Thermoplastische Verbundwerkstoffe:Malerische Aussicht

Ein Team in Frankreich um Webasto SC in Les Châtelliers-Chateaumur hat ein neuartiges Festglas-Rollo-Schiebedachmodul entwickelt, das erstmals konventionelle Aluminiumschienen durch thermoplastische Verbundführungsschienen ersetzt. Die Änderung wurde erstmals auf mehreren Mehrzweckfahrzeugen (MPVs) der Groupe Renault (Boulogne-Billancourt) kommerzialisiert mm zusätzliche Kopffreiheit zwischen Fahrzeuginsassen und der Glasscheibe des Schiebedachs.

In Europa üblich, in Nordamerika jedoch ungewöhnlich, werden Rollo-Schiebedachmodule typischerweise verwendet, um Festglasdachsysteme abzudecken – oft große Panoramadächer, die sich fast über die gesamte Breite und Länge der Dachlinie des Fahrzeugs erstrecken. Wenn sie eingesetzt werden, haben sie die gleiche Funktion wie starre Sonnenschirme an nordamerikanischen Fahrzeugen, sie blockieren überschüssiges Sonnenlicht und dämpfen Geräusche von Regen und Wind. Sie bestehen aus einem dünnen, aber lichtblockierenden Stoff, der sich auf einer motorisierten Schiene abrollt und entfaltet und dann wieder um eine Spindel aufgerollt wird, die unter dem Dachhimmel im hinteren Teil des Daches im Fahrzeuginnenraum untergebracht ist.

Herkömmliche Schiebedachbaugruppe

In der Automobilindustrie werden seit jeher Aluminiumschienen verwendet, um das Rollomodul eines Schiebedachs mit der Rohbau-Dachkonstruktion (BIW) zu verbinden, insbesondere bei großen und transparenten Festglas-Schiebedachsystemen, die sich typischerweise über fast die gesamte Länge erstrecken und Breite des Autodachs. Diese Führungsschienen, die entlang der Fahrer- und Beifahrerseite des Daches montiert werden, erfüllen bei Rollo-Schiebedachsystemen eine doppelte Funktion, da sie die Gleitfläche bilden, auf der das motorisierte Stoffrollo beim Aufrollen des Behangs fährt, um mehr Licht ins Innere zu lassen im Fahrzeuginnenraum, oder wie es eingesetzt wird, um dieses Licht zu reduzieren. Im Gegensatz zu den in Nordamerika üblichen starren Sonnenschirmen nehmen die Rollos im eingefahrenen Zustand wenig Platz unter dem Dachhimmel ein, wo sie von den Fahrzeuginsassen nicht gesehen werden können, bieten aber dennoch die gleiche thermische Isolierung von Sonne und Schall von Wind und Regen wie starre Sonnenschirme tun.

Der konventionelle Herstellungsprozess für Aluminiumschienen beginnt mit einem Aluminiumprofil mit konstantem Querschnitt und erfordert einen arbeitsintensiven, mehrstufigen Fräs- und Endbearbeitungsprozess, um die komplexe Form der Schiene zu erreichen:

• Ablängen,
• Bilden kleiner Falten durch Stanzen und Stanzen,
• Kurven formen,
• Bearbeiten/Fräsen komplexer Formen, die nicht mit Stanzwerkzeugen vorgeformt werden können (erfordert einen Werkzeugsatz/Arbeitsgang und eine Qualitätskontrolle nach jedem Schritt),
• Eloxalschiene in schwarz oder natur,
• und Montage von Elektrokabelschellen, Spiralkabelschellen, Zentrier-/Positionierstiften und Muttern.

Jede Marke und jedes Modell von Personenkraftwagen verwendet eine etwas andere Schiene in Form und Länge, daher müssen Schiebedachhersteller während der Produktion eines bestimmten Schiebedachmoduls einen erheblichen Lagerbestand produzieren und lagern. Und wenn ein neues Modell hinzugefügt wird, sind komplett neue Werkzeuge erforderlich, es sei denn, das Fahrzeug hat gemeinsame Teile mit dem Modul für das Schiebedachsystem eines bestehenden Modells.

Aluminium-Führungsschienen sind nicht nur in der Produktion beim Schiebedachhersteller arbeitsintensiv, sondern auch beim Einbau in der Fahrzeugmontage. Herkömmlicherweise werden Schienen manuell über Schrauben am BIW befestigt. Dann wird das Schiebedachmodul durch den Windschutzscheibenschacht geführt und von unten in die Öffnung im Dach geladen, wo der Bediener es an den kürzlich installierten Schienen befestigt. Schließlich wird das Glasdach selbst mit Strukturkleber auf die Oberseite des Autos geklebt und dichtet das Schiebedachmodul und den Kabineninnenraum ab.

Obwohl Aluminiumschienen eine bekannte, etablierte Technologie darstellen, weisen sie Nachteile auf. Zum einen ist Aluminium ein teurer Rohstoff und schwieriger als Stahl in komplexe Formen zu biegen. Zum anderen ist zum Schutz der Umwelt die Entsorgung der zum Verhindern von Korrosion verwendeten Anodisierungschemikalien ein erheblicher zusätzlicher Kostenfaktor. Wie oben ausführlich beschrieben, ist der Herstellungsprozess lang und kompliziert und seine Werkzeugkosten sind hoch. Außerdem erfordern Bemühungen zur Erhöhung der Funktionalität die Verwendung zusätzlicher Hardware, die über zusätzliche Montageschritte aufgebracht wird.

Neues Bahnkonzept

Basierend auf anderen erfolgreichen Umrüstungen von Schiebedachrahmen von Aluminium auf Verbundwerkstoffe auf viel kleinerformatigen Schiebedachsystemen entschied sich ein Team von Webasto, eine Studie durchzuführen, um zu sehen, ob die viel größeren Seitengitter von Rollo-Schiebedachsystemen auch in Komposit umgewandelt. (Vordere und hintere Querträger waren bei solchen Systemen bereits auf Verbundwerkstoff – typischerweise glasfaserverstärktes Polypropylen (GR-PP) – umgestellt worden.) Das Ziel war es, Funktionalität hinzuzufügen, Herstellungsschritte, Teileanzahl, Kosten und Teilegewicht zu reduzieren erfüllen immer noch die OEM-Leistungsanforderungen.

Das Team begann mit der Untersuchung der Funktionalität und der Betriebsbedingungen von Führungsschienen und identifizierte das kritischste Merkmal von Schienen in ihrer Fähigkeit, eine reibungslose Bewegung des motorisierten Sonnenschutzes mit derselben Kraft von vorne nach hinten und von links nach rechts entlang des Gleisverlaufs zu ermöglichen . Um dies zu erreichen, benötigen Schienen eine präzise Geometrie und einen konstanten Querschnitt über die gesamte Länge, der über einen Meter betragen kann. Darüber hinaus müssen die Schienen ausreichend strukturell sein, um eine sichere Verbindung mit anderen Schiebedach-/Modulkomponenten, einschließlich der vorderen und hinteren Schiebedachquerträger und der Dachstruktur selbst, dem Motormechanismus, dem Dachglas und dem Dachhimmel, bereitzustellen. Um die OEM-Anforderungen zu erfüllen, muss der motorisierte Sonnenschutz mit niedrigen Gleitgeräuschpegeln betrieben werden, um Geräusche/Vibrationen/Härte (NVH) im Kabineninneren zu reduzieren.

Ein Scan häufig verwendeter Automobil-Verbundwerkstoffe eliminierte schnell diejenigen mit duroplastischen Matrizen und bevorzugten Thermoplasten. Im Vergleich zu thermoplastischen Verbundwerkstoffen neigen solche, die mit Duroplasten benetzt werden, zu einer höheren Dichte, haben langsamere Formzyklen und erfordern mehr Nachbearbeitung. Darüber hinaus bieten wiederaufschmelzbare Thermoplaste eine kleb- und befestigungsfreie Montagemöglichkeit zwischen Ober- und Unterschiene und vereinfachen das Recycling am Lebensende enorm. Darüber hinaus führten Duroplaste zu Bedenken hinsichtlich möglicher Beschlagbildung und Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen (VOC), die in der Europäischen Union für Fahrzeuginnenräume streng reguliert sind.

Aufgrund der OEM-Anforderungen an eine extrem genaue Maßhaltigkeit – insbesondere um Verzug zu vermeiden, der die reibungslose Funktion des Sonnenschutzes beeinträchtigen würde – wurden Polyamid, Polypropylen (PP) und thermoplastische Polyester eliminiert. Da Aluminiumschienen für den reibungslosen Betrieb des Sonnenschutzes Fett benötigen und die Webasto-Ingenieure noch nicht sicher waren, ob bei Verbundschienen Schmiermittel benötigt werden, wurde Polycarbonat aufgrund seiner geringen chemischen Beständigkeit und Neigung zu Spannungsrissen eliminiert. Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) wurde aufgrund der 110°C thermischen Anforderungen des Schiebedachs abgelehnt.

Hatte das Webasto-Team zuvor glasfaserverstärktes Styrol-Maleinsäureanhydrid/ABS (GR-SMA/ABS) für den Schiebedachrahmen verwendet, so richtete man das Augenmerk auf diesen Werkstoff, der in der Automobilindustrie seit Jahrzehnten für Instrumententafeln verwendet wird Substrate. GR-SMA/ABS ist von geringer Dichte, steif und fest, weist sehr geringe Verwerfungen und geringe Verformungen über einen breiten Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich auf. Da es amorph ist, gibt es keine Bedenken hinsichtlich der Kristallisation und Schrumpfung nach der Form. Darüber hinaus ist es in der Schmelze wiederverarbeitbar, lässt sich gut verschweißen und seine Maleinsäureanhydrid-Komponente gewährleistet eine hohe Haftfestigkeit auf einer Vielzahl von Substraten, einschließlich des Polyurethan-Strukturklebstoffs, der zum Verbinden des Glasdachs mit dem Schiebedachmodul verwendet wird.

Webasto wandte sich an seinen GR-SMA/ABS-Harzlieferanten Polyscope Polymers BV (Geleen, Niederlande), um geeignete Typen vorzuschlagen. Polyscope lieferte zwei Möglichkeiten – 15 %-GR XIRAN SGH30EB und 30 %-GR XIRAN SGH60EB – die dann bei Webasto kleinen Labortests unterzogen wurden. Die 30%-GR-Sorte war steifer, ihr höherer E-Modul war jedoch nicht erforderlich, um eine reibungslose Funktion des Sonnenschutzmittels zu gewährleisten. Tests zeigten, dass die 15 %-GR-Sorte die mechanischen Eigenschaften erfüllen würde, daher entschied sich das Team, dieses Material nicht nur für die linken und rechten Seitenschienen, sondern auch für den vorderen Querträger zu verwenden. Der hintere Querträger blieb in GR-PP.

Die nächste Entscheidung war das Verfahren zur Herstellung der Schienen. Anfänglich wurde die Profilextrusion in Betracht gezogen, weil sie sowohl hohle als auch massive Formen herstellen kann und funktional dem Verfahren zur Herstellung von Aluminiumprofilen ähnelt. Es ist auch ein kontinuierlicher Prozess, der schnell genug ist, um die Produktionsanforderungen zu erfüllen, aber die Werkzeugkosten sind relativ niedrig. Leider befürchteten die Forscher, dass die Extrusion nicht genügend glatte Innenflächen aus faserverstärkten Harzen erzeugen würde, um eine reibungslose und leise Bewegung des Sonnenschirms entlang der Schiene zu ermöglichen. Außerdem würde der Prozess die Möglichkeit einschränken, die Profilgeometrie über die Länge der Schiene zu ändern, um eine bessere Funktionsintegration zu ermöglichen, ohne während der Nachbearbeitungsschritte Hardware (wie zusätzliche Stifte und Clips) hinzuzufügen.

Das andere betrachtete Verfahren war das Spritzgießen, mit dem sehr komplexe 3D-Strukturen mit glatten Oberflächen und hoher Ästhetik schnell, präzise und mit ausgezeichneter Wiederhol- und Reproduzierbarkeit (R&R) hergestellt werden können. Darüber hinaus ermöglicht es das Einformen von Löchern, Ausschnitten, Schnappverschlüssen und sogar Clips, wodurch die Nachbearbeitung reduziert wird.

Für die Zielanwendung besteht der Nachteil darin, dass durch Spritzgießen keine Hohlstruktur in einem einzigen Schritt hergestellt werden kann (dafür muss jede Schiene aus zwei Teilen geformt und dann verbunden werden). Außerdem können die Werkzeuge teuer sein.

Das Team entschied sich für Spritzguss mit dem Ziel, mehrere Teile in ein Familienwerkzeug zu integrieren, um die Werkzeugkosten zu senken.

Konzeptprüfung

Da das Grundkonzept vielversprechend aussah, erweiterte sich das Entwicklungsteam um die OEM Groupe Renault und den Spritzgießer ARRK-Shapers (La Séguinière, Frankreich). Ziel war es, ein Verbundschienensystem für ein Festglas-Rollo-Schiebedachmodul auf den Mehrzweckfahrzeugen (MPVs) des Modelljahrs 2016 Renault Scenic (fünfsitzig) und Grand Scenic (siebensitzig) zu konzipieren. Das Team entschied sich, jede Schiene so zu gestalten, dass sie ein hohes Maß an funktionaler Integration aufweist, eine Spiegelsymmetrie zwischen den Schienen für die linke und rechte Seite aufweist und das Design sowohl Standard (Limousine/Limousine/Fünfsitzer) als auch lange (Wagen/Kombi) aufnehmen kann Pkw/Siebensitzer) Fahrzeugmodelle. Aspekte des Designs des Teams sind jetzt durch drei Patente geschützt.

Um die Werkzeugkosten überschaubar zu halten, optimierte das Team das Formdesign, um die oberen und unteren Teile der linken und rechten Schiene, den vorderen Querträger sowie drei Verbindungsstücke zur Verbindung mit dem hinteren GR-PP-Querträger ( separat geformt) in jedem Zyklus hergestellt werden. Ein weiterer kostensparender Schritt war die Verwendung von modularen Blöcken (die sowohl für die Lang- als auch für die Kurzschienenversion eingesetzt/entfernt werden) von ARRK-Shapers anstelle von teuren Werkzeugschlitten. Um alle acht GR-SMA/ABS-Komponenten in einem Großfamilienwerkzeug zu formen, wurde eine Spritzgusspresse mit 1.500 kN Schließkraft benötigt. Ultraschallschweißen wurde ausgewählt, um die obere und untere Schiene zu verbinden, und eine spezielle Montagevorrichtung wurde entworfen und gebaut.

Eine Prototyping- und Testphase ermöglichte es dem Team, das Schienendesign abzuschließen, Produktionsherausforderungen zu antizipieren und sicherzustellen, dass die Teile die Validierungstests von Renault bestehen, die Folgendes umfassten:

• Dauerhaftigkeitstests für 10.000 Lebenszyklen.
• Vibrationstests mit drei Achsen über einen Temperaturbereich von -20 °C bis 110 °C bei 95 % relativer Luftfeuchtigkeit (RH).
• Temperaturwechsel von 85 °C bis -20 °C bis 50 °C bei 95 % RH bis 110 °C.
• Schälfestigkeit und Scherfestigkeit nach der Verklebung.
• Renault-Fahrgeräuschtest für NVH.
• Überschlags-"Korkenzieher"-Test.
• Rollo-Betriebsgeschwindigkeit von mindestens 75 mm/Sek. bei 23°C nach jedem Test erreicht.

„Die Idee, stranggepresste Aluminium-Führungsschienen auf einem Schiebedach-Rollo auf eine Kunststofflösung umzurüsten, ist eine Webasto-Idee und seit langem patentiert“, erklärt Jacques Vivien, Webasto R&D, Design to Cost, Industrieexperte. „Allerdings erfüllte bis vor kurzem kein technischer Kunststoff die harten Anforderungen dieser Funktion.“ Er erinnert daran, dass der Kunststoffkandidat Anforderungen an die Maßhaltigkeit erfüllen musste; Stabilität im Laufe der Zeit, Beständigkeit gegen Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen; behalten Steifheit und Gleitfähigkeit bei; weisen eine ausgezeichnete Bondfähigkeit auf; und all das tun und dabei wettbewerbsfähig bleiben. „Wir waren sehr zufrieden mit der Wahl des XIRAN SGH30EB von Polyscope, wodurch das Projekt für alle Beteiligten zu einem vollen Erfolg wurde.“

Erwartungen übertreffen

Nach mehr als zwei Jahren Herstellung und Verkauf erweisen sich die Führungsschienen aus Verbundwerkstoffen wie erwartet, und es wurden viele Vorteile auf Ebene der Hersteller, OEMs und Kunden festgestellt. Zum Beispiel hat das clevere Tooling von ARRK-Shapers erhebliche Kosten aus dem Programm gespart. Webastos Verwendung eines Designs mit deutlich größerer funktionaler Integration als die Legacy-Aluminiumbaugruppe und die Wahl des Spritzgießens zur Herstellung der komplexen Strukturen in einem einzigen Schuss eliminierten Hardware und Nachbearbeitung und senkten auch die Kosten. Allein die Schienenproduktion wurde von sieben auf zwei Schritte reduziert.

Im Montagewerk von Renault kommt das neue Schiebedachsystem, einschließlich des Rollos, vollständig montiert und vorgetestet als eine einteilige Einheit an, die roboterhaft mit dem Dach verklebt wird, wodurch zwei bis drei Montageschritte entfallen und eine Neuzuweisung eines Bedieners ermöglicht wird, was die Kosten senkt und Zeit noch weiter. Berichten zufolge betrug die anfängliche Systemkostensenkung etwa 20 %, aber das neue Modul hat weniger Teile, was die Garantiekosten langfristig senken soll, wie durch geringere Teile pro Million (PPM)-Fehler und eine höhere Qualität bei Renault gezeigt wird. Ein weiterer Vorteil der neuen Verbundschienen besteht darin, dass eine Reduzierung des Z-Achsen-Elementstapels von>13 mm erreicht wurde, da das gesamte Modul direkt mit dem BIW verklebt wird anstelle des herkömmlichen zwei- bis dreistufigen Prozesses, bei dem die Schienen werden mit Schrauben am BIW befestigt und das Modul anschließend an den Schienen befestigt. Dies bietet nicht nur mehr Arbeitsraum an der Montagelinie für die Arbeiter, sondern bietet auch größeren Fahrzeuginsassen mehr Kopffreiheit. Eine weitere subtile Verbesserung war, dass bei beiden Fahrzeugmodellen NVH während des Sonnenschutzbetriebs reduziert wurde, um die riesige Tageslichtöffnung zu öffnen oder zu schließen. Wie Aluminium sind die Verbundschienen vollständig recycelbar, aber es wird weniger Energie benötigt, um sie zu Beginn herzustellen und sie am Ende der Fahrzeuglebensdauer zu recyceln, was sie wohl auch besser für die Umwelt macht. (Interessanterweise stellte das Team auch fest, dass für einen zuverlässigen Betrieb des Sonnenschutzes kein Schmiermittel auf den Verbundschienen erforderlich war.)

„Als Jacques Vivien von Webasto France mir zum ersten Mal erzählte, dass er erwägt, bei einem Schiebedach-Rollo-Modul Aluminium-Führungsschienen durch SMA-Verbundwerkstoff zu ersetzen, dachte ich, dass es eine kleine Herausforderung sein könnte, aber es lohnt sich, das Risiko einzugehen“, bemerkt Henri- Paul Benichou, Verkaufs- und Geschäftsentwicklungsmanager von Polyscope. „Diese innovative Anwendung erwies sich als technischer und industrieller Erfolg und bietet zahlreiche Vorteile für Zulieferer, Renault und die Kunden von Renault.“