一分钟一个全复合材料的刹车踏板

作者:CompositesWorld PEGGY MALNATI 文章来源:PT塑料网 发布时间:2021-02-19
为满足严格的力学要求,Boge Rubber & Plastics集团采用3种复合材料来制造刹车踏板这一结构部件。

为满足严格的力学要求,Boge Rubber & Plastics集团采用3种复合材料来制造刹车踏板这一结构部件。

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Boge Rubber & Plastics集团采用一种订制生产工艺开发了第一款全复合材料的刹车踏板,满足或超越了对金属部件极具挑战的性能要求,重量几乎减轻了一半(图片来自Boge Rubber & Plastics集团)

德国一级汽车供应商Boge Rubber & Plastics集团(以下简称Boge)生产的全复合材料刹车踏板据说是世界上最轻、最强且成本最低的刹车踏板,而且最先实现了商业化生产。 该供应商目前每年为德国汽车制造商的4个汽车平台生产25万个刹车踏板,该生产系统的年产能达100万个踏板。重要的是,由于刹车踏板是结构部件,需要满足与相应的钢部件和铝部件同样严格的性能要求,因此,其设计特点是,采用了3种不同类型的玻纤增强热塑性复合材料。

3种材料提高纤维的使用效率

为使踏板轻薄、成本低且能够满足极具挑战性的OEM要求,Boge采用连续玻纤增强有机片材作为壳体结构来承受部件的主要载荷,可承受的载荷高达3000N。位于德国科隆的朗盛公司提供按尺寸预切好、拥有2层或3层完全固结的有机片材坯料(轮廓)。为了加固有机片材坯料上的主承载路径,Boge按承载方向添加了一条一条的单向(UD)玻纤带(由美国塞拉尼斯公司提供),并根据有限元仿真结果进行铺层。为此,Boge使用的软件经过了改进,并与其供应商一起,根据在OEM客户指定的温度、湿度条件下为每种材料测定的应力应变曲线而开发了材料卡。为了添加功能结构,Boge还采用短切玻纤增强配混料(来自多家供应商)二次成型出结构肋和连接特征。

所有这3种类型的复合材料都采用预着色的黑色聚酰胺6(PA6)作为基体,这是在汽车行业中应用广泛的一种坚韧聚合物。如果OEM需要,Boge还可以选择采用耐温性更高、吸湿性更小的PA6/6作为二次成型配混料的基体材料。由于两种聚合物极为相似,因此彼此可以很好地结合在一起。通过以3种不同的形式使用3种不同类型的玻纤增强复合材料,Boge能够精确地将纤维放到所需之处以满足性能要求,同时避免了过度设计。这种混合-复合方法的附带效应是,减少了材料用量,减小了公称壁厚,缩短了节拍时间,降低了部件的总体成本。

 

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Boge的订制生产工艺可以采用3种不同的材料来生产全复合材料的刹车踏板(图片来自Boge Rubber & Plastics集团)

工艺步骤和设备标准

与自动化/装配生产线的开发商德国M.A.i. GmbH & Co. KG 合作,Boge开发了快速、高效的3步生产工艺,并以可以承受的成本生产了经过质量验证的部件。在设计工艺和设备时,该团队提出了很多要求:

首先,为确保部件成本低,该公司需要确保总的有效节拍时间大约在1min左右。为做到这一点,需要采用自动化来确保材料顺利地通过生产单元。

其次,虽然提供的有机片材坯料已预先铺叠好、完全固结且按尺寸预先切割好,但各种踏板设计的要求,却意味着该团队需要在不同的局部、按不同的方向灵活地切割、定位并铺放不同长度的带条,以对有机片材壳体的主承载路径进行加固。

第三,为了降低成本,需要设计一种订制的带铺放工艺,以提供高度的灵活性和控制力,以及高速度。

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将预先切割及预先检测过的单向带精确地铺放到有机片材上策划好的部位,以加强部件壳体结构的承载路径。为确保铺放的带材在后续的加工步骤中不移位,通过激光点焊将带材固定到表面的下方(图片来自Boge Rubber & Plastics集团)

生产开始时,生产单元一次装入两叠预切好的有机片材坯料和4卷UD带。首先,机器人拾起一个有机片材坯料轮廓并将其送到工作台上,同时,将UD带送出并将其切割成所需的长度。然后,将UD带条放到真空带上,随着传送带的前进,该真空带可确保UD带条固定在原位。接着,一台带有旋转式拾取-放置装置(末端执行器)的机器人一次从真空带上取下一条UD带,送到摄像机下检查其质量、尺寸和位置。当拾起所有的4片时,机器人移动到工作区,开始在有机片材坯料上的指定位置一次铺放一条UD带,定位由基于图像的位置校正来确定。当每一条UD带被铺放好后,通过激光多点焊接,就可以确保它不会移动。同时,更多的UD带条得到切割并被放到真空带上。这一过程会不断反复,直到给定的刹车踏板设计所需的所有UD带被铺放到有机片材上的正确位置处。

生产这种订制纤维坯料的系统采用的是100%的数字化控制,每一方面的操作完全可编程,最大程度地提高了灵活性。在每一个加工步骤中,被连接到该系统的在线质量控制(QC)系统中的摄像头或其他传感器,可以检测带条和有机片材壳体的所有边缘及位置,将这些材料的几何数据与已知参数进行对比,以确保每种材料都放在需要的位置上。

为保证高速生产,接着要将订制的纤维坯料移入红外加热炉中进行加热,然后立即悬垂、预成型以及将带材固结到有机片材上。在带材和有机片材的树脂系统中,含有一种特殊的抗氧化剂,可以防止热损伤。接下来,加热好的坯料被快速地移入到悬垂/预成型型腔中,在此利用高压将坯料成型为一个U形的通道形状,同时确保获得高质量的表面。质量控制系统再次通过时间、温度和压力来检测固结和预成型的质量。

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Boge的工艺可以生产出拥有多种厚度的部件,但壳体结构中含有的纤维体积百分比大体相同。如图所示,在预热、固结和预成型之后,以及在二次成型之前,将UD带(橙色圆圈)固结到有机片材壳体上(图片来自Boge Rubber & Plastics集团)

最后,将仍然热的预成型件转入注射模具中,以采用短玻纤增强聚酰胺进行二次成型,创建额外的几何形状,如底部复杂的肋结构。脱模后,将快速完成自动修边和目视检查,不需要进行喷漆或其他表面处理。

最终的踏板尺寸大约是350mm×90 mm×60mm。在离开生产单元前,每个踏板上都会贴上一个独特的QR码,以便追溯生产数据及材料数据。组装后,在托架中对踏板进行功能测试和最后的机器人检查。检查通过后,将另一个QR码贴到完成组装的刹车踏板总成上,以提供刹车踏板及额外部件的完整可追溯性。

由于刹车踏板是关键的安全部件,必须满足严格的OEM性能要求和质量要求, 因此,Boge与其合作伙伴已在符合工业4.0标准的质量控制系统中建立了多种故障安全机制,从而能够快速准确地验证生产过程的每个步骤都符合要求。质量控制数据被储存起来,每个踏板都以QR码的形式而拥有一个独特的识别码,从而可以确保对部件生产所涉及的材料、班次和加工条件等进行追溯。

Boge正在生产的全复合材料刹车踏板大约只有金属踏板一半的重量。它们还改善了驾驶触觉,在使用寿命结束后可100%回收,同时满足或超越了现有钢部件的强度要求。

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