工业4.0时代的汽车CFRP零部件的修复技术

2018-9-30 16:11 302 0
简介
碳纤维增强塑料(CFRP)为提高汽车的能效做出了重大贡献。因此,包含汽车的CFRP部件的日常使用导致更大量的受损CFRP部件,这些部件无法通过使用传统车身结构中常见的方法进行修复。此外,与金属部件相比,CFRP结构中 ...

碳纤维增强塑料(CFRP)为提高汽车的能效做出了重大贡献。因此,包含汽车的CFRP部件的日常使用导致更大量的受损CFRP部件,这些部件无法通过使用传统车身结构中常见的方法进行修复。此外,与金属部件相比,CFRP结构中的损坏难以检测。损坏会对CFRP部件的机械性能产生负面影响,而不会在部件表面上显示任何迹象。在现代车辆中应用不同材料和CFRP部件的实施导致复杂的修理过程。目前,维修由汽车制造商完成。 它们包括更换整个部件或预定义的维修部分,但并不考虑实际的损坏程度。

通过适合损坏几何形状的单个精确修补片进行维修并更换受影响的部分,成为材料高效应用且成本更低的修复替代方案。因此,亚琛工业大学塑料加工研究所(IKV)和六个研究机构IKA,ISF,IBF,WZL,MMI,FIR以及60个行业合作伙伴开发新技术进行检测和评估损害,个性化生产修复补丁和安装个别修复补丁,并采用全面的质量控制。

途径

修复策略采用Industry4.0原则和方法为所有修复步骤建立集体数据管理和信息平台。通过中央损坏评估和当地维修措施的规范,在当地车间进行分散的基于多感官的损伤检测。 因此,各个修理补丁将集中制造并运送到分散的车间。 然后通过基于传感器的维修区域质量保证完成维修,并符合通用标准。 本文概述了修复过程的整个过程链中描述的修复策略,图1.零件修复策略流程图。

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数据管理

在各个维修步骤中获得的所有数据都保存在集中数据存储和管理系统中,在该系统中创建受损组件的数字孪生模型(实时建模)。数据存储系统包括数据交换的接口,该接口用于与在修复策略的各个步骤期间使用的任何技术系统进行部分自动数据交换。 因此,数据管理系统需要能够导入和导出各种格式的数据,包括但不限于传感器图像,点云,材料图表和不同的几何交换格式。 此外,数据存储系统还具有损坏零件案例的数据库,可以对已知的修复案例进行简单快速的损坏评估。 将来,数据管理系统还包括增加其他功能的可能性,例如辅助系统,用于修复过程中涉及的工人或用于培训和基于模拟的修复优化的虚拟测试台。

破坏组件

对事故频率,原因和损坏类型的分析表明,对于门槛的修复是一个特别典型的案例。 为此目的,帽型材在下文中用作类似于侧门槛的几何形状的部件。地面接触器引起的损坏与车辆下部的较小碰撞是通过落塔的受控冲击启动的。这里一个带有球形头部的撞击器撞击盖帽轮廓,能量输入为9 J,如图2所示。撞击点略微偏离中心位置,以便造成损坏扩散到盖帽轮廓的边缘。 高速记录显示组件中明显的动态变形之后完全恢复到原始形状。 这说明了单一视觉损伤评估的不足,无法准确分析损伤及其影响。

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几何尺寸和损伤检测

车辆维修程序和修理补丁生产基于先前描述的数据管理系统。为了使用本地修复补丁,应该通过手动激光扫描系统获取应该被替换区域的CAD数据,图3.手动扫描仪跟踪器记录线偏移和扫描器位置。在点火过程中,通过对表面进行逆向工程,连续生成,传输测量对象的点云,并将其转换为CAD模型。作为中间步骤,从点云创建多边形模型。对于CAD模型的构造,所有多边形都由所谓的NURBS曲面(非均匀B样条)近似。

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如图4中的示意图过程所示,基于多感官的损伤检测结合了各种非破坏性测试方法来分类和评估损伤。在建立零件几何形状后,通过大面积测试,主动锁定热成像确定损伤位置和感兴趣区域(ROI)。与未受影响的CFRP层压板部件相比,结构内部的任何损坏都会改变其导热性,在部件的后续冷却过程中比较多个红外(IR)图像时,这会显示可见的热峰值。在ROI内,通过超声波测试进行损伤几何形状的检测。沿着部件表面跟踪该单元,同时发射超声波脉冲。通过改变脉冲的长度,传输时间或强度,可以三维地可视化受损部分的几何形状。由此产生的几何模型可作为评估损伤严重程度和可能修复程度的基础。

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损伤评估和修复方法

图5示意性地描绘了损伤评估过程。首先,来自基于多感官的损伤检测和几何数据的所有数据在3-D模型中合并。如果出现未知的损坏情况,则该模型在包含损坏程度的组件的有限元模型中实施。此处使用的任何载荷工况均来自整车设计中使用的载荷工况。如果其机械性能显着下降,则必须修复部件或者完全更换。在需要修复的情况下,在FE的基础上选择和配置修复方法。给出了要去除的区域的尺寸,以及结构部件准备的几何形状(例如,火焰清理,倍增器,机械接头)。另外,修补片的设计涉及尺寸,层压板堆积和粘合剂连接的制备措施。修复数据被发送到中央补丁制造商进行生产。它也被传递到当地的修理车间,用于处理受损的结构。作为最后一步,新建立的损害案例在集体数据库中登记。如果将来发生类似情况,可以从数据库中获取所有重要信息,并且不再需要对损害进行基于FE的更新的评估

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FRP修补补丁的工具设计和制造

在研究项目期间,灵活工具概念的开发基于使用多种试验工具的不同试验。在其腔侧,通过使用增量片材成形(IBU)形成模具表面并嵌入树脂和石墨的混合物中以稳定和加热。因此,即使对于具有热固性树脂的修补片,也可以实现短循环时间。

IBU已经被用于原型制造和板材组件的小批量生产。将一张深拉钢放置在框架内并紧紧固定。冲头跟踪线后的所需几何线的轮廓,图6,右上角。在此过程中,片材局部塑化并成形。经过审查和优化后,该组件可在几分钟内制造,具体取决于其尺寸和复杂程度。在生产和清洁后,它可以直接用于CFR修复过程。

对于使用热固性基质制造FRP修补片,使用双隔膜形成工艺(DDF)。DDF机器由装配,加热和成型站组成。在装配站,FRP半浸料放置在两个隔膜之间并通过真空压力固定。随后在加热站内进行完整的整合和初步交联。真空确保去除层压板和隔膜之间夹带的任何空气,否则会导致部件质量下降。在加热阶段完成之后,框架移动到成形站。压板内部的圆周密封在模具和框架之间形成压力密封的空间。层压板通过负模从上方通过过压成形,并完全交联成翅片修复补片。然后将补片铣削成与损坏部件的结构准备相匹配,然后送到工作车间进行后续加工过程,如图6所示。

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从试验工具的试验中获得的过程数据用于灵活的双面工具的概念设计。通过隔膜制造工艺结合销支撑结构来开发生产修补片。图7显示了工具概念和几何调整。支撑销概念的高灵活性还使其能够与其他模块化工具元件组合,例如IBU的添加制造插件或面板。这种创新工具概念和制造工艺的结合使得热固性和热塑性修复补片的生产成为可能。

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准备和加入程序

修复方法的选择和损坏部件的必要准备是基于先前的损坏评估。 由于该项目考虑了各种连接技术,例如通过火焰清理,机械连接,使用多普勒修复贴片进行粘接,因此对损坏部件的单独准备工作存储在数据管理系统中。

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在这种特殊情况下,通过连续火焰清理进行制备。火焰清理区域的大角度提供了更大的粘合表面,可根据材料要求提供更好的力传递。此外,这种修复在视觉上和空气动力学上都是不显眼的。对于火焰清理工艺,由于每次更少的材料去除,因此磨削优先于铣削,这有利于手动操作和引导工具。在将粘合剂施加到表面之前不久,需要使用磨料羊毛进行预处理,这可以在车间中轻松完成。在结构准备之后,可以在部件的改变部分上重复几何检测。更新的数据支持制造公司的修补补丁,生产一个完美贴合的补丁,并具有所有必要的连接表面,以避免在车间进行任何后处理。

维修过程中使用的粘合剂系统需要满足以下车辆应用标准:

用于结构的高机械强度 - FRP的粘合剂

粘度适用于垂直接头以及由于几何方差引起的桥接间隙

在车间条件下可重复的固化过程

嵌入式玻璃珠设置特定的键合间隙

适用于打磨/研磨后处理。

在配备有静态混合器的气动胶枪的帮助下手动施加粘合剂。在将修补片装入部件并且粘合剂完全固化后,可能需要进行后处理(例如去除多余的材料)。如图8(中,右)所示,严格手动处理结构处理留下了改善再现性和功能性的改进空间。

总结和结论

在本文中,介绍了一项研究项目的中期结果,该研究项目侧重于基于CFRP的车辆结构的Indus-try 4.0指南下的修复策略。概述了修复过程的所有单独步骤,并列举了侧门槛样式的演示部分。

结果表明,在车间中进行分散式损伤检测和修复的创新方法,以及基于数据库的中心损伤评估和自动化贴片生产,可以有效地修复CFRP部件。根据工业4.0原则,集体数据管理系统确保各个维修步骤之间的任何必要的数据交换。基于损伤检测的各个方面,为标准化和质量保证的维修奠定了基础。

随后准备的车辆结构和准备好的连接区域的几何检测以及对贴片生产的考虑使得在现有工具环境中实现修复步骤成为可能。

来源:Springer

作者:Hopmann C, Eckstein L, Schmitt R, et al.

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