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博泽(Brose)热塑性门模块托架的批量化生产技术

2019-11-21 17:23 83 0
简介
【汽车轻量化在线】无论车辆是由电力驱动还是由传统的内燃发动机提供动力,车门将始终是汽车工业中的重要组成部分。汽车车门通常包含三个主要组件:车门外板、车门模块支架、车门内板。车门外板通常由具有良好可涂漆 ...


【汽车轻量化在线】无论车辆是由电力驱动还是由传统的内燃发动机提供动力,车门将始终是汽车工业中的重要组成部分。汽车车门通常包含三个主要组件:车门外板、车门模块支架、车门内板

车门外板通常由具有良好可涂漆性能的材料制成,与乘客在轿厢中接触的车门内板一样都是顾客可见的。而车门模块支架是看不见的,但却集成了扬声器,闩锁模块,线束,窗户调节器,窗户附件和导向以及碰撞传感器等,见图1。

如图2所示,车门模块最初载体是由金属制成的,首先必须将其成形为准确的形状,然后导轨再单独连接到支架上。多年来,在注塑工艺和材料不断发展的过程中,许多用钢和铝汽车部件已被塑料材料取代。塑料门模块支架采用注塑成型工艺制造,早期是没有纤维加固的车门模块,后来出现短纤维加固门模块。早期是车窗导向件在随后的安装工序中单独安装在支架上,然后发展为完全集成到注塑过程中。后者仍然是目前许多汽车零部件供应商普遍采用的做法。

「前沿」博泽(Brose)热塑性门模块托架的批量化生产技术

尽管门模块得到不断地开发优化,但OEM及其供应商在组件生产中的高成本压力要求在短时间内同时实现较高的功能集成。另外,还要实现部件的轻量化,因为驱动器的电气化以及汽车行业对舒适性和安全性的要求不断提高,导致车辆重量增加,必须通过减轻其他部件的重量来抵消重量的增加。除了上述要求外,在将来,对门模块的声学要求也会得到更多关注。

门模块制造中的有机片

Brose开发了一种新的门模块生产方法。与传统的生产方法和组件相比,新的门模块的特征在于功能集成度更高、刚度和冲击特性性能更好、组件重量更轻以及声学设计自由度更大。

上述性能特点归因于连续纤维增强的半成品热塑性产品的使用。这些具有玻璃、碳或芳族聚酰胺连续纤维的片材被嵌入到热塑性基质中,例如聚酰胺(PA)或聚丙烯(PP)。这些半成品以下也称为有机片。将有机片的热成型和注塑成型结合在一个步骤中。通过使用有机片,可以提高机械性能。因此可以减小壁厚和塑料加强筋,从而减轻重量。使用有机板门模块,可以将每辆车的重量减少约1.6公斤。与钢制部件相比,每辆带有四个门模块的车重量节省高达5千克。与注塑工艺相结合,可以实现高度的功能集成并生产复杂的零件几何形状。与常规门模块相比,可以通过模制车窗导轨来省去进一步的组装步骤。如图3所示,也可将更复杂的几何形状(例如扬声器)集成到了注塑过程中。

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大批量生产流程

自2017年底以来,有机板材门模块已在全球多个地点为福特Focus C519系列进行批量生产。与纤维增强的紧凑型注塑工艺相比,此处选择的方法还包括其他复杂的工艺步骤。制造过程可以按时间顺序细分为以下步骤加热并插入、热成型、包覆成型

在此,前两个过程步骤对于整个过程至关重要:加热过程包括将有机片材插入模具中以及将有机片材热成型为所需的几何形状,如图4中(1)至(4)所示。

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加热有机片的方法有许多种,从经济角度和高生产率的角度来看,红外技术相对于替代系统的主要优势在于投资成本较低且红外发射器的性能更高,从而可大大缩短加热时间。这尤其适用于在此使用的0.6mm厚度的有机片。有机板的冷却性能也应纳入考虑范围,它取决于材料的厚度、塑料的类型、纤维的类型和有机板转移的速度。

为了找到合适的工艺参数,Brose在自己的技术中心系统上进行了大量实验(图5)。其目的是使加热过程后有机片的传递路径尽可能短。因此,可以避免有机片的快速冷却,并且可以实现具有良好材料结合的热成型。

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除了较短的传输路径外,博泽还观察了加热的有机片的形成过程。有机片在成型过程结束时和注射成型过程之前的位置非常重要,并且由于许多切口和双弯曲区域对于部件的质量至关重要。机械手的抓取位置、模具上的转移位置、合拢运动的速度和抽芯单元的速度对有机片的位置具有决定性的影响。上述对制造解决方案的要求与克劳斯玛菲(Krauss Maffei)为热塑性轻量化设计组件的批量生产而制定的标准概念一致,表1。

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表1中的解决方案2或3可以根据型腔的数量在此处实现。关于所需的高数量,通常在双腔中生产门模块支架。由于驾驶员和乘客侧门的对称性,这对于前部和后部都是合乎逻辑的。克劳斯玛菲(KraussMaffei)相应的制造解决方案,用于制造有机单板门模块,如图6所示。

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克劳斯玛菲的所有Fiber form概念均以直接位于固定压板上方的红外加热站(IR烤箱)为特征。对于此处使用的厚度为0.6 mm的有机薄板,集成的滑动机构可将IR烤箱直接定位在模腔上方,从而仅可通过垂直移动将有机薄板转移到模具上。只有这样,才能形成非常短的传递路径,以将此处需要的加热后的有机片材插入模具中。传输时间少于2s。该解决方案生产门模块的总循环时间少于60秒。表2列出了重要的机器和材料数据。

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应用的挑战与未来解决方案

有机片材在汽车工业中的应用正变得越来越普遍。然而,尽管以减轻重量为目的对金属部件的替代进行了积极评估,但部件成本是决定性因素。由Brose进一步开发并在2019年国际汽车展(IAA)上展出的车门模块系统(图7)是通过增加部件功能数量和增强部件稳定性来降低部件成本的方法的示例。

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新的车门模块超越了门模块的传统系统限制。这要归功于有机板的材料特性,这主要决定了扩展门模块的结构刚度和碰撞安全性。通过集成或消除"白车身"组件(部分门内板)进一步减轻了重量。

由于采用了与载荷路径相对应的局部纤维增强材料的织物结构(玻璃织物),对结构刚度和防撞性能的贡献增加了。与现有的门模块相比,材料组合的特性模式使能量吸收能力提高了400%。与本文介绍的有机薄板车门模块(图3)相比,每扇门的重量可以减少1千克以上而不会增加成本。总体而言,这意味着四门车型的重量减轻了4公斤。如果再加上5公斤的重量(有机薄板车门模块减重效果),那么与钢制车门组件相比,总重量减少了9公斤。

Brose开发的新型门模块支架是展示如何将连续纤维增强的半成品热塑性塑料与注塑成型工艺结合使用的一个展示示例。即使在开发阶段,也不能选择仅满足单个要求(例如减轻重量)的单一设计。而是在设计中还考虑了其他重要方面,例如功能集成和声学,以实现全面的解决方案。由于使用了连续的纤维增强热塑性有机片材,减小了壁厚并采用了整体设计,与没有有机板插入物的标准PP+LGF 30门模块托架相比,这使每辆车的部件重量减少了1.6公斤,并且还实现了更好的防撞性。

加上克劳斯玛菲的生产解决方案,可以保证在极短的周期时间内(<60s)批量生产有机板门模块,每年的产量可超过一百万。新门模块的制造解决方案和高度功能集成能够满足组件成本和性能(刚度,冲击力,声学)的要求。

来源:作者:DR.-ING. MESUT CETIN;MICHAEL THIENEL

汽车轻量化在线翻译整理。

特别声明:本文为汽车轻量化产业链原创技术文章,版权归汽车轻量化产业链所有,未经作者允许禁止转载和改写。如需转载请联系编辑,微信号:qcqlhzx

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