Роль Rtm в производстве легких автомобильных аварийных конструкций

Введение: Драйв для легких, безопасных автомобильных конструкций

Современная автомобильная промышленность сталкивается с фундаментальным напряжением: транспортные средства должны быть легче, чтобы соответствовать топливной экономии и стандартам выбросов, но они также должны быть безопаснее, чем когда-либо в авариях. Сталь, традиционная рабочая лошадка для структурных компонентов, предлагает высокую прочность, но при значительном весе штраф. В ответ инженеры обратились к передовым композиционным материалам, и литье смолы (RTM) появилось в качестве критического производственного процесса для производства легких аварийных конструкций, которые не ставят под угрозу защиту пассажиров. В этой статье исследуется роль RTM в обеспечении систем безопасности автомобилей следующего поколения, от физики поглощения энергии до экономических реалий объемного производства.

Понимание формования смолы (RTM)

Литье под давлением представляет собой процесс с закрытой формой, который сочетает сухие армирующие волокна с жидкой термореактивной смолой для создания высокопроизводительных составных частей. Процесс начинается с размещения предварительно сформированного коврика из волокна - обычно углерода, стекла или арамиды - в жесткую двухкомпонентную форму. Плесень закрыта, а смола с низкой вязкостью (часто эпоксидная, полиуретановая или фенольная) вводится под давлением, насыщая волокна. Как только смола отверждается, деталь демольдуется, требуя минимальной обрезки.

RTM предлагает несколько явных преимуществ перед методами открытой формы, такими как ручная укладка или распыление: точность измерений выше, время цикла быстрее, а воздействие летучих органических соединений на рабочих значительно снижается. Поскольку форма обеспечивает обе поверхности, детали имеют гладкую отделку со всех сторон. Процесс также позволяет включать вставки, пенопластовые ядра и локализованное усиление - все это имеет решающее значение для конструкции конструкции аварийной конструкции.

Такие варианты, как High-Pressure RTM (HP-RTM) и Compression RTM (C-RTM), были разработаны для сокращения времени цикла до менее пяти минут, что делает процесс жизнеспособным для объемов производства автомобилей 10 000-100 000 единиц в год. В HP-RTM смола вводится при давлениях до 120 бар, быстро заполняя полость и обеспечивая очень короткое время отверждения в сочетании с быстро реагирующими системами смолы.

Почему RTM композитирует Excel в Crash Structures

Легкий вес без ущерба для силы

Композитные материалы, изготовленные с помощью RTM, могут предлагать соотношение прочности к весу, намного превышающее соотношение прочности к весу стали или алюминия. Стальной рельс с разбивкой на 10 кг может быть заменен композитным компонентом RTM из углеродного волокна весом всего 4 кг при сохранении эквивалентного или превосходного поглощения энергии. Это снижение массы неподпрыгивающего и общего транспортного средства непосредственно улучшает ускорение, торможение и управляемость и расширяет диапазон электромобилей.

Механизмы поглощения энергии

Краш-структуры должны поглощать кинетическую энергию посредством контролируемой деформации. В металлических компонентах энергия рассеивается посредством пластической деформации. В композитах энергия поглощается посредством нескольких одновременных механизмов: разрыва волокна, растрескивания матрицы, расслоения и трения между волокнами и матрицей. Способность «настраивать» эти механизмы посредством ориентации волокна, последовательности укладки и селекции смолы дает RTM-частям уникальное преимущество. Например, прогрессивный режим дробления, который инициируется при определенной нагрузке и продолжается стабильным образом, может быть спроектирован путем проектирования триггерных механизмов (например, скошенных краев или отверстий) непосредственно в инструментальную форму RTM.

Интеграция дизайна и консолидация частей

RTM позволяет консолидировать несколько штампованных металлических деталей в один составной компонент. Типичная передняя краш-рельсовая сборка может включать до 20 стальных штампов, сварных швов и скобок. С RTM та же сборка может быть отформована как один кусок, устраняя слабые места на сварных швах и снижая затраты на оснастку. Металлические вставки могут быть отлиты в точках крепления нагрузки, что позволяет напрямую заклинивать шасси без постформованного сверления.

Материалы, используемые в RTM для обломков

Усиление волокон

Системы Resin

RTM против других композитных производственных процессов

Компрессионное формование листового формовочного соединения (SMC)

SMC использует измельченные стеклянные волокна в смоле, которая формуется при сжатии. Она дешевле и быстрее, чем RTM, но дает более низкие фракции объема волокна и более случайную ориентацию волокна. Для аварийных структур, которые требуют направленной прочности и поглощения энергии высокого удара, RTM явно превосходит. SMC лучше подходит для неструктурных панелей.

Инъекционное формование термопластичных композитов (LFT-D, GMT)

Термопластичные процессы с длинным клетчаткой (LFT) могут быстро производить детали и подлежат вторичной переработке, но длины волокон ограничены несколькими миллиметрами, что снижает несущую способность. RTM с непрерывными волокнами обеспечивает на порядок более высокое удельное поглощение энергии.

Автоклав Prepreg Литье

Препрег-закладка с последующим автоклавным отверждением дает композитные детали самого высокого качества, но время цикла является длинным (часы) и затраты на капитальное оборудование высоки. RTM предлагает промежуточную основу: производительность приближается к препрегу, но с циклом 5-20 минут и без требований к автоклаву.

Виндзорная волокита

Обмотка накала отлично подходит для труб и цилиндрических структур (например, приводных валов, сосудов под давлением), но не может производить сложные 3D-геометрии, необходимые для аварийных структур, таких как ударные балки со встроенными скобками. RTM может формировать эти функции непосредственно.

Проектирование краш-структур RTM

Архитектура и преформирование волокон

Для ударного пучка волокна обычно выровнены при 0° (вдоль оси пучка) для переноса осевых нагрузок, при этом ±45° плины для обработки торсии и сдвига сил во время наклонного удара. Некондиционные ткани (NCF) предпочтительнее, чем плетеные ткани, потому что они уменьшают обжим и позволяют более прямые волокна, улучшая поглощение энергии до 20%.

Введение и присоединение Load

Одна из важнейших задач в композитных аварийных конструкциях заключается в их креплении к раме металлического транспортного средства. Распространены металлические вставки из соформы: в форму помещаются стальные или алюминиевые пластины с извилистыми поверхностями, а вокруг них протекает смола, создающая механическую блокировку. болтовые соединения должны быть сконструированы таким образом, чтобы не давить композит; обычно используются металлические нагрузочные шайбы или склеенные втулки. Также применяется клеевое склеивание, часто в сочетании с механическими креплениями для избыточности.

Механизмы триггеров крушения

В форму RTM встроены триггеры, такие как небольшие выемки, конические концы или локальные сокращения поперечного сечения. Эти триггеры создают концентрации напряжения, которые инициируют прогрессивное дробление при предсказуемой нагрузке, избегая внезапного катастрофического пика, который превышал бы грузоподъемность окружающей структуры.

Усыновление промышленности: примеры из реального мира

BMW i3 и i8

BMW был ранним сторонником RTM для карбоновых аварийных конструкций. Пассажирская ячейка i3, известная как модуль Life, широко использовала углеродные композиты RTM. Подоконники, рама крыши и задняя аварийная структура были изготовлены через RTM, что позволило снизить вес на 50% по сравнению с обычным стальным кузовом при прохождении всех краш-тестов. i8, подключаемый гибридный спортивный автомобиль, использовал RTM для фронтального носителя и бамперных балок.

Ford F-150 и легкий бумпер для грузовиков

Ford использовал стекловолокно RTM для бамперных балок на пикапе F-150. Заменив штампованную сталь композитным балкой RTM, они добились экономии веса на 12% при выполнении тех же требований к нагрузке. Стоимость инструмента для RTM была фактически ниже, чем для стальных штамповочных штампов для задействованных объемов производства, а коррозионная стойкость была бонусом для грузовиков, подвергшихся воздействию дорожной соли.

McLaren Monocell

McLaren использует HP-RTM для производства передних и задних краш-структур для своей трубки из углеродного волокна Monocell на Artura и 750S. Время цикла менее 10 минут позволяет объемы нескольких тысяч единиц в год. Процесс дает компоненты, которые соответствуют стандартам безопасности Формулы 1 уровня при стоимости дорожных автомобилей.

Анализ затрат: доступен ли RTM для больших объемов?

Прямая стоимость композитного аварийного компонента RTM обусловлена пятью факторами: сырьем (волокно и смола), подготовительным трудом, временем цикла формования, амортизацией инструментов и отделкой. Типичный бамперный луч стекла / HP-RTM может стоить 15-25 долларов США за часть в объемах 50 000 / год - сопоставим с алюминиевым лучом, но легче. углеродный луч может стоить 40-80 долларов США за часть, что делает его жизнеспособным только для премиум-сегментов.

Однако, когда рассматривается стоимость системы, включая сборку, защиту от коррозии и экономию веса, которые обеспечивают меньшие батареи или лучшую экономию топлива, общая стоимость владения часто благоприятствует RTM. Например, экономия веса на 30 кг на электромобиле может снизить стоимость батареи на 500-700 долларов, более чем компенсируя более высокую стоимость композитного материала.

Устойчивость и конец жизни

Одна критика термореактивных композитов заключается в том, что их трудно перерабатывать. Однако несколько подходов набирают силу. Запчасти RTM могут механически измельчаться в наполнители для литьевых формовочных соединений. Новые системы смолы с динамическими ковалентными связями (витримеры) позволяют перерабатывать под воздействием тепла и давления. В автомобильном секторе большинство композитных деталей по-прежнему засыпаются на свалку в конце срока службы, но преимущество легкого веса в течение срока службы автомобиля часто приводит к чистому сокращению выбросов CO2 - обычно на 15-30% ниже жизненного цикла CO2 по сравнению со сталью, в зависимости от типа смолы и волокна.

Производители также переходят к биосмолам для RTM. Например, полиуретан из BASF (Elastolit) содержит до 30% возобновляемого углерода, а такие установки, как Smart Fortwo EQ, используют его для структурных компонентов. Эти смолы поддерживают аварийную производительность, эквивалентную версиям на нефтехимической основе.

Будущие тенденции в RTM для аварийных структур

Автоматизация и Индустрия 4.0

Роботизированное предварительное формирование, автоматизированная резка на сухой фабрике и встроенное смешивание смол снижают затраты на рабочую силу и улучшают повторяемость. Управление процессом замкнутого цикла с использованием датчиков в пресс-форме - таких как мониторинг диэлектрического отверждения и преобразователи давления - позволяет обеспечить качество в режиме реального времени. Это имеет решающее значение для деталей безопасности, где требуются нулевые дефекты.

Термопластический RTM (T-RTM)

Одним из наиболее перспективных разработок является использование термопластичных смол в RTM. Циклический бутилентерефталат (CBT) или полиамид 6 (PA6) можно вводить в расплавленном состоянии, а затем полимеризовать в пресс-форме с помощью анионной полимеризации. Полученная часть свариваема, перерабатывается и имеет более высокую прочность, чем термореактивные эпоксидные смолы. Toyota продемонстрировала рельсы T-RTM, которые поглощают на 30% больше энергии, чем эквиваленты термореактивных с периодом цикла менее 3 минут.

Многоматериальные гибридные структуры

Будущие аварийные конструкции, вероятно, будут сочетать композиты RTM с специализированными стальными или алюминиевыми пластырями. Гибридные подходы размещают металлические вставки в местах болтов и используют композиционные кожуры для поглощающих удар секций. Это использует сильные стороны обоих семейств материалов и может снизить стоимость при сохранении аварийной производительности.

Использование переработанного углеродного волокна

Поскольку углеродное волокно становится более доступным из рециркуляции с истекшим сроком службы (например, из отставных лопастей самолетов или ветряных турбин), исследуется RTM с неткаными углеродными волокнами, не подвергнутыми переработке. Хотя механические свойства ниже, чем у первичного волокна, они адекватны для вторичных аварийных структур, таких как бамперные скобки и опоры радиатора.

Вывод: решающая роль в будущем автомобильной безопасности

Литье под давлением смолы превратилось из нишевой аэрокосмической технологии в основной процесс производства автомобилей. Его способность производить легкие, высокопрочные, сложные композиционные компоненты делает его незаменимым для современных аварийных конструкций. По мере того, как смолы, волокна и автоматизация продолжают развиваться, RTM будет играть еще большую роль в удовлетворении двойных требований топливной эффективности и защиты пассажиров. Автопроизводители, которые инвестируют в RTM сегодня, создают основу для безопасных, устойчивых транспортных средств завтрашнего дня.

Читать далее →