Thermoplastische Tür eine Premiere für Automobilverbundwerkstoffe

Automobil-OEMs und Tier 1-Unternehmen kämpfen mit der Notwendigkeit, die Fahrzeugmasse zu reduzieren, um die Kraftstoffeinsparungs- und CO2-Emissionsziele zu erreichen. Verbundwerkstoffe haben das Potenzial, in vielen Bereichen maßgeblich zu diesem Leichtbau-Vorstoß beizutragen, aber Kosten, Designprobleme, ungewohnte Verarbeitung und Konkurrenz durch andere Materialien stellen weiterhin Hindernisse dar. Um diese zu überwinden, wird in vielen Projekten untersucht, wie Verbundwerkstoffe mit maximalem Nutzen in Fahrzeugstrukturen aus mehreren Materialien integriert werden können.

Ein Projekt, das sich mit der Frage befasst, wie Verbundwerkstoffe tragende Strukturen im Automobilbau reduzieren können, wird vom Composites Center der Clemson University (Clemson, SC, USA), dem Clemson University International Center for Automotive Research (CU-ICAR) und Honda R&D Americas (Raymond, Ohio) durchgeführt , USA), mit Unterstützung des University of Delaware Center for Composite Materials (CCM, Newark, DE, USA) und mit Mitteln des US-Energieministeriums (DOE, Washington, DC, USA).

Der Schwerpunkt des Projekts, sagt Hauptforscher Dr. Srikanth Pilla, der Jenkins Endowed Professor of Automotive Engineering und Dean's Faculty Fellow bei Clemson ist, ist die Frage, ob Verbundwerkstoffe ultraleichte Verschlusssysteme – Türen, Motorhauben, Kofferraumdeckel – ermöglichen können ergänzen die gleichzeitigen Fortschritte in der Antriebsstrangtechnologie und eine bessere Aerodynamik:„Im Technologieportfolio für den Leichtbau wurden viele der ‚niedrig hängenden Früchte' bereits umgesetzt – zum Beispiel das Motoren-Downsizing. Effizienzsteigerungspotenzial sehen wir im Bereich tragender, baulicher Abschlusssysteme zu einem vernünftigen Preis.“

Zusammenarbeit, Teaming sind der Schlüssel

Das auf vier Jahre angelegte Projekt, das 2016 begann, entstand als DOE-Aufforderung, Teil der Reihe der Großen Herausforderungen der Obama-Regierung zur Förderung von Wissenschaft und Technik zu vielen Themen, einschließlich der Einhaltung von Abgasnormen für Kraftfahrzeuge. In der Angebotsanfrage wurde das Design und die Entwicklung einer Autotür gefordert, die gegenüber einer Standard-OEM-Tür eine Gewichtsreduzierung von 42,5 % bietet und gleichzeitig eine ähnliche Aufprallleistung, Haltbarkeit und Gebrauchs-/Missbrauchsleistung sowie eine ähnliche Geräusch-, Vibrations- und Rauheitsleistung (NVH) beibehält . Und unabhängig von der Konstruktion der Leichtbautür musste sie auf handelsübliche Materialsysteme zurückgreifen und auf Produktionsmengen von mindestens 20.000 Fahrzeugen pro Jahr skalieren.

Honda kam als OEM-Berater des Forschungsprojekts ins Boot, weil das Projekt mit „unserer Vision übereinstimmt, letztendlich eine emissionsfreie Gesellschaft zu schaffen“, sagt Skye Malcolm, leitender Ingenieur, Advanced Planning &Verification Vehicle Development Foundations bei Honda R&D Americas. Honda fügte dem Projekt auch seine eigenen Einschränkungen hinzu, fügt er hinzu:„Das vom Team zu entwickelnde Türdesign muss die gleiche Dichtungsgeometrie verwenden, die gleiche funktionale Ausstattung wie die Basistür aufweisen, eine von der Klasse A nicht zu unterscheidende Oberfläche aufweisen Basislinie und erfüllen die Honda-Anforderungen an Haltbarkeit und Alterung.“ Das Team hat sich zusätzlich zum Ziel gesetzt, dass die Tür zu 100 % recycelbar ist. Am wichtigsten ist vielleicht, dass das DOE einen maximal zulässigen Preis pro Pfund an eingespartem Gewicht (über der Grundlinie) von 5 US-Dollar vorschreibt. Dies bedeutete, dass für einen typischen Acura MDX Tür mit einem Gewicht von 31,8 kg, eine Gewichtsreduzierung von 42,5 % würde das Gesamtzielgewicht auf 18,3 kg bringen, was (bei 5 USD/lb eingespartem Gewicht) bedeutete, dass die Verbundtür nur hinzufügen 150 $ zu den Kosten der Tür.

Unterstützt wird Pilla bei dem Projekt von mehreren Studenten und Doktoranden, Dr. Gang Li, Professor für technische Mechanik bei Clemson, und Drs. Bazle Haque und Shridhar Yarlagadda von der University of Delaware CCM, Experten für Multimaterial-Verbundwerkstoffe. Yarlagadda, der Co-Projektleiter des Projekts, betont:„Honda war ein wesentlicher Bestandteil unserer Bemühungen und hat ein außergewöhnliches Maß an Zusammenarbeit und Engagement für unser Programm geleistet, einschließlich HPC-Computerunterstützung und Zugang zu Honda-Ingenieuren aus dem gesamten Spektrum. Design, Herstellung und Integration von Verbundkomponenten müssen mit einer Reihe von kundenorientierten „weichen“ Anforderungen kombiniert werden, um ein akzeptables Systemdesign zu schaffen, und dies wäre ohne die Unterstützung von Honda nicht möglich gewesen.“ Diese Einschätzung wird von den anderen Teammitgliedern geteilt, ergänzt Pilla:„Ein einfacher Materialaustausch war keine Lösung. Wir mussten uns einen Systemansatz ansehen, und Honda half uns, alle Türsystemelemente bis auf die Komponentenebene zu verstehen. Tatsächlich ist ihre Partnerschaft und ihr Engagement beispiellos.“

Eine neue Tür entwerfen

Erste Analyse, einschließlich Benchmarking anderer OEM-Bemühungen bei Leichtbauverschlüssen für begrenzte Marktmodelle, einschließlich des Aluminium-Türrahmens von Audi für seinen A8 Modell, der Porsche Panamera Magnesium-Türrahmen und BMWs i8 carbonfaserverstärkter duroplastischer Türrahmen. Keiner dieser früheren OEM-Ansätze erreichte jedoch die Kosten- oder Gewichtsziele dieses Projekts. Pilla sagt:„Ich wollte Teil von etwas sein, das der Zukunft zugute kommt und zu einer Kreislaufwirtschaft beiträgt. Eine thermoplastische Tür war noch nie zuvor versucht worden, und sie wäre recycelbar.“ Im Vergleich zu anderen Materialkandidaten, darunter duroplastische Verbundwerkstoffe, Aluminium und Stahl, boten Thermoplaste nicht nur Recyclingfähigkeit, sondern auch ein sehr hohes Potenzial für Leichtbau und schnelle Verarbeitungsgeschwindigkeiten (im Vergleich zu Duroplasten), um die Produktionsziele zu erreichen.

Mit dem original Acura MDX Tür als Basis (Abb. 1), teilte das Team seinen Materialmix auf:62 % Metall, 21 % starres Polymer, 13 % Glas und 4 % Elastomer. Die größte Leichtbauchance von 60 % bestünde im metallischen Türrahmen, den das Team von einem Basisgewicht von 15,4 kg auf das Zielgewicht von 6,2 kg reduzieren wollte. Während es keine Möglichkeit gab, das Gewicht der internen Komponenten und der Elektronik der Tür (Radiolautsprecher, Servo zum Heben und Senken des Fensters, Türschloss usw.) das Glas dünner, ohne die Zielwerte von NVH und Haltbarkeit zu beeinträchtigen. Darüber hinaus schätzte das Team, dass das Gewicht der Verkleidungselemente auf der Türinnenfläche um 30 % reduziert oder sogar ganz eliminiert werden könnte.

Die Hauptaufgaben des Projekts liefen in den ersten beiden Jahren parallel. Einige Teammitglieder arbeiteten an der Generierung von Materialdaten, während andere sich mit den Besonderheiten des Türdesigns befassten. Die Materialdatengruppe generierte Materialtestdaten für eine Vielzahl von Thermoplasten – Endlosbänder, Matten, kurz- und langfaserverstärkte Polymere und mehr – um Kandidatenmaterialien für den Innenrahmen und das Außenblech zu bestimmen; Materialien wurden von einer Reihe von Zulieferern der Industrie beigesteuert. Die Daten wurden über Spinnendiagramme ausgewertet, wobei Gesamtfestigkeit, Scherfestigkeit, zulässige Kosten, zulässige Dichte, Steifigkeit und Zähigkeit die Diagrammachsen bilden.

Die leistungsstärksten Materialoptionen nach der ersten Datenauswertung – Endlosfaserbänder und langfaserverstärkte thermoplastische Pellets – wurden einer Materialmodellierung unterzogen, erklärt Pilla:„Es war möglich, eine einfache orthotrope Materialsteifigkeitsmatrix für die Endlosfaserbänder basierend auf Hookes Gesetz." Für das langfaserverstärkte Polymer waren jedoch sekundäre Simulationen erforderlich, um die Festigkeit und Steifigkeit eines spritzgegossenen Türteils vorherzusagen, da sowohl durch die endgültige Teilegeometrie als auch durch den Formfüllprozess Anisotropie eingeführt wurde. Pilla fügt hinzu:„Die Modellierung dieser Langfasermaterialien ist schwierig, da noch nicht viel in der Simulation getan wurde.“ Um die benötigten Daten zu sammeln, entwickelte das Team eine Fertigungsoptimierungsschleife. Generische Teileformen für den Innenrahmen und das Außenblech der Tür wurden mit der SolidWorks 3D-Konstruktionssoftware von Dassault Systémes (Waltham, MA, USA) generiert; Formfüllungssimulationen dieser Formen wurden durchgeführt, um Schmelzflussvektoren mit Hilfe der Moldex3D-Software von Moldex (Chupei City, Taiwan) zu bestimmen; Schmelzflussdynamik und Kollusion wurden analysiert, um die Faserorientierung über die Digimat-Software von e-Xstream (Hautcharage, Luxemburg, ein Unternehmen von Hexagon) zu bestimmen; und kartierte Faserorientierungen wurden verwendet, um eine Steifigkeitsmatrix mit Finite-Elemente-Analyse-(FEA)-Tools zu generieren, einschließlich Materialkarten, die von Altair Engineering Inc. (Troy, MI, USA) HyperWorks CAE-Lösung bereitgestellt wurden. Als Teileformen modifiziert und Materialien getestet wurden, wurde die Optimierungsschleife mehrmals wiederholt.

Gleichzeitig arbeiteten andere Teammitglieder an der eigentlichen Entwicklung des Türkonzepts und schließlich an Werkzeug- und Fertigungssimulationen. Ausgehend von groben Skizzen und einer hochwertigen Materialauswahl entstand eine Reihe von Designs. Anschließend wurden grobe CAD-Modelle sowie erste FEM-Simulationen für einfache statische Lastfälle generiert. Im Herbst 2016, so Pilla, habe bei CU-ICAR ein Design-Workshop stattgefunden, bei dem das Team die Optionen für das Türkonzept zur weiteren Arbeit auf sieben reduziert habe. „Unsere Designphilosophie bestand von Anfang an darin, die funktionale Integration von Teilen und Materialien zu maximieren, die Teileanzahl zu minimieren, die Effektivität der verwendeten Materialien durch Optimierung zu maximieren und die Montage zu vereinfachen“, sagt Pilla.

An diesem Punkt wurden detaillierte CAD-Modelle generiert und FEA-Simulationen für jedes Konzept durchgeführt, um die statische Leistung in Übereinstimmung mit den Honda-Zielen zu validieren. Unter Berücksichtigung der Herstellbarkeit und der Integration von Subsystemen begann Konzept 7 (ein Space-Frame-Ansatz) in Richtung Konzept 2 (einem einteiligen Strukturrahmen) zu konvergieren . Dieses Konzept besteht aus vier Elementen:der äußeren Verkleidung der Klasse A, den Türinnenteilen, einem inneren Rahmen oder Verkleidung und den Innenverkleidungselementen.

Innen aus mehreren Materialien, außen Klasse A

Das Team wählte Mitte 2018 Materialien und Herstellungsverfahren für das endgültige Türdesign aus, mit einem Designstopp am 15. Januar 2019; Werkzeugbau und Prototypenbau hat begonnen. Abbildung 2 zeigt die Details des 1,2 mm starken Innenrahmens und seiner Komponenten (die äußere Klasse-A-Platte ist nicht dargestellt). „Beltline“ bezieht sich auf eine Styling-Linie, die von der unteren Kante der Fensterscheibe gebildet wird, wo Versteifungen platziert wurden, um die geformten Verbundplatten zu unterstützen. Pilla merkt an, dass der Anti-Intrusion-Träger zum Schutz der Insassen im Falle eines Seitenaufpralls in Stahl bleiben musste, um das Gesamtgewicht der Tür zu senken – ein Verbundträger mit der gleichen Leistung wäre zu schwer gewesen. Ein wesentliches Element der Konstruktion ist das Befestigungssystem zur Verbindung des Innenrahmens mit dem Außenblech. Pilla erklärt:„Die äußere Klasse-A-Platte wird am Ende der Montagelinie an der Tür befestigt, was es den Mitarbeitern ermöglicht, die Türinnenteile im Voraus einfach zu installieren und auch Schäden an der Klasse-A-Oberfläche während der Montage zu vermeiden.“ Geformte Schnappverbindungen am Innenrahmen sind einstellbar, um Fertigungstoleranzen in Y-Richtung auszugleichen, fügt er hinzu, während Langlöcher für metallische Befestigungselemente helfen, Fertigungstoleranzen in X- und Z-Richtung während der Montage auszugleichen.

Zur Gewichtsreduzierung verzichtet das aktuelle Türdesign auf eine konventionelle Innenverkleidung. Stattdessen wurden einige funktionale Formteile entworfen, darunter eine spritzgegossene Kartentasche, eine Armlehne aus mit ABS-Kunststoff hinterspritztem Naturholz und einige mit Schaumstoff kaschierte Lederpolster. Zusammen wiegen diese Teile 1,34 kg, verglichen mit der Basis-Innenverkleidung von 3,49 kg. Laut Pilla erwartet das Team durch die Designoptimierung mehr Gewicht einzusparen.

Derzeit werden FEA-Analysen und -Optimierungen durchgeführt, um sowohl statische Lastfälle als auch dynamische Crashlasten zu modellieren, denen die Verbundstofftür standhalten muss. Allein die statischen Lastfälle sind entmutigend und umfassen Türdurchhang, Bordkantensteifigkeit, Spiegelhalterungssteifigkeit, Türgriffzugsteifigkeit und mehr. Die dynamische Belastungsprüfung, so Pilla, besteht derzeit aus dem quasistatischen Pfahltest des Federal Motor Vehicle Safety Standard (FMVSS) 214, bei dem eine Fahrzeugtür von einer Stange (die Dach und Karosserie verfehlt) 18 Zoll nach innen gequetscht wird während alle Mindestkraftanforderungen eingehalten werden:„Dieser Fall ist im Vergleich zu den anderen beiden Crashtests [the 75° FMVSS 5 ^th . am wenigsten rechenintensiv Percentile Female (AF5) Pole Test und der Insurance Institute for Highway Safety Side Impact Criteria Evaluation (IIHS SICE) Test]. Dadurch können wir mehr Designexperimente und Optimierungsschleifen durchführen.“

Gang Li fügt hinzu:„Die Integration des Composite-Herstellungsprozesses und der strukturellen Leistungssimulationen mit Optimierungsalgorithmen ist sowohl faszinierend als auch herausfordernd. Obwohl die Herausforderung in der Komplexität des Systems und dem Umfang der beteiligten Berechnungen liegt, führt eine solche Integration die Konstruktionsräume von Struktur, Material und Fertigungsprozess zusammen und bietet uns mehr Möglichkeiten für Leichtbau und Leistungssteigerung.“ Und die Erfüllung dieses Belastungsfalls für den Mastentest bedeutet, dass die Tür den anderen beiden Mast- und Seitenaufpralltests nahe kommt, fügt er hinzu.

„Unsere bisherigen Tests haben gezeigt, dass die Verbundtür die bundesstaatlichen Anforderungen problemlos erfüllt, aber die umfassende Leistung unserer Acura-Basistür übertrifft diese Anforderungen viel“, sagt Pilla. Bisherige FEA-Ergebnisse zeigen, dass die leichte Verbundtür mehr Energie absorbiert als die Basistür (23,59 kJ vs. 15,34 kJ), was Pilla der Fähigkeit der Verbundwerkstoffe zuschreibt, zusätzliche Verformungsenergie nach der anfänglichen Streckgrenze zu absorbieren. Simulationen zeigen jedoch, dass sowohl die äußere Gürtellinienversteifung als auch die Verstärkungsarchitektur des inneren Rahmens verbessert werden können.

Mit einem verbleibenden Jahr im anfänglichen Projektzeitplan generiert die Gruppe Fertigungssimulationen und Werkzeugansätze; Erstellen eines Massenproduktionsplans für Scale-up und geschätzte Kosten einer Produktionslinie; und Herstellung von Prototypen für Crash- und mechanische Leistungstests, Fit- und Finish-Tests und beschleunigte Alterung.

Pilla:„Die Verbundtür erreicht aufgrund der Plattendicken immer noch nicht das Ziel und ist noch nicht vollständig optimiert. Obwohl wir viel leichter sind als die Stahlbasis, haben wir unser Ziel zur Gewichtsreduzierung von 42,5 % noch nicht erreicht, aber wir sind optimistisch, dass wir es erreichen können.“ Ein Türprototyp für Pass- und Funktionstests wird in Kürze fertig sein. Das Projektteam ist der Ansicht, dass die für diese Tür entwickelten Materialien und Technologien leicht auf andere Automobilkomponenten (z OEMs und Zulieferer zur Implementierung dieser Technologien – ein Gewinn für Automobil-Verbundwerkstoffe.