骨架设计可提供更具竞争力的复合汽车结构

随着制造商寻求降低复合材料零件的成本，设计人员一直在努力使复合材料尽可能有效地使用，同时使生产和多功能集成自动化。在汽车应用中，周期时间要求短至1至2分钟，这一挑战变得更加关键。多年来，作为一种可行的解决方案，一直在寻求将热塑性复合材料注塑在连续纤维预成型件上的包覆成型技术，例如CAMILMA项目在2014年展出的包覆成型技术。复合材料座椅靠背。西格里碳素轻量化和应用中心负责人克里斯托夫·埃贝尔（Christoph Ebel）博士解释说：“现在，这种方法已被引入了一个新的高度，可以实现热塑性复合材料白车身的全自动生产。”

这一进步归功于已经开发了多年的“骨架”设计方法。正如MAI Skelett项目在2015年首次展示的那样，该技术涉及热成型和拉成型单向（UD）碳纤维热塑性塑料的分两步工艺，循环时间为75秒。产生超过所有以前版本的结构屋顶梁。它还集成了附件夹，并改变了碰撞行为，以提高白车身的残余强度，从脆性破坏模式转变为延性破坏模式。具有骨架设计的MAI Skelett示范挡风玻璃框架这个为期17个月的MAI Skelett项目由德国联邦教育和研究部支持，该项目由MAI Carbon（德国Carbon Composites e.V.的区域分部）完成。网络。项目重点它是一种特殊型号的产品，挡风玻璃上方两个A柱之间的挡风玻璃框架。包括所有功能和空间要求，该设计基于当前的BMW i3架构。挡风玻璃框架不仅可以用作屋顶的侧向结构构件，还可以用于其他功能，包括：•刚性–还可降低噪音，振动和粗糙度（NVH）•强度（车辆压力测试）–-有助于满足碰撞要求•内部组件的固定装置，例如遮阳板，内饰和照明线束•连接至挡风玻璃，天窗和外部车顶面板的支架。挡风玻璃框架的骨架设计具有4个角单向纤维增强拉挤杆，包裹在包覆成型的框架中，以提供对扭转刚度和复杂形状的功能连接。

拉挤型材并非全部位于同一平面上，而是以不同的高度排列：两个靠近60 mm高的部件的底部，两个靠近顶部。拉挤成型作为热塑性工具箱的一部分对于MAI Skelett挡风玻璃框架，最终设计完成了100mm2的横截面，目的是使用更便宜的重型丝束碳纤维。但是，所选的50K丝束纤维具有大量紧密结合的细丝，这使得树脂浸渍更加困难。 SGL热塑性塑料产品经理VeronikaBühler解释说：“通常，可以通过优化纤维引导和铺展以实现最佳浸渍和50％高纤维体积来克服这一挑战。”目前，西格里已经掌握了这项技术，并将拉挤成型作为其热塑性工具箱的一部分提供。 “我们的热塑性塑料带（也基于对于拉挤成型，我们对半成品有广泛的了解，因此我们可以快速适应当前用于创建自己的轮廓的拉挤成型技术。该过程包括对纤维体积，孔隙率和尺寸精度的质量检查。基于自动化和机器人操作，尺寸精度非常重要。她继续说：“例如，由于拉挤型材中的残余应力，不能弯曲。”除了拉挤增强材料外，MAI Skelett项目还研究了热塑性树脂。已经测试了各种类型的聚酰胺6（PA6），以确定最佳的拉挤质量和拉挤速度。需要粘度和流变性。通过其热塑性工具箱（包括UD胶带，有机板，短纤维和长纤维增强复合材料的短切纤维，以及现在用单向纤维增强的拉挤型材），West Gerry为该项目提供了一系列材料，全部基于SIGRAFIL 50K碳纤维适用于聚丙烯和聚酰胺（包括PA6或原位PA6）的基体浸渍。

 “为使复合结构具有最佳性能，纤维，胶料和基质材料必须相互配合。布勒说。她还解释了原位PA6：“这是一条长的聚合物链，是在复合部件的成型过程中，使己内酰胺单体反应或使包含催化剂和活化剂的单体反应时聚合而成的。换句话说，己内酰胺聚合了Bühler说，作为一种聚合物，聚酰胺包括PA66和PA12，以及某些类型的PPA，它们可以用作附加的基体材料选择。玻璃框架的另一个重要方面是玻璃的热成型能力。热塑性塑料半成品成型期间和之后进一步成型功能化和确保包覆成型过程中的熔胶是MAI Skelett演示组件设计中的两个重要因素。热成型和包覆成型MAI Skelett挡风玻璃框架的生产始于拉挤碳纤维/ PA6型材。然后必须修改这些轮廓以适应零件的形状并在不同点引入载荷。为此选择了热成型，并且主要考虑因素是，仅通过保持直线尽可能直即可获得碳纤维的高强度和刚度。这需要在基体材料的流动方向上拉伸拉挤杆，然后挤压和弯曲杆的端部。热成型端：对MAI Skelett挡风玻璃框架中拉挤杆的端部进行热成型，以满足零件形状和载荷引入的要求（来自宝马集团MAI Skelett最终报告的图片）热成型端：对热成型拉挤杆的端部进行了测试在三个不同的形状上。

结果，拉挤杆沿基材的流动方向拉伸，确保最佳的纤维排列以满足负载要求（图片来自宝马集团MAI Skelett的最后一步）第二步是放置热成型的拉挤成型件在红外加热器下加热型材，在不到50秒的时间内加热它们，然后使用专门为此目的开发的自动化操作系统进行传输。进入注塑模具。项目的所有部分均在现有的注塑机上生产。然后将纤维增强的复合材料包覆成型在型材上和型材周围。为了将四个热成型的拉挤成型杆固定在适当的位置，对模具和包覆成型过程中的加工有精确的要求。两步过程（热成型和预成型拉挤型材的二次成型）的总循环时间约为75 s。 “因为它是在第二次成型之前添加的加热热塑性基质材料，从而允许在非常短的循环时间内形成预成型的热成型棒并将其粘结到最终零件上。埃贝尔解释道。 “一般来说，热塑性塑料的可熔性也使其可以连接到均匀的金属零件上。” Bühler补充说，并指出热塑性热成型和注射成型工艺具有出色的可重复性和工艺控制能力，这是实现大批量生产的关键因素。弹性故障拉挤骨架：使用拉挤型材下一代挡风玻璃框架的二次成型纤维增强PA6“肌肉”承重框架，优于目前的BMW i3结构（SGL碳纤维图片）零件的韧性以破坏的形式评估了PPA和PA6的轮廓以及使用玻璃纤维和碳纤维的相容模塑材料。尽管更坚硬的故障形式降低了挡风玻璃框架可以传递的负荷，但白车身整体的结构完整性得到了改善。所使用的分析方法包括实体建模，钢模型（几何模型，其中拉挤型材用作次级钢筋），以及使用壳单元进行建模，以及所有这些模型的各种组合。

桑迪亚国家实验室（美国新墨西哥州阿尔伯克基开发的Dakota参数求解器）和OptiStruct（美国密歇根州特洛伊市阿尔特尔工程公司）使用有限元求解器ABAQUS（法国达索系统，法国巴黎）进行了拓扑优化。宝马在最终项目报告中没有指定首选的材料组合，但确实给出了结论：•最终的模拟和测试结果表明，除了扭转刚度外（已确认除了是挡风玻璃框架设计的关键驱动因素之外，这种骨架组件还超出了当前碳纤维增强塑料（CFRP）组件的所有要求。 •在碰撞载荷的情况下，此骨架设计的载荷水平和能量吸收超过了当前CFRP组件的载荷水平，并且成功实现了更具延性的破坏模式，不仅进一步提高了复合结构的碰撞性能。并且对碰撞性能及其与整个白车身结构的关系有更深入的了解。未来的骨架设计应用宝马在MAI Skelett的最终报告中指出，它还发现，使用这种骨架设计方法可以显着降低生产，材料和工具成本，从而可以使其他六个汽车零部件受益。西格里碳素公司建议将其应用于汽车和航空座椅结构，仪表板，机械臂，X射线工作台等。但是，在随后的MAI Multiskelett项目（执行期为2015年9月至2017年6月）中，这种骨架设计方法得到了进一步发展，并已扩展到多轴应力组件。该项目研究了将轴承部件转移到拉挤型材的应用领域，还研究了高载荷（尤其是大型结构部件上的几个主要载荷路径的交点）引入的应用领域。与先前的Skelett项目一样，该项目着眼于组件设计和具有成本效益的批量生产线。骨架设计如何进一步优化现有复合材料零件的一个例子是用于电动汽车内饰的碳纤维前端支架，该支架由SGL和汽车技术专家Bertrandt（德国埃宁根）于2017年开发。碳纤维支架：使用骨架设计方法，这种用于电动汽车仪表板的替代设计将用拉挤型材代替热成型的有机板，用作拉模的主要承重构件，以实现功能连接和仪表板设计。提高效率并降低成本（来自SGL碳纤维的图片）集成了传统仪表板的所有主要功能和装饰组件，这些仪表板基于热成型的有机板作为承重骨架，以提高刚度。 Ebel说：“将来，该零件可以由包覆成型的热塑性模塑设计代替。” “这消除了对有机片材进行切割，层压和修整的需要。而且，不再需要横梁，因为我们可以将其集成到拉挤型材中并进行包覆成型以实现仪表板设计。这种包覆成型的组件还将提供所有其他组件以及用于连接这些组件或电缆的螺钉和夹子的适配。 Ebel承认这将是一个巨大的设计更改，但它将降低成本并提高整个组件的效率。他指出，设计一种几乎不浪费的工艺是可行的，因为可以将型材精确地切割成所需的长度，并且在这些步骤中或在包覆成型之前不进行热成型时，不会损失碳纤维增强材料。布勒指出，座椅也是这种骨骼设计的主要候选者。 “复合材料通常是由织物或胶带制成的板状结构，但是我们可以通过整合底部的轮廓并增加刚度来减小平坦区域的厚度。”她指出，拉挤轮廓并不是唯一的一个可以建立的。一种有效的UD产品，它也可以是很容易适应每个组件加载路径的条形。 “作为一种额外的创新概念，这种骨架设计激发了许多公司访问轻量级应用中心的公司，” Ebel说。兴趣，我们的客户认为这是有希望的。他解释说，“轻量级应用中心”已经具有设计能力，可以帮助公司整合其创新思想，例如为将来节省材料的组件提供新的概念空间。 “有许多应用程序可以使用类似的块。”挡风玻璃框架的设计。 Bühler说：“这对于行业从准各向同性铺装向前迈进非常重要，因为这些铺垫使碳纤维的大部分强度和刚度都留在桌子上。”相反，我们必须研究更有效的材料形式，仅在需要的地方使用每种材料，这是该行业的未来。 ”