Revolutionäre Komposit-Bremspedale: Leicht, Fest, Kosteneffizient in Serie bei Boge Rubber & Plastics

Der Tier-1-Zulieferer Boge Rubber & Plastics Group (Damme, Deutschland) produziert, was er als die leichtesten, kostengünstigsten und stärksten Vollkomposit-Bremspedale der Welt bezeichnet, und die ersten in kommerzieller Serienproduktion. Wie im January FOD detailliert (siehe "Thermoplastic composite structure replaces metals on safety-critical brake pedals") fertigt der Zulieferer derzeit 250.000 Bremspedale pro Jahr für vier Fahrzeugplattformen deutscher Automobilhersteller, und das System könnte bis zu 1 Million Pedale jährlich produzieren. Das ist signifikant, weil die Pedale strukturell sind, die gleichen strengen Leistungsanforderungen wie dieincumbent Stahl- und Aluminiumpedale erfüllen müssen, und die Designs drei verschiedene Arten glasverstärkter Thermoplast-Komposite aufweisen.

Drei Materialien erhöhen Fasereffizienz

Um Pedale leicht, dünn, kosteneffizient und fähig, anspruchsvolle OEM-Spezifikationen zu erfüllen, nutzt Boge kontinuierliches Glasfaser-Organoblech als Schalenstruktur, um die Hauptlasten des Teils zu tragen, die bis zu 3.000 Newton betragen können. Organoblech-Rohlinge werden vorgeschnitten, mit zwei oder drei Lagen voll konsolidiert vom Lieferanten Lanxess Deutschland GmbH (Köln, Deutschland) geliefert. Um die Hauptlastpfade auf dem Organoblech-Rohling zu verstärken, fügt Boge Streifen unidirektionaler (UD) Glasfaserbänder (geliefert von Celanese Corp., Irving, Texas, USA) in Orientierungen und Lagen basierend auf Finite-Elemente-Simulationsergebnissen hinzu. Dazu nutzt Boge Software, die es modifiziert hat, und Materialkarten, die das Unternehmen mit seinen Lieferanten basierend auf Spannungs-Dehnungs-Kurven entwickelt hat, die für jedes Material unter den von OEM-Kunden spezifizierten Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen gemessen wurden. Um funktionale Geometrie hinzuzufügen, nutzt Boge umspritztes Kurzglasfaser-Compound (von mehreren Lieferanten) für Strukturrippen und Befestigungsmerkmale.

Alle Materialien weisen Matrizen aus vorgefertigtem schwarzem Polyamid 6 (PA6) auf, einem zähen Polymer, das breit in der Automobilindustrie verwendet wird. Sollten OEM-Spezifikationen dies erfordern, hat Boge auch die Option, ein höher temperaturbeständiges, weniger hygroskopisches PA6/6-Matrix im Umspritzcompound zu nutzen, da beide Polymere ähnlich genug sind, um aneinander zu binden. Durch den Einsatz von drei verschiedenen Komposittypen mit Glasverstärkung in drei verschiedenen Formen kann Boge Fasern präzise dort platzieren, wo sie zur Erfüllung der Leistungsanforderungen nötig sind, während Over-Engineering vermieden wird. Der Mitnahmeeffekt dieses Hybrid-Komposit-Ansatzes ist, dass er Materialverbrauch, nominelle Wanddicke, Zykluszeit und Gesamtteilkosten reduziert.

Prozessschritte und Ausrüstungskriterien

In Partnerschaft mit dem Automatisierungs-/Montagelinien-Entwickler M.A.i. GmbH & Co. KG (Kronach, Deutschland) hat Boge einen dreistufigen Produktionsprozess entwickelt, der schnell, effizient und qualitätsgeprüfte Teile zu erschwinglichen Kosten produziert. Bei der Prozess- und Ausrüstungsgestaltung hatte das Team mehrere Anforderungen. Erstens, um Teilkosten niedrig zu halten, mussten die Unternehmen die gesamte effektive Zykluszeit bei ~1 Minute halten. Das Erreichen erforderte Automatisierung, um sicherzustellen, dass Materialien reibungslos durch die Fertigungszelle fließen.

Zweitens, während die Organoblech-Rohlinge vorgestapelt, voll konsolidiert und vorgeschnitten (konturiert) geliefert werden, bedeuteten die Anforderungen verschiedener Pedaldesigns, dass das Team Flexibilität brauchte, um Bandstreifen unterschiedlicher Längen an unterschiedlichen Orten und in unterschiedlichen Richtungen zu schneiden, zu orientieren und zu platzieren, um die Hauptlastpfade der Organoblech-Schale zu verstärken. Wiederum, um Kosten niedrig zu halten, wurde ein maßgeschneiderter Bandlegeprozess entwickelt, der ein hohes Maß an Flexibilität und Kontrolle sowie Geschwindigkeit bietet.

Am Prozessbeginn hält die Fertigungszelle zwei Stapel vorgeschnittener Organoblech-Rohlinge in Kassetten und vier Spulen UD-Bänder bereit. Zunächst nimmt ein Roboter einen konturierten Organoblech-Rohling und bewegt ihn zur Arbeitsfläche. Gleichzeitig wird UD-Band gefördert und auf die erforderliche Länge geschnitten. Streifen werden dann auf ein Vakuumband gelegt, das sie in Position hält, während der Förderer voranschreitet. Dann nimmt ein Roboter mit einer drehbaren Pick-and-Place-Einheit (Endeffektor) einen Streifen nach dem anderen vom Vakuumband, und eine Kamera prüft jeden Streifen auf Qualität, Dimension und Position. Wenn alle vier Stücke aufgenommen wurden, bewegt sich der Roboter zum Arbeitsbereich und beginnt, einen Streifen nach dem anderen auf dem Organoblech-Rohling an der durch bildbasierte Positions-Korrektur bestimmten Lage und Position zu platzieren. Während jeder Streifen positioniert wird, wird er durch mehrere Punktschweißnähte, die durch einen Laser erzeugt werden, am Verrutschen gehindert. Gleichzeitig werden weitere Bandstreifen geschnitten und auf das Vakuumband gelegt, und der Prozess wiederholt sich, bis alle für ein gegebenes Bremspedale-Design erforderlichen Bänder gestapelt und an der korrekten Position auf dem Organoblech fixiert sind.

Das System, das diesen maßgeschneiderten Faserrohling produziert, ist 100 % numerisch gesteuert, mit jedem Aspekt des Betriebs voll programmierbar für maximale Flexibilität. In jedem Schritt erkennen Kameras oder andere Sensoren, die mit dem Online-Qualitätskontrollsystem (QC) des Systems verbunden sind, alle Kanten und Positionen der Bandstreifen und der Organoblech-Schale und vergleichen geometrische Daten für diese Materialien mit bekannten Parametern, um sicherzustellen, dass jedes Material dort positioniert ist, wo es sein muss.

Um Produktionsgeschwindigkeiten hoch zu halten, bewegt sich der maßgeschneiderte Faserrohling als Nächstes in einen Infrarotofen, um beide Materialien kurz vor Drapieren/Preformen/Konsolidieren der Bänder auf das Organoblech zu erhitzen. Ein spezielles Antioxidantienpaket in Band- und Organoblech-Harzsystemen verhindert thermische Schäden. Als Nächstes wird der heiße Rohling schnell in die Drapier-/Preformkavität bewegt, wo hoher Druck verwendet wird, um den Rohling in eine U-Kanalform zu bringen, während eine hochwertige Oberfläche sichergestellt wird. Das QC-System überwacht wieder Konsolidierungs- und Preformqualität via Zeit, Temperatur und Druck.

Schließlich wird der noch warme und drapierte Preform in ein Spritzgusswerkzeug geschoben, wo er mit einem Kurzglas/PA-Compound umspritzt wird, um zusätzliche Geometrie wie eine komplexe Rippenstruktur an der Unterseite zu erzeugen. Nach dem Entformen werden ein schneller, automatisierter Beschnitt und eine visuelle Inspektion durchgeführt. Keine Lackierung oder andere Oberflächenveredelung ist nötig. Die finale Pedalgröße beträgt ca. 350 x 90 x 60 Millimeter. Bevor die Fertigungszelle verlassen wird, wird ein einzigartiger QR-Code auf jedes Pedal aufgeklebt, um es zurück mit den Fertigungs- und Materialdaten für dieses Pedal im Qualitätsystem zu verknüpfen. Nach der Montage wird ein Funktionstest des Pedals in seiner Halterung und eine finale Roboterinspektion durchgeführt. Vorausgesetzt, das Gerät besteht, wird ein weiterer QR-Code auf die fertige Bremspedalbaugruppe aufgeklebt, um vollständige Rückverfolgbarkeit jedes Pedals und zusätzlicher Komponenten vor dem Versand an den OEM zu gewährleisten.

Da Bremspedale sicherheitskritische Teile sind und anspruchsvolle OEM-Leistungs- und Qualitätsanforderungen erfüllen müssen, haben Boge und seine Partner mehrere Fehlersicherungsmechanismen in das Industry-4.0-konforme QC-System eingebaut, um schnell und präzise zu verifizieren, dass Spezifikationen in jedem Prozessschritt erfüllt wurden. QC-Daten werden gespeichert und jedes Pedal erhält eine eindeutige Identifikationsnummer in Form eines QR-Codes, um 100 % Rückverfolgbarkeit von Material, Schichten und Prozessbedingungen, die an der Produktion dieses Teils beteiligt waren, zu gewährleisten.

Die von Boge produzierten Vollkomposit-Bremspedale sind etwa halb so schwer wie Metallpedale. Sie verbessern auch die Fahrhaptik für Verbraucher, sind am Ende der Lebensdauer zu 100 % recycelbar und erfüllen oder übertreffen die Festigkeitsanforderung für incumbent Stahl.