면서 좌굴에 저항할 수 있기를 원했기 때문에 유리 및 탄소 섬유 강화 테이프와 다른 섬유에서 D-LFT를 사용한 작은 부품 테스트를 통해 시뮬레이션 및 초기 개발을 수행했습니다. - 기계적 성능 대 충전 거동을 평가하기 위한 중량 분율(FWF). 탄소 복합 재료가 유리보다 더 얇고 가벼우며 더 단단한 구조를 생성했지만 비용도 문제였고 전면 적재 바닥은 이미 탄소 섬유 보강재를 사용했기 때문에 연구자들은 전체 크기 부품으로 확장하는 동안 후면 적재 바닥을 강화하기 위해 유리를 선택했습니다. BASF의 40wt% 유리 섬유가 포함된 Ultramid B3K PA6 D-LFT와 60wt% 유리 섬유가 포함된 Ultratape B3WG12 PA6의 8개 레이어가 사용되었습니다.

많은 시뮬레이션 작업 후에 1.3x1.3m 리어 로드 플로어의 최종 디자인은 더 두꺼운 D-LFT 크러쉬 존과 함께 짜여진 라미네이트로 사전 통합된 UD 테이프로 생성된 얇은 껍질, 거의 그물 모양의 구조로 구성됩니다(그림 2 참조). UD 테이프로 만든 큰 주름, 낮은 질량과 두께에서 높은 강성을 위해 부품의 세로 축을 따라 깊은 홈(높이 50mm x 너비 115mm)을 사용하여 성형했습니다. 또한 테이프 레이업 동안 두 개의 창이 형성되어 D-LFT가 라미네이트를 통해 필요한 곳까지 침투할 수 있습니다. 큰 라미네이트에서는 깊은 주름을 형성하기 어렵기 때문에 좋은 부품을 생산하기 위해 성형 공정과 도구를 모두 수정해야 했습니다("자동차 바닥 모듈에 대한 연구에서 새로운 D-LFT/압축 성형 하위 공정 개발 방법" 참조). X자형 격자 구조에서 복잡한 리브를 형성한 두 개의 D-LFT 전하와 결합된 이러한 주름은 해당 영역에 높은 관성 모멘트를 생성하여 충돌 시 좌굴을 방지하면서 얇고 가벼운 설계에서 부품 강성을 증가시킵니다. 부품 후면의 D-LFT 격자는 충돌 영역을 형성하여 후면 충돌 시 에너지를 흡수합니다. 알루미늄 프로파일은 로드 플로어의 축방향 측면에 일체로 성형되었으며 D-LFT에 접합되었으며 특수 표면 처리와 연동을 제공하는 구멍을 통해 라미네이트되었습니다. 이 프로파일은 부품 강성을 더욱 높이고 우수한 좌굴 거동을 제공하며 충돌 시 D-LFT 크러쉬 영역으로 힘을 전달하도록 신중하게 설계되었습니다. 또한 후방 로드 플로어를 주변 금속 구조물에 직접 장착하기 위한 부착 지점을 제공합니다. 추가 금속 인서트도 구조에 통합되어 안전 벨트 잠금 장치를 직접 장착할 수 있습니다.

성공적인 구현

시뮬레이션 작업과 소형 및 대형 부품 테스트를 통해 전체 하이브리드 후면 하중 바닥을 충돌 하중을 관리하는 데 사용할 수 있음이 확인되었습니다. 추가 평가에 따르면 이 기술은 기존 금속 구조만큼 안전해야 합니다.

하나의 더 큰 프로젝트 목표 - 총 BIW 질량을 200kg으로 줄이기 — 이론적으로 시뮬레이션 및 소형 부품 개발 중에 충족되었습니다. 그러나 프로젝트가 진행됨에 따라 더 나은 충돌 성능이 요구되었으며 복합 구조에 질량을 추가해야 했습니다. 또한 비용을 고려하여 후방 적재 바닥용 탄소 섬유에서 유리 섬유 보강재로 전환했습니다. 결과적으로 인서트가 있는 후면 적재 바닥의 무게는 32.9kg인 반면 전면 적재 바닥(삽입물은 있지만 배터리는 제외)의 무게는 12.1kg입니다. 최종 테스트 부품의 경우 더 높은 안전성과 더 낮은 비용을 달성하기 위해 질량 목표를 4.3%만 놓쳤습니다. SMiLE BIW는 또한 전면 적재 바닥에 탄소 섬유 보강재를 집중적으로 사용하기 때문에 기존 금속 시스템보다 비용이 많이 듭니다.

후방 로드 플로어 프로젝트로 인해 F-ICT는 로컬 고급 맞춤형 LFT라는 D-LFT/압축 하위 프로세스를 개발했습니다. , D-LFT 재료를 주로 UD 테이프 구조에 선택적으로 적용하여 테이프로 만들 수 없는 국부적으로 복잡한 형상(예:리브)을 생성합니다. SMiLE 이전에 개발되었지만 이 프로젝트에 사용된 또 다른 F-ICT 기술은 방사선 유도 진공 압밀을 통해 열가소성 테이프를 빠르게 가열하고 통합하는 방법입니다. 현재 Fibercon이라는 기계에서 Dieffenbacher에서 상업적으로 사용할 수 있는 기술입니다.

놀랍게도 Frimo가 생산한 실험 프로세스와 매우 복잡한 도구는 처음부터 작동했으며 후속 테스트 및 데모를 위해 100개 이상의 데모 부품이 생산되었습니다. 팀이 성형 공정을 단일 단계로 수행하도록 설계했지만 Dr.-Ing. 열가소성 가공을 위한 F-ICT 팀 리더이자 후면 로드 플로어 프로젝트 리더인 Sebastian Baumgärtner는 별도의 도구에서 라미네이트 예비 성형을 수행하여 생산 환경에서 이 복잡한 부품을 두 단계로 형성하는 것이 더 효율적일 것이라고 믿습니다. Baumgärtner는 "우리는 더 어려운 1단계 프로세스를 먼저 시도하기로 결정했고 잘 작동했습니다. “하지만 도구가 매우 복잡하고 공정 제어가 쉽지 않았습니다. 라미네이트가 반점에서 너무 뜨거워지면 LFT 가닥과 매우 강한 상호 작용을 합니다. 생산 중 좋은 반복성을 보장하려면 작업을 단순화하고 더 강력한 2단계 프로세스를 선택하는 것이 좋습니다.” 그러나 이 복합 부품의 크기가 크고 이를 형성하는 데 사용되는 복잡한 프로세스를 고려할 때 팀은 최종 결과에 매우 만족했습니다. "우리는 상용 기술을 사용하여 무게와 성능이 최적화되고 고기능 통합을 특징으로 하는 혁신적이고 경제적인 부품을 생산할 수 있음을 입증했습니다."라고 덧붙였습니다.

전체 로드 플로어는 2018 CCE-JEC 혁신상을 수상했습니다. 중국과 독일 정부는 더 큰 규모의 SMiLE 프로그램을 Lighthouse 프로젝트로 인정했으며, 이는 이 기술이 미래의 모빌리티 디자인에 사용하는 데 중요할 것임을 의미합니다. 팀은 다음 단계에 대해 논의 중입니다.