本特勒-西格里已成功研发出复合材料板弹簧

编辑:2018-11-09本文由  eguixm007 发布 联系该网友
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文章简介:   本特勒-西格里为沃尔沃的多车型SPA全球平台开发了轻质、节省空间的复合材料板弹簧,实现了完全自动化的HP-RTM生产。  沃尔沃新的XC90跨界SUV,是在沃尔沃新的全球“可扩展的整车平台架构(简称‘SPA’)”

  本特勒-西格里为沃尔沃的多车型SPA全球平台开发了轻质、节省空间的复合材料板弹簧,实现了完全自动化的HP-RTM生产。

  沃尔沃新的XC90跨界SUV,是在沃尔沃新的全球“可扩展的整车平台架构(简称‘SPA’)”上生产的第一款车型,最终将包括尚未推出的S60、S90、V60、V90和XC60等几款车型。本特勒-西格里采用完全自动化的HP-RTM生产线,为SPA平台上的所有这些车型生产玻璃纤维/PU材料的后轴板弹簧,到2018年,其产量将达到每年50万个部件

  作为一级汽车供应商本特勒汽车工业有限责任公司(德国帕德博恩)与纤维解决方案供应商西格里集团(德国威斯巴登)的合资企业,创建于2008年的本特勒-西格里(奥地利Ried im Innkreis)公司生产各种纤维增强的汽车复合材料部件,包括侧翼和柱子、门、扰流板和座椅,但到目前为止,其最显著的成就是大批量生产复合材料板弹簧的专业经验。自收购了Fischer复合材料技术公司(奥地利Ried im Innkreis)的汽车业务部门以及于2012年在奥地利Ort im Innkreis附近建成第二家复合材料部件工厂以来,该公司以创新的方式获得了前所未有的汽车复合材料生产能力。

  2013年,本特勒-西格里公司取代了当时典型的环氧树脂基体材料,并向戴姆勒股份公司(德国斯图加特)的梅赛德斯-奔驰Sprinter厢式货车展示了一种玻璃纤维/聚氨酯的前轴板弹簧,与钢部件相比,重量从15kg降低到6kg,减重达65%。

  利用汉高(德国杜塞尔多夫)的快速固化LOCTITE MAX 2聚氨酯树脂(PU)和高压树脂传递模塑成型(HP-RTM)工艺,本特勒-西格里公司实现了每年10万~15万个部件的产量。

  随着用于沃尔沃(瑞典Gothenberg)新的XC90跨界SUV的玻璃纤维/PU后轴板弹簧产量的攀升,该公司正准备再次提高这一门槛。XC90是在沃尔沃“可扩展的整车平台架构(简称‘SPA’)”这一新的全球平台上生产的第一款车型。作为一个组成部分,该板弹簧也将在S60、S90、V60、V90和XC60,以及可能开发的任何更大型的汽车上得到应用。

  “这是汽车行业中产量最高的复合材料部件项目,到2018年将达到每年50万个部件。”本特勒-西格里董事总经理Robert Ernst-Siebert博士介绍说,“除了来自我们的合作伙伴本特勒和西格里的全面的专业知识外,与客户和树脂供应商建立牢固的合作伙伴关系,对于我们将现有的HP-RTM和预成型工艺整合成一条完全自动化的生产线也至关重要,我们已开发了一种目前市场上还没有的工艺。”

  本特勒-西格里与沃尔沃在SPA板弹簧设计上的合作来自广泛的经验。“我们拥有生产Sprinter厢式货车板弹簧的能力,也可以通过本特勒汽车集团而具备其他悬架系统部件的生产能力,所有这些,都能被整合到沃尔沃的板弹簧项目中。”Ernst-Siebert解释道。

  每个板弹簧的设计都由其功能和要求来决定。本特勒汽车集团FRP底盘应用业务开发总监Frank Fetscher解释说,相应地,这种设计决定了板弹簧的性能和成本。为沃尔沃设计的板弹簧使用了多达60层的玻璃纤维单向织物,满足了性能、耐久性和成本要求,以及非常紧凑的安装空间限制。虽然这种复合材料的板弹簧与以前的金属板弹簧的大小大体相同,但却取消了螺旋弹簧和悬架支柱,从而使得轴较少地延伸到行李箱区域,因而增加了存货空间。

  “基于材料性能,对设计带来了一些限制。”他解释道,也就是说,从豪华版的XC90到紧凑型的X60,一种板弹簧设计必须满足所有车型对性能和存货空间的要求,即长度和宽度分别都是1200 mm和60 mm。但是,与小型轿车相比,SUV的重量可能差距很大。因此,设计了3种曲率形状,以针对每一种汽车重量提供适合的板弹簧。对于不同车型的升力和刚度等主要指标,一方面可以通过向外移动上部和内部衬套,另一方面可以通过在弹簧末端使用不同的衬垫来进行调整,以此针对每一款车型的需要而为调节弹簧性能提供额外的能力,同时确保生产过程尽可能简单。因此,本特勒-西格里能够管理大量复杂的应用。“沃尔沃和我们一起开发了这种能力,以使弹簧的刚性系数适应不同的车型。”Fetscher说道。

  按照沃尔沃提出的要求,对设计和最终的生产工艺进行了验证。“我们支持他们如何验证的想法。”Fetscher说,此外,还包括计算机辅助工程(CAE)和物理测试。“我们还将他们的要求纳入到我们的CAE疲劳程序和力学疲劳测试中。”他指出,这包括来自道路载荷数据的动态疲劳载荷测试,以及静载荷测试,所有这些都是在不同的环境条件下完成的。Fetscher补充说,针对本特勒汽车工业有限责任公司和本特勒-西格里的所有底盘部件,如防侧倾杆或下控制臂等,也都作了类似的测试,并对部件的使用寿命作了很好的预测。

  在位于奥地利Ort im Innkreis的工厂中,利用HP-RTM工艺,沃尔沃的板弹簧采用LOCTITE MAX 2聚氨酯树脂被生产出来。但是,更高的年产量目标需要达到新的自动化水平。“从原材料进厂,所有的加工步骤都是自动化的,没有人工介入。”Ernst-Siebert反复强调,“这条内部开发的生产线是我们成功生产出高质量最终部件的关键。”因此,完全可以理解本特勒-西格里不准备透露许多细节。

  这条生产线的第一个部分包括对单向增强材料的自动切割和预成型,这也是展示生产控制系统的一个方面。“我们能够完全控制这条生产线,包括自动检测。”Ernst-Siebert解释道,“整条生产线上有不同的质量保证步骤,不仅有视觉检测,还要自动化的力学测试。每一个板弹簧都会得到检测。”Fetscher补充说,这项检测检查弹簧的刚度以及100%的部件功能,对于这种类型的应用而言,这是标准的做法。

  Ernst-Siebert坚持认为,实现稳定、强大的加工以及获得可再现部件的关键,是他所说的对所有材料参数的在线控制。Fetscher举例说:“一个铺层不合适的预成型件,系统会在检测参数与编程参数之间检测到这种不匹配,这样我们就能立即知道问题所在。然后,我们去掉不合格的部件并进行修正,以确保生产线的这一部分得到了修正。”他表示,未来,本特勒-西格里将向自控制生产线的方向发展。“这是我们朝着这个方向迈出的第一步,以获得一个一体化的工业4.0生产系统。”

  预成型是在此自动化生产线上的下一步操作。首先,采用工业上先进的环氧或聚氨酯基粉末粘结剂来稳固单向织物叠层,通过加热加压使粘结剂熔化,冷却后预成型件即得到固结。然后,由机器人将一个板弹簧上的多个预成型件运输到HP-RTM压机的多型腔下模中。“作为我们专有的内部开发的一部分,我们已为所有这样的传送开发了特殊的夹具。”Fetscher介绍说。

  “感谢西格里的帮助,我们进行了大量的研发工作,为这项特殊的板弹簧应用定义了最佳的材料概念,包括织物和粘结剂。”Ernst-Siebert指出,“这并不像看上去那么简单,只有一些织物是完全适合的。比如,西格里为这些板弹簧而开发的材料组成,其特殊的设计不仅满足了对部件的功能要求,而且还提供了稳定的预成型件。”

  放入预成型件后,模具闭合,树脂浇注开始。但是,要想使HP-RTM工艺达到强大的自动化水平,需要深度开发。“关键是优化工艺。”Ernst-Siebert断言,“你必须对树脂有深入的了解,通过与汉高合作,我们做到了这一点。同时,也必须对织物有深入的了解,通过与西格里合作,我们也做到了这一点。因此我们知道,如何调整参数来满足循环时间要求并实现生产。”

  “两个重大挑战是力学性能和工艺。”汉高粘合剂技术业务单元全球项目经理Frank Kerstan表示,“这种板弹簧必须非常坚韧并具有耐久性,能够在不同的条件下承受成百上千次的动载荷。然而,大批量的生产要求非常快速的浇注和固化。”他发现,聚氨酯对于这项应用是理想的。“聚氨酯提供了类似环氧树脂的高强度,同时还拥有很高的伸长率和韧性,这两方面的优势对于这项应用都非常重要。”Kerstan解释说。

  “有很多树脂供应商提供环氧树脂、乙烯基酯树脂和聚氨酯,但是,针对我们的特殊项目,汉高能够以工业化的高产率,很好地满足循环时间和成本结构要求。”Fetscher表示。

  Kerstan解释说,因为最终产品中的玻璃纤维含量达到55%,相对较高,因此诀窍是非常快速地浇注,但也不能引起纤维错位,并要保证一个部件到下一个部件都是可靠的。”LOCTITE MAX 2树脂在室温下的黏度是200~300mPa或cps,但在90℃时降到了10cps,从而允许可靠、快速地浸渍纤维而不会使纤维移位。

  本特勒-西格里在其Ort im Innkreis工厂中应用了多种设备,包括亨内基公司的一台配备了订制混合头的Streamline设备、一台克劳斯玛菲的混合计量设备,一台迪芬巴赫的HP-RTM压机,以及一台康隆(Cannon Afros)专为HP-RTM工艺而订制设计的计量设备,它配有两个专用的FPL14混合头。

  为生产沃尔沃板弹簧,PU树脂的主要成分得到了脱气处理,以避免在部件中形成气泡,在被计量到两个混合/注射混合头中之前,这些成分在加热套中循环并通过加热管道保持温度。混合头中的压力是120~140 bar,每一个混合头都可以在22s的时间内注射11kg的树脂。

  典型的计量、混合和浇注设备,通过质量流量计将数据送入控制系统,以对每一组分的流量进行连续监控。如果检测到与指定值的偏离,系统立即对相关计量泵的参数进行管理,以实时恢复到所需的流量。在一个设计为90m2的区域中,安装了各种树脂的存储、调节和泵送装置。

  正如加热树脂对于优化流动和预成型件的浸渍非常必要一样,加热的模具对于复合材料的固化也非常重要,在此采用的是一副多型腔的模具配置。Ernst-Siebert介绍说,虽然以前的报告提出了8~10或者甚至12个型腔,但实际使用的型腔数取决于项目的产率。“这可以根据客户所需以及部件设计而得到改变。”他补充说,“为了满足客户所需的循环时间,我们采用了一幅多型腔模具,成型在10min.内完成。”虽然这个时间不包括预成型件的放入或部件的取出,但这两个操作都是自动化的,其设计满足了部件的产量要求。

  为了适应3种不同的弹簧曲率设计,开发了3种不同的上模。针对每一个上模又分别开发出3个下模,以便能够改变弹簧的厚度。这样,9个不同的下模最终可以按照混合的车型订单而被用于生产中。此外,还有额外的选项。Kerstan解释说,采用LOCTITE MAX聚氨酯树脂,可以根据部件大小而加入催化剂以进一步缩短固化时间。他还指出,可以使用外部或内部脱模剂。“无论使用外部脱模剂还是使用内部脱模剂,都取决于部件程序以及加工中的循环时间和停顿时间。”然而,他警告说,由于板弹簧是动态受载的部件,因此内部脱模剂可能会影响部件的性能。“与树脂化学成分相匹配的辅助产品,如粘结剂、催化剂和内部脱模剂等非常重要。”Kerstan还指出,模具形状是确定最佳脱模方法的关键因素:“如果有凹槽和难脱模的角度,可能需要外部脱模剂。”

  两台新的压机被用于沃尔沃板弹簧的全自动生产线中。“为达到最高产量,我们已建立了第二条自动化生产线。”Ernst-Siebert介绍说。由于自动化程度高,因此只需要少量的技师来操作这些生产线。“我们目前实行两班制,如果需要,也可以实行三班制。”Ernst-Siebert介绍说,“我们能够非常灵活地满足客户的需求,如果需要,我们能够每周7天、每天24小时运行这些生产线。”

  这些生产压机,可与本特勒-西格里位于Ried im Innkreis的研发中心中的一台1600t穿梭式双工位压机相媲美。Ernst-Siebert强调了该技术中心与Ort im Innkreis生产工厂之间关系的重要性:“我们在技术中心拥有一条自动化的试制生产线,它适合小批量的生产,但可以模拟整个工艺过程。就像我们在原型阶段设置这条生产线一样,我们试图非常接近于‘如何能够在实际生产中制造出部件’。”他补充到,其团队还获得了本特勒对机器概念的模拟,以及西格里的专家对材料的分析和模拟。“正因如此,我们通过对HP-RTM的开发,进一步地提高了我们的工艺技术,因而进展快速。”

  “我们还将此应用于计量装置和对树脂的浇注。”Fetscher说,“为了能够在工艺开发的早期阶段找出问题并进行改善,早期参与进来的树脂供应商如汉高发挥了重要作用。”

  Ernst-Siebert说:“这是重要的,因为这个过程太复杂了,只调节一个参数不可能对每一项作出必要的改善,你必须一次调整多个参数。”

  当部件完全固化后,机器人将它们从HP-RTM压机传送到自动化的铣削单元上,在此进行修边,并在每一个板弹簧的末端进行钻孔。Fetscher认为,这样的自动化是行业标准,但指出,本特勒-西格里的夹具具有特殊性,而且其修剪过程没有人工干预。

  随着沃尔沃后板弹簧项目正按计划推进,以在2018年达到最高产量,本特勒-西格里已将其目光投向更远。“我们已经发现了后板弹簧的其他机遇,并正在努力与OEMs一起开发更多的应用。”Fetscher说,“动机和市场驱动力保持不变,未来的替代车辆结构可能为这种应用带来更多的潜力。”

  Kerstan赞同说:“其他的一些汽车制造商已经表示,他们打算采用这种同样的轻量化复合材料板弹簧概念,我也确信,这种设计紧凑的板弹簧轴非常适合于电动汽车的车身/底盘概念。”

  此外,本特勒-西格里还将其横向板弹簧设计和生产经验用于纵向玻璃纤维增强的弹簧生产中。

  “为保持相同的或略有改善的功能,采用复合材料取代钢制造板弹簧,为以合理的成本实现减重带来了巨大的机遇。”Ernst-Siebert解释说。

  汉高则瞄准了其他的许多汽车应用,包括结构车身部件和外部可喷涂部件,如采用表面RTM工艺制造车顶。该公司还为大批量地生产碳纤维增强的车轮而开发了一种适合的高温(Tg>200℃)环氧树脂系统。