スケルトン設計により、より競争力のある複合自動構造が可能になります
メーカーは複合部品のコストを削減しようとしているため、設計者は、自動化された生産と複数の機能の統合を可能にしながら、構成材料を可能な限り効率的に使用するよう努めています。自動車用途の場合、この課題は1〜2分の短いサイクルタイムの必要性によって悪化します。
オーバーモールディング（連続繊維プリフォームの上に熱可塑性複合材料を射出成形する）は、何年にもわたって可能な解決策として追求されてきました。たとえば、CAMISMAプロジェクトは、2014年にオーバーモールドされた複合シートバックを実証しました（「CAMISMAのカーシートバック：大量生産用のハイブリッド複合材料」を参照）。 「しかし、このアプローチは次のレベルに引き上げられ、熱可塑性複合BIW [ボディインホワイト]構造の完全自動化された生産を実現しました」と、SGLカーボン（ドイツ、ヴィースバーデン）の軽量およびアプリケーションセンターの責任者であるクリストフエベル博士は説明します。 （LAC、マイティンゲン、ドイツ）。
この進歩は、数年前から開発されてきた「スケルトン」設計アプローチのおかげです。最初に 2015年のMAISkelettプロジェクトで実証されたこのプロセスには、一方向（UD）炭素繊維熱可塑性プラスチックの使用が含まれます。 以前のすべてのバージョン要件を超える構造屋根部材を製造するために、2ステップの75秒プロセスで熱成形およびオーバーモールドされた引抜成形品。また、アタッチメント用のクリップを統合し、クラッシュ動作を脆性から延性の故障モードに変更して、BIWの残留強度を向上させます（「MAIスケルトンの設計プロセスの詳細」を参照）。
MAIスケルトンデモンストレーター
17か月のMAISkelettプロジェクトは、ドイツ連邦教育研究省（BMBF）によってサポートされ、Carbon Compositese.V。の地域部門であるMAICorbonによって完了されました。 （アウグスブルク）ネットワーク。 BMW（ドイツ、ミュンヘン）が主導するこのプロジェクトの焦点は、特定のデモンストレーター、つまりガラス製フロントガラスの上の2本のAピラーの間にあるフロントガラスフレームを実現することでした。そのデザインは、現在のBMW i3 に基づいています。 すべての機能要件とスペース要件を含む構造。フロントガラスのフレームは、屋根の横方向の構造部材として機能するだけでなく、他の機能も提供します。剛性。騒音、振動、ハーシュネス（NVH）も低減します。衝突要件を満たすのに役立つ強度（ルーフプレステスト）。内部コンポーネント（バイザー、内部トリム、照明用ワイヤーハーネスなど）の固定具、およびフロントガラス、サンルーフ、外部ルーフパネルとの接続のサポート。
スケルトンデザインのフロントガラスフレームは、パーツのコーナーに4本のUD繊維強化引抜成形バーで構成され、ねじり剛性と複雑な形状の機能的アタッチメントを提供するためにオーバーモールドフレームにカプセル化されています。引抜成形されたプロファイルはすべて1つの平面にあるわけではなく、異なる高さに配置されています。2つは高さ60ミリメートルの部品の下部にあり、2つは上部にあります。
TPツールボックスの一部としての引抜成形
MAI Skelettフロントガラスフレームの場合、10 x10ミリメートルの正方形の断面が設計のために完成しました。目標は、より安価で牽引力のある炭素繊維を使用することでした。ただし、選択した50Kトウファイバーには無数のフィラメントが密に詰まっているため、樹脂の含浸がより困難になります 。 「一般に、この課題は、最適化された繊維ガイダンスと拡散によって克服され、最適な含浸と約50体積パーセントの高繊維体積含有量に到達します」と熱可塑性プラスチックのSGL製品マネージャーであるVeronikaBühlerは述べています。 SGLはこの技術を習得し、熱可塑性ツールボックスの一部として引抜成形を提供しています。 「熱可塑性テープも引抜成形ベースであるため、私たちはすでに半製品について幅広い知識を持っていました。そのため、現在使用している引抜成形技術をすばやく適応させて、独自のプロファイルを作成することができました。」このプロセスには、繊維の体積、気孔率、および寸法精度の品質テストが含まれます。 「後者は自動化とロボットの取り扱いのために非常に重要です」と彼女は続けます。 「たとえば、引抜成形されたプロファイルの残留応力のために、曲率が発生することはありません。」
引抜成形補強だけでなく、熱可塑性樹脂もMAISkelettで調査されました。さまざまなタイプのポリアミド6（PA6またはナイロン6）をテストして、引抜成形の品質と速度を最適化するために必要な粘度とレオロジーを決定しました。 SGLは、熱可塑性ツールボックスを介してプロジェクトにさまざまな材料を提供しました。このツールボックスには、UDテープ、有機シート、短繊維および長繊維強化コンパウンド用のチョップドファイバー、そして現在はUD強化プルトルージョンが含まれています。ポリプロピレン（PP）とポリアミドのマトリックス（PA6またはin-situ PA6を含む）。 「複合構造の最適な性能を実現するには、繊維、サイジング、マトリックスを調和させることが不可欠です」とビューラーは言います。
彼女はまた、その場でのPA6について次のように説明しています。言い換えれば、カプロラクタムはその場で重合します ポリアミドに。ビューラーは、ポリマーグループとしてのポリアミドには、PA66とPA12のほか、追加のマトリックスの選択肢として特定の種類のPPAが含まれていると述べています。
フロントガラスフレームの製造におけるもう1つの重要な側面は、成形中および成形後に熱可塑性の半製品を熱成形できることです。これにより、形状のさらなる機能化と、オーバーモールド中の融着が可能になります。どちらもMAISkelettデモンストレーターの設計における重要な要素でした。
熱成形とオーバーモールド
MAI Skelettフロントガラスフレームの製造は、カーボンファイバー/ PA6引抜成形プロファイルから始まりました。次に、これらは、コンポーネントの形状とさまざまなポイントでの負荷の導入に対応するように変更する必要がありました。これを行うために熱成形が選択されましたが、炭素繊維の高強度と剛性は、可能な限り真っ直ぐに保つことによってのみ実現できるという主な懸念がありました。これは、引抜成形された棒がマトリックスの流れの方向に引き伸ばされ、次に棒の端で平らにされて曲げられたときに達成されました（図1）。
プロセスの2番目のステップは、熱成形された引抜成形プロファイルを赤外線ヒーターの下に置き、50秒未満で温度を上げた後、この目的のために開発された自動処理システムを使用して射出成形金型に移しました。プロジェクト内のすべての部品は、既存の射出成形機で製造されました。次に、繊維強化コンパウンドをプロファイル上およびプロファイルの周囲にオーバーモールドしました。 4つの熱成形された引抜成形されたバーを所定の位置に保持するために、金型とオーバーモールド中のプロセスの両方で精度が必要でした。
2段階のプロセスの合計サイクルタイム （既製の引抜成形品の熱成形とオーバーモールド）は約75秒でした。 「熱可塑性マトリックスはオーバーモールドの前に再溶解されるため、非常に短いサイクルタイムで、事前に作成された熱成形されたバーを成形して完成品に接着することができます」とEbel氏は説明します。 「一般に、熱可塑性プラスチックの融着性により、金属部品との接合も可能になります」とビューラーは付け加え、熱可塑性熱成形および射出成形プロセスは、大量生産の重要な要素である優れた再現性とプロセス制御を提供します。
延性の失敗
ガラスと炭素繊維を使用した互換性のある成形コンパウンドを使用したPPAおよびPA6プロファイル コンポーネントのより延性のある故障モードを調査するために評価されました。より延性のある故障モードは、フロントガラスフレームが伝達できる荷重の量を減らしましたが、BIW全体の構造的完全性を改善しました。
解析方法には、ソリッドモデリング、鉄筋モデリング（引抜成形がオーバーモールディングを補強する鉄筋として機能するジオメトリモデリング）、シェル要素を使用したモデリング、およびこれらのさまざまな組み合わせが含まれます。ソフトウェアには、FEソルバーABAQUS（DassaultSystèmes、パリ、フランス）とSandia National Laboratories（アルバカーキ、ニューメキシコ、米国）によって開発されたDakotaパラメーターソルバーが含まれていました。 OptiStruct（Altair Engineering、Troy、Mich。、U.S。）がトポロジー最適化に使用されました。
BMWは、最終的なプロジェクトレポートで好ましい材料の組み合わせを指定していませんが、最終的なシミュレーションとテストの結果から、スケルトンコンポーネントが であることが示されたと結論付けました。 フロントガラスフレームの主要な設計ドライバーではないと判断されたねじり剛性を除いて、現在の炭素繊維強化プラスチック（CFRP）部品のすべての要件を上回りました。スケルトンの設計は、現在のCFRP部品と比較して、衝突荷重の場合の荷重レベルとエネルギー吸収の両方を上回りました。また、より延性のある故障モードを実現することに成功しました。これにより、複合構造のクラッシュパフォーマンスだけでなく、そのクラッシュパフォーマンスと、それがBIW構造全体とどのように関連するかについての理解もさらに進みます。
将来のスケルトンデザインアプリケーション
BMWは、MAI Skelettの最終報告書で、スケルトン設計アプローチを使用することで製造、材料、および工具のコストを大幅に削減することで利益を得ることができる他の6つの車両コンポーネントを特定したと述べています。 SGL Carbonは、自動車と航空宇宙の両方のシート構造、ダッシュボード、ロボットアーム、X線ベンチなどでのアプリケーションを提案しています。
ただし、スケルトン設計アプローチはさらに開発され、多軸に拡張されました。 後続のプロジェクトMAIMultiskelett（2015年9月から2017年6月に実施された）でコンポーネントを強調しました。ベアリングコンポーネントと引抜成形プロファイルが交差する領域、および特にいくつかの主要な荷重経路が交差する大きな構造コンポーネントの高荷重導入領域を調べました。以前のSkelettプロジェクトと同様に、コンポーネントの設計とコスト効率の高い連続生産ラインが調査されました。
スケルトンデザインが既存の複合コンポーネントをさらに最適化する方法の例は、2017年にSGLと自動車技術スペシャリストのBertrandt（ドイツ、エーニンゲン）によって開発された電気自動車のカーボンキャリアフロントインテリア（図2）です。すべての主要機能とトリムコンポーネントを統合します。従来のインストルメントパネルのように、カーボンキャリアは、剛性を追加するための耐荷重「バックボーン」として熱成形された有機シートに基づいていました。 「将来的には、この部品は、オーバーモールドされた熱可塑性プロファイルを備えた設計に置き換えることができます」とEbel氏は言います。 「これにより、オルガノシートのカット、レイアップ、トリミング操作が省略されます。また、クロスメンバーは、引抜成形されたプロファイルとして統合し、それらをオーバーモールドしてダッシュボードデザインを実現するため、廃止されます。このオーバーモールドされた部品は、必要な取り付け要素、およびこれらの要素やケーブルなどを取り付けるためのネジやクリップを収容するためのより多くのスペースと柔軟性も提供します。」
Ebelは、これは大幅な設計変更になると認めていますが、「コストを削減し、コンポーネント全体をより効率的にします」。彼は、プロファイルが必要に応じて正確に長さにカットされ、これらのステップまたはオーバーモールド前の熱成形で炭素繊維強化が失われないため、無駄がほとんどないプロセスを設計できると指摘しています。ビューラーは、座席もスケルトンデザインの第一候補であると指摘しています。 「複合材料では、通常、布やテープで作られていますが、それでもシートのような構造です。しかし、下部のプロファイルを統合し、剛性を高めることで、平面領域の厚さを減らすことができます。」彼女は、引抜成形されたプロファイルだけが、構築可能な効率的なUD製品ではないと述べています。 「テープの場合もあります。これは、各パーツのロードパスに簡単に適合させることができます。」
「私たちはLightweight＆ApplicationCenterで多くの企業をツアーしています」とEbel氏は言います。 「追加の革新的なコンセプトとしてのスケルトンデザインは、多くの関心を呼び起こし、訪問者から非常に有望であると見られています。」センターはその設計能力を構築しており、企業がスケルトンコンセプトなどの革新的なアイデアを統合して、将来の材料効率の高いコンポーネントのための新しい設計スペースを開くのに役立つと彼は説明します。
「フロントガラスのフレームに似たデザインを使用できるアプリケーションはたくさんあります」とビューラーは言います。 「業界にとって、炭素繊維の強度と剛性の多くをテーブルに残す準等方性レイアップから進歩することが重要です。代わりに、より効率的なマテリアルフォームを活用して、各マテリアルを必要な場所にのみ配置する必要があります。これは、業界が将来に必要としているものです。」
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