​ 用热塑性复合材料取代金属制造刹车踏板

作者:CompositesWorld PEGGY MALNATI 文章来源:PT塑料网 发布时间:2021-04-05
由Boge Rubber & Plastics集团开发的首个全复合材料的刹车踏板更轻、更硬且更坚固,同时还改善了驾驶触觉。

由Boge Rubber & Plastics集团开发的首个全复合材料的刹车踏板更轻、更硬且更坚固,同时还改善了驾驶触觉。

图1

虽然汽车行业早在20世纪90年代就开始将油门踏板所用材料从金属转变成了注射级别的短玻纤增强热塑性塑料,但作为必须满足刚度、强度和扭转载荷等挑战性要求的关键安全部件,刹车踏板材料的转变却经历了很长时间。德国的一级汽车供应商Boge Rubber & Plastics集团(以下简称Boge)表示,该公司是第一家提供满足OEM 严格的性价比要求的热塑性复合材料刹车踏板的供应商。独特的设计、3种不同的材料以及订制的生产工艺,使得该公司生产的刹车踏板不仅强度和刚度更高,而且重量和成本更低。

找到合适的位置

Boge是一家为汽车行业提供减振和动力总成/底盘安装产品,以及轻量化的塑料模块和踏板箱(含刹车、离合器和油门踏板的组合)的开发商和生产商,自2008年以来,就一直采用连续纤维有机片材和用于二次成型的短玻纤配混料来生产汽车部件。2018年,该公司还增加使用了热塑性单向带。通过对工艺的不断创新,该公司缩短了节拍时间,降低了生产成本,业务量不断增加。

“2015年,我的老板对我说,‘你做的这些改变很好,Daniel,但如果能找到产量更大的市场,那就更好了’。”Boge全球创新中心轻量化团队负责人、高级经理Daniel Häffelin博士回忆道。Boge的工程师团队接受了这一挑战,针对如何提高纤维的使用效率以降低成本以及获得更多的业务而展开了头脑风暴。

“有机片材是个很棒的产品,但你必须正确使用它,只有在需要之处才使用。” Häffelin解释道,“我们的生产过程已经非常精简,所以我们不能通过进一步缩短节拍时间来获得更多。我们认为,降低成本的最好办法就是通过更有效地使用纤维来减少连续纤维的用量。”

图2

第一个完全由热塑性复合材料制成的刹车踏板(此图为组装好的产品)被用于德国汽车制造商的4个汽车平台上。该踏板由Boge Rubber & Plastics集团开发,不仅满足甚至超越了对金属部件提出的极具挑战性的性能要求,而且重量大约减轻了一半,同时还提供了更好的驾驶触觉,性价比相当于铝部件(图片来自Boge Rubber & Plastics集团)

简单地把踏板变小或者变薄也是行不通的,因为刹车踏板的大小和形状有实际的限制,更不用说由于其关键的安全特性而对其性能提出了极具挑战性的要求。最有意义的是找到更好的方法来控制纤维取向,以优化部件最高负载峰值区域的局部性能,从而为减小非关键部位的壁厚提供机遇。

“我们找到了一种方法,可以局部‘引导’纤维,这样我们就能把它们放在需要的地方,以确保刚度和强度。”Boge的CEO Torsten Bremer博士介绍说,“我们知道,原则上这是可行的,但我们需要新的工艺。”

“我们已经在与一家德国OEM合作去寻求一些方法,以使全复合材料的刹车踏板能够满足他们对性能和成本的要求。”Boge的执行副总裁、塑料产品线经理Burkhard Tiemann回忆道,“我们对我们的客户说,‘我们将采用UD带和有机片材来开发新的工艺。’他们对我们说,‘如果你们能够进一步地降低重量和成本,我们就会这么做。’这就是我们的起点。2015年,我们作出承诺:提供更便宜、更轻质的全复合材料刹车踏板,并且能够大批量生产。我们用了3年时间研究细节并交付了我们的第一批产品。”

纤维导向

复合材料的刹车踏板必须满足与钢或铝的刹车踏板一样的性能要求,包括负载高达3000N的特殊故障模式要求,以及最大负载条件下像钢一样的挠度。考虑到这些要求和有限的安装空间,承受最大负载的踏板主壳体结构需要采用连续纤维进行增强。因此,该团队决定采用有机片材来成型踏板的主干,然后将UD带用于部件局部以提高强度和刚度,以及在遭受峰值应力期间加固内壁,该局部加强的区域在随后的预成型过程中被弯成U形通道。在需要肋骨这样的功能性几何形状的区域,则采用短玻纤增强配混料进行二次成型。该团队认为,这种混合方法能够提高纤维的使用效率,同时减少材料用量、平均壁厚和节拍时间。

图3

Boge采用3种不同类型的复合材料,如有机片材(下)、热塑性UD带材(通过激光点焊固定在有机片材上,中)和用于二次成型的短玻纤增强配混料(上部的肋结构)即玻纤增强PA6或PA6/6,获得了一种极为有效的、薄而轻的刹车踏板结构,该结构能够在大约1min内成型(图片来自Boge Rubber & Plastics集团)

该团队开始了紧锣密鼓的仿真研究,以优化纤维在生产过程中的位置。Boge研究的基础是基于2011~2014年德国一项名为SoWeMa的公共资助研究项目(为全自动、封闭式的轻量化生产链开发软件、模具和设备)而展开的。

“SoWeMa研究涵盖了我们一年后针对自身业务而提出的许多问题。”Häffelin解释道,“由于Boge的核心技术优势之一是设计,所以我们以SoWeMa项目基础为起点,建立了我们自己的各向异性铺层结构有限元仿真能力。”

其中的一个重点是,结合拓扑优化的带铺层和肋结构。“我们创建了一个迭代周期来优化带的铺放并相应地调整肋结构,因为这两个方面都是通过部件的强度和刚度而联系在一起的。”有限元分析工程师K. Siebe介绍说,“由于对UD带、有机片材和短纤维增强材料的组合是独特的,而且它们的应用受制于特定的湿度和温度窗口,所以我们制作了自己的材料卡片,以便更准确地描述这些材料在物理测试中的行为。”

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仿制的刹车踏板,不需要额外的表面处理,尺寸约为350mm×90mm×60mm(图片来自Boge Rubber & Plastics集团)

基于仿真结果和给定的踏板设计,Boge指定了每种材料的层结构和纤维结构。德国朗盛公司提供了纤维体积百分比(FVFs)达45%~50%的有机片材,美国塞拉尼斯公司提供了FVFs达55%~60%的热塑性UD带材,另外有多家公司提供了纤维重量百分比(FWF)达40%~60%的注射级别短玻纤增强配混料。所有这些材料均为黑色,均以PA6或PA6/6为基体。为满足客户要求,PA6是这3种类型的复合材料的默认树脂基体,但Boge也可以根据生产过程中的湿度和温度水平,以及空间约束和踏板形状,将PA6/6用作二次成型用的树脂,因为这两种聚合物极为相似,可以很好地结合在一起。

三步法生产

与设计同时进行,该团队还研究了一种三步法的生产工艺:第一步,将预切好、预固结的有机片材作为稳定基材,在其上有策略地沿受载路径铺上UD带条,以增强部件的壳体结构,从而创建出订制的纤维坯料;第二步,将坯料取走,按顺序进行加热、固结、成型/悬垂;第三步,采用短玻纤配混料进行二次成型, 以创造出肋结构。

为提高节拍速度,该生产系统还配备了机器人进行操作。该团队想要纳入的一个关键工艺特征是,能够灵活地将任意长度的带材以任何方向铺放到有机片材壳体一侧的任何位置,然后用激光将这些带材固定到壳体上,以便在后续操作中确保带材不会移动。

该团队的另一个决定是,铺层后不立即对订制坯料进行预固结,而只在开始悬垂/预成型和二次成型之前。该团队推断,无论如何,材料在悬垂/预成型过程中都需要重新加热,而且,为了降低成本,他们必须保证总的节拍时间接近1min。因此,Boge仅在悬垂/预成型开始前,采用快速升温和高压相结合的方法来加热并固结坯料,从而在带材与有机片材之间创建了强大的机械结合力。停止加热后,将仍然热的固结坯料移到悬垂型腔中,然后再移到第二型腔中,二次成型出肋和其他功能特征。强大的机械结合,验证了这3种材料之间的聚合物链穿透能力。成型后,无需后处理。

为了满足这些关键安全部件的质量要求,该团队还开发了一种快速、准确且符合工业4.0标准的系统,该系统利用视觉、力、时间、压力和温度传感器来检查生产过程中每个步骤所用的材料,然后存储这些数据,并与每个踏板的唯一识别号联系起来,从而确保了所涉及的材料、班次和工艺设置等具有100%的可追溯性。

当前成效

Boge的订制化、全自动及质量控制的工艺,于2018年从原型制造走向了大批量的生产。目前其生产单元大约1min就能生产出一个新的踏板,这样,一年能够生产多达100万个部件。这些全复合材料的踏板比之前的设计少使用了33%的有机片材,壁厚从3mm减至2mm,减轻了50%~55%的重量,满足或超越了对钢部件的强度要求。这种更轻质的踏板还改善了驾驶触觉,整个系统在使用寿命结束后可100%回收。采用当前工艺,这种复合材料踏板的成本与铝部件相当,比钢部件略高。

随着汽车的电气化,未来会怎样呢?

“随着线控驱动和动力系统电气化趋势的日益普及,油门踏板可能会消失,但刹车踏板会保留。”Häffelin总结道,“因此,我们可能会看到更多集成化的电子部件,包括在刹车踏板上集成传感器,这将大大增加部件的复杂性,从而使复合材料比金属更有竞争力。”

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