热塑性复合材料隔板:在运输途中为乘员提供保护-复合材料网

由雷诺卡车公司和材料供应商索尔维领导的一个欧洲交通运输复合材料联盟,设计、制造并验证了一种热塑性复合材料的发动机舱隔板,用于取代多个冲压钢组件,以安装到一款中等大小的商用卡车上。

由于隔板被用来将发动机舱与乘员舱隔离开来,以防止热量和腐蚀性的化学物质侵入乘员舱,从而为乘员提供保护,因此该项目极受重视。

此外,该结构组件是被安装到白车身上,而且要在碰撞过程中起安全作用,因此根据汽车的大小和重量,其性能非常关键且充满了挑战。

该隔板还要在汽车的耐久性和NVH性能方面发挥一些作用。

这一为期4年的项目于2015年结束,覆盖了对虚拟原型的有效应用,以及对材料和工艺的开发,所成型的部件通过了一系列严格的性能试验。

材料/工艺选择和设计验证

隔板的基础形状和设计/包容空间,对该联盟成员带来了限制,使他们无法采用一种“clean-sheet”的方法来充分利用轻量化、韧性、快速循环、功能集成/部件整合和消减成本等方面的优势。

虽然如此,该项目的目标却很宏大:要在同样狭小的空间内,用3mm厚的复合材料组件取代1mm厚的21个冲压钢组件(含多点焊接和紧固件),其部件数量要减半,重量要减轻25%,性能要提高,同时保持部件成本不变或降低。

热塑性复合材料隔板:在运输途中为乘员提供保护-复合材料网

为了在此限制壁厚的空间中采用热塑性塑料来达到性能和成本目标,采用耐冲击、耐化学、热稳定且成本效益高的PA聚合物显得更加有利。

由于隔板的大部分设计是平面板,因此需要从板状复合材料着手。

为了以合理的成本最大程度地提高层压板的刚度、强度和抗冲击性能,选用了连续玻璃纤维增强的材料。

然而,为了在不显著增加壁厚的情况下满足关键区域的力学性能要求,还需要采用加强肋。

但遗憾的是,连续纤维材料的肋浸润不很好,因此,需要采用第二种不连续的短切纤维复合材料,以提供高抗冲击性和高流动性。

为确保这两种复合材料的相容性,采用了类似的树脂系统。

虽然有机板材不要求采用高流动性的树脂,但所采用的树脂却要确保与肋材料相兼容。

最终,隔板的主要部分(平面部分)采用了50%体积百分比的机织玻璃纤维织物增强的Evolite高流动性PA6有机板材,而肋采用了30%重量百分比的短玻纤、高流动性冲击改性Technyl C246SIV30 PA6树脂。

为在不增加部件成本的情况下达到每年20000个产量的目标,该联盟需要一种快速循环的生产工艺。

一种得到改进的模压成型工艺能够成型出设计复杂的部件:它无需更多的机器和模具成本,即可成型并加固有机板材,以及成型出错综复杂的肋。

但是,由于该团队想要在一次加工中同时成型树脂流动有限的有机板材和高流动性的短玻纤肋材料,因此需要采用一个中间加工步骤,以将粒料大小的短玻纤肋材料转变成能够在压机中加工的形式。

然而,为塑化短玻纤材料而为压机添加一台挤出机的成本太高。即使成本不高,这种高流动性的配混料在模具中也很难处理和控制。

作为一种替代方案,该联盟采用这种短玻纤粒料,先单独注塑成型出一个板坯,然后用红外加热炉对其重新加热,放入压机中,以成型出每一个肋部件。

在此过程中,机器人将有机板材从加热炉移送到压机中,而取出注塑成型的板坯并将其放入压机中的工作则由人工完成。

由于该项目的模具预算有限,因此,采用了用铝制成的3副双面模具:一副用于成型平面的有机板材,另两副分别成型肋的上、下部分。

由于压机大小限制了模具尺寸,因此每个部分都是单独成型。

为使3个成型件彼此相连,同时与金属嵌件(便于将该复合材料模块连接到卡车的白车身上)相连,有必要采用一种能够管理好热塑性塑料与钢之间热膨胀系数(CTE)差异的连接方法。为此,Sika公司的表面处理技术和单组分聚氨酯粘合剂得到了应用。

采用该混合材料工艺,虽然每一次模压循环只需要1分钟,但包括预热和粘接在内的最终过程却延长至大约5分钟,虽然如此,这一节拍依然处在生产目标范围内。

如果采用更大型的压机、多型腔的硬模以及提高自动化水平,这项工艺可以支持每年10万个组件的批量生产。

为了将此模块连接到卡车的白车身上,Sika公司的表面处理技术和粘合剂再次得到了应用。

该粘合剂将隔板与左/右A柱、底盘/侧梁、地板、挡风玻璃、横梁和仪表板等粘接在一起。

为了提供额外的碰撞保护,还用螺栓将隔板连接到横梁上。

为了将此隔板与卡车驾驶室部件(如踏板、转向柱和线束等)整合在一起,采用了专为复合材料而设计的结构性Rivkle SFC(Smart for Composite)铆螺母,以及采用了非结构性的Onsert混合紧固件,它可将机械紧固件连接到不可焊接的材料上。所有这些,均由Böllho公司提供。

为了检查模拟和测试结果之间的相关性,在索尔维的实验室中,对一个1/4大小的小型原型试样进行了评估,同时对采用粘合剂的组装方法进行了检验。

结果表明,粘接有助于提高冲击性能,对成功起着至关重要的作用。

为此,索尔维的分析人员与Sika公司紧密合作,定义了一种可以提高分析准确性的粘合剂数字模型。

为保证纤维在肋中呈各向异性的分布以及获得高的强度,采用了显微层析成像技术来检查纤维的取向。

该分析所获得的数据被反馈到材料模型中,用于提高仿真精度。

这些积极的结果,确保了全尺寸部件的生产。

这些部件被组装到一辆原型卡车上,并经受了NVH、耐久性和碰撞试验。

有希望的结果

最终的部件是一个1980mm宽、1200mm高和2.8mm厚的有机板后面板,其上加有短玻纤增强材料的上、下肋板,每个肋板大约宽360mm、高100mm、厚5mm。

热塑性复合材料隔板:在运输途中为乘员提供保护-复合材料网

该隔板通过了正面碰撞试验(符合车辆被动安全认证的ECE-29法规要求),满足了雷诺卡车公司的NVH和耐久性要求,达到了部件的六级技术储备水平(TRL)——这表明该部件虽然尚未准备好商业化,却证明了技术的成熟性和高性能。

热塑性复合材料隔板:在运输途中为乘员提供保护-复合材料网

此外,它达到了项目的预定目标,即实现了25%的减重,整个(复合材料/金属嵌件)部件数量减半,而且成本可接受。

该部件尚为商业化——它不能兼容电泳涂装,因此需要在装配之后再将其安装到白车身上。

现在,研究人员们还在继续评估能够将其添加到当前车辆装配过程中的方法,以及研究替代的设计。

虽然如此,据说雷诺卡车公司对该项目结果和目标成本表示满意。

该项目获得了2016 JEC 汽车结构部件类别的创新奖。