ハイブリッド熱可塑性プラスチックは、荷重床の衝撃強度を与えます

ドイツのシステム統合マルチマテリアル軽量設計forE-モビリティ（SMiLE）コンソーシアムによる野心的な複数年プログラムは、より大きなハイブリッドボディインホワイト（BIW）構造の一部であり、中量生産環境での複合材料と非鉄金属の使用に大きな期待が寄せられています。このバッテリー式電気自動車（BEV）のリアロードフロアは、2種類の熱可塑性プラスチック複合材に加えて、金属製のプロファイルとインサートで構成されています。トランクと後部客室のフロアとして機能します。次に、2番目のハイブリッド/熱硬化性複合材のロードフロアに接着剤と機械で接合されます。これは、金属インサートとポリウレタンフォームコアを含むローカルサンドイッチ構造を備えた炭素繊維強化エポキシから樹脂トランスファー成形（RTM）されています。この構造は、車両の前半分の床であり、バッテリーを保持します。完全なロードフロアモジュールは、アルミニウムロッカー/サイドレールに接着およびネジ止めされています。サイドレール自体は、車両のアルミニウムモノコックのクロスビームにボルトで固定されています。ロードフロアモジュールのデモンストレーター全体は、質量を減らし、300台/日のビルドボリュームを持つ連続生産車両に大幅な衝突エネルギー吸収を提供するように設計されました。

設計上の決定

後部荷台で働いたコンソーシアムメンバーには、自動車メーカーのアウディAG（ドイツのインゴルシュタット-SMiLEプログラム全体のリーダーでもある）とアウディの所有者であるフォルクスワーゲンAG（ドイツのウォルフスブルク）が含まれていました。カールスルーエ工科大学の車両システム技術研究所（KIT- FAST、 カールスルーエ、ドイツ）; Fraunhofer Institute for Chemical Technology（F-ICT、Pfitztal、ドイツ、フロントおよびリアロードフロアプロジェクトのリーダー）、およびFraunhofer Institute for Mechanics of Materials（F-IWM、フライブルク、ドイツ）。熱可塑性複合材料サプライヤーBASFSE（ルートヴィヒスハーフェン、ドイツ）;機械OEMDieffenbacher GmbH Maschinen- und Anlagenbau（エッピンゲン、ドイツ）、および工具メーカー/成形業者Frimo Group GmbH（ロッテ、ドイツ）。

彼は、金属インサートを備えた熱可塑性複合材料を使用してリアロードフロアを製造することを決定しました。チームはトランク機能と2列目のシートベルト取り付け構造を追加したいと考えていましたが、大きな衝突エネルギーを吸収するために荷台を使用したいとも考えていました。通常、自動車メーカーは、乗用車のリアクラッシュエネルギーを管理するために、主に金属製の荷台の側面にある金属製のプロファイルに依存しています。しかし、熱可塑性複合材料の衝撃強度を考えると、研究者は、複合材料の荷重床の幅と長さ全体を使用して衝突荷重を管理できるかどうか疑問に思いました。彼らはまた、より高い衝突エネルギーを吸収できるかどうか疑問に思いました。

研究者は、一般的な自動車用熱可塑性複合材料をレビューしました。ポリプロピレン（PP）およびポリアミド6（PA6）マトリックスが検討されましたが、後部荷重床が高温電気泳動コーティング（e-coat）防錆プロセスを介して、BIWとともに移動するため、PPは温度上の理由で排除されました。最高の剛性と強度を実現するには、連続的な繊維強化が必要でした。そのため、試験前の作業では、布で強化された有機シート（ガラスマット熱可塑性（GMT）複合材の一種）と一方向（UD）熱可塑性プレプレップテープに焦点を当てました。多くの理由で、さらなるプロトタイピングのためにテープが選択されました。

研究者は、後部荷台の形状が複雑になることを知っていました。自動テープ敷設（ATL）マシンを使用すると、UDテープを任意の方向に配置し、有機シートよりも少ない材料で窓や穴を作成できます。これにより、スクラップ、質量、コストが削減され、ローカルおよびグローバルで繊維を最も効率的に使用できるようになります。部。また、ATLを介して配置された繊維は、プライスタックの各層に平らで平行に配置され、布のように織られていないため、うねりがなく、結果として剛性と強度が失われることはありません。

ただし、UDテープには制限があります。比較的高価で、ドレープ性が低く、流れがほとんどないため、複雑な形状を埋めることが困難です。これらの問題は、不連続/チョップドダイレクトロングファイバー熱可塑性（D-LFT）複合材料を選択的に使用することで克服されました。これは、流動性があり、高レベルの機能統合/部品統合を可能にし、ファイバーブリッジなしで複雑なリブに成形するのがはるかに簡単です。かなりの衝突エネルギーを吸収します。 D-LFTを使用すると、金属製のアタッチメントを挿入するのも簡単になります。特に、インサートに事前に穴が開けられている場合は、穴が金属を通り抜けて金属の周りを流れ、機械的なインターロックによって強力な結合を形成します。さらに、D-LFTはテープや有機シートよりも安価で、厚い部分に成形するのがはるかに簡単です。プレス側で複合化されたD-LFTは、材料在庫管理を簡素化し、開発プログラムに高い柔軟性を提供して、部品の製造と評価時に材料の特徴（繊維の長さと種類、繊維の体積分率（FVF）、マトリックス）をすばやく変更します。生産中、材料/プロセスの設定を制御して、高レベルの再現性と再現性（R＆R）を実現できます。そのため、自動車はほぼ20年間、中量から大量の生産にこのプロセスを使用してきました。

研究者は、後部荷重床を薄く軽量に保ち、高い衝撃荷重を吸収しながら座屈に耐えられるようにしたいと考えていたため、ガラス繊維と炭素繊維で強化されたテープと異なる繊維でのD-LFTを使用した小部品試験を通じて、シミュレーションと初期開発を実施しました。 -機械的性能と充填挙動を評価するための重量分率（FWF）。カーボンコンポジットはガラスよりも薄く、軽く、剛性の高い構造を生み出しましたが、コストも懸念され、フロントロードフロアはすでにカーボンファイバー補強材を使用していたため、研究者はフルサイズパーツへのスケールアップ時にリアロードフロアを補強するためにガラスを選択しました。両方ともBASF製の40wt％グラスファイバーを使用したUltramid B3K PA6D-LFTと60wt％グラスファイバーを使用した8層のUltratape B3WG12PA6を使用しました。

多くのシミュレーション作業の後、1.3 x 1.3m リアロードフロアの最終設計は、より厚いD-LFTクラッシュゾーンが織り交ぜられたラミネートに事前に統合されたUDテープから生成された薄いシェルのニアネットシェイプ構造で構成されています（図2を参照）。 UDテープで作られた大きな波形、 深いトラフ（高さ50 mm、幅115 mm）をパーツの縦軸に沿って成形し、低質量と低厚さで高剛性を実現しました。さらに、テープのレイアップ中に2つのウィンドウが形成され、D-LFTがラミネートを通過して必要な場所に到達できるようになりました。大きなラミネートでは深い波形を形成するのが難しいため、成形プロセスとツールの両方を変更して、優れた部品を製造する必要がありました（「自動車用フロアモジュールの研究が新しいD-LFT /圧縮成形サブプロセスの開発を促進した方法」を参照）。これらの波形は、X字型の格子構造で複雑なリブを形成するD-LFTの2つの電荷と組み合わされて、その領域に高い慣性モーメントを生成し、衝突時の座屈を回避しながら、薄くて軽量な設計で部品の剛性を高めます。パーツの後部のD-LFT格子は、後部衝突のエネルギーを吸収するために粉砕ゾーンを形成しました。アルミニウムプロファイルは、荷台の軸側に一体成形され、D-LFTに接着され、特殊な表面処理とインターロックを提供する穴を介してラミネートされています。これらのプロファイルは、部品の剛性をさらに高め、良好な座屈挙動を提供し、衝突時にD-LFTクラッシュゾーンに力を伝達するように注意深く設計されています。また、リアロードフロアを周囲の金属構造に直接取り付けるための取り付けポイントも提供します。構造に一体成形された追加の金属インサートにより、シートベルトロックを直接取り付けることができました。

実装の成功

シミュレーション作業と小部品および大部品のテストにより、ハイブリッドリアロードフロア全体を使用して衝突荷重を管理できることが確認されました。さらなる評価により、この技術は従来の金属構造と同じくらい安全である必要があることが明らかになりました。

1つの大きなプロジェクト目標—BIWの総質量を200kgに減らす —理論的には、シミュレーションおよび小部品の開発中に満たされました。ただし、プロジェクトが進展するにつれて、より優れたクラッシュパフォーマンスが望まれ、複合構造に質量を追加する必要がありました。さらに、コストを考慮して、後部荷台の炭素繊維からガラス繊維の補強に切り替えました。結果として得られるインサート付きのリアロードフロアの重量は32.9kgですが、フロントロードフロア（インサートありでバッテリーなし）の重量は12.1kgです。最終テスト部品では、より高い安全性とより低いコストを達成するために、質量目標をわずか4.3％下回りました。また、SMiLE BIWは、フロントロードフロアで炭素繊維強化材を集中的に使用するため、従来の金属システムよりもコストがかかります。

リアロードフロアプロジェクトは、F-ICTによるローカルアドバンストテーラードLFT と呼ばれるD-LFT /圧縮サブプロセスの開発につながりました。 、D-LFT材料を主にUDテープ構造に選択的に適用して、テープでは作成できない局所的に複雑な形状（リブなど）を生成します。 SMiLEの前に開発されたが、プロジェクトで使用されているもう1つのF-ICTテクノロジーは、放射線による真空圧密を介して熱可塑性テープを急速に加熱および圧密する方法です。 現在、Fiberconと呼ばれるマシンでDieffenbacherから市販されているテクノロジー。

驚くべきことに、Frimoによって作成された実験プロセスと非常に複雑なツールは最初から機能し、100を超えるデモンストレーターパーツがその後のテストとデモンストレーションのために作成されました。チームは成形プロセスを単一のステップで実行するように設計しましたが、Dr.-Ing。熱可塑性プラスチック加工のF-ICTチームリーダーであり、リアロードフロアプロジェクトのリーダーであるSebastianBaumgärtnerは、生産環境では、この複雑な部品を2つのステップで成形し、ラミネートの予備成形を別のツールで行う方が効率的であると考えています。 「私たちは最初にもっと難しいワンステッププロセスを試すことを選びました、そしてそれはうまくいきました」とBaumgärtnerは説明します。 「しかし、ツールは非常に複雑で、プロセス制御はそれほど簡単ではありませんでした。ラミネートがスポットで熱くなりすぎると、LFTストランドと非常に強い相互作用がありました。生産中の良好な再現性を確保するには、物事を単純化し、より堅牢な2段階のプロセスを選択する方がよいでしょう。」それでも、この複合部品のサイズが大きく、それを形成するために使用される複雑なプロセスを考えると、チームは最終結果に非常に満足していました。 「私たちは、重量と性能が最適化され、商用技術を使用して高機能統合を特徴とする革新的で経済的な部品を製造できることを実証しました」と彼は付け加えます。

完全な積載床は、2018CCE-JECイノベーションアワードを受賞しました 中国とドイツ政府は、より大きなSMiLEプログラムを灯台プロジェクトとして認識しました。これは、このテクノロジーが将来のモビリティ設計で使用するために重要になることを意味します。チームは次のステップについて話し合っています。