基于再生碳纤维热塑性复合材料的三明治结构轻量化车架的开发验证

2018-12-3 09:37 1783 0
简介
【汽车轻量化在线】在德累斯顿工业大学轻质结构与聚合物技术研究所(ILK),研究人员开发了一种泡沫成型工艺。该工艺可用于大规模生产复杂形状的热塑性三明治夹层结构,特别适用于加工由再生碳纤维制成的半成品。关 ...

汽车轻量化在线】在德累斯顿工业大学轻质结构与聚合物技术研究所(ILK),研究人员开发了一种泡沫成型工艺。该工艺可用于大规模生产复杂形状的热塑性三明治夹层结构,特别适用于加工由再生碳纤维制成的半成品。

关于回收材料

当前,汽车轻量化和成本效率的新要求给混合轻质构件的应用带来了新的机会。在这种情况下,已经开发了新的组合方法,其中就包括使用注塑技术成型和功能化的金属或织物增强塑料制成的扁平半成品。

然而,这种结构的再循环使用带来了挑战性的问题,因为材料的再循环通常需要事先分离成均匀的材料部分。与金属 - 塑料混合物相比,纯有机塑料的混合结构(包括有机板和注塑功能元件的外壳)的优点在于具有共同的基质系统。各个组分仅在增强纤维的长度方面不同,因此可以通过机械方法如粉碎来均化。

在当前的项目中开发了将纤维回收而不减少纤维长度的专门处理方法。使用两种不同的工艺路线来进行半成品产品的回收。

基于再生碳纤维热塑性复合材料的三明治结构轻量化车架的开发验证

一方面,再生碳纤维(RCF)和PA纤维加工成所谓的混合非织造布,作为f lat半成品,图1(左)。 为此,Airlay工艺特别适用于6至40 mm的纤维长度。 纤维可以通过热解,溶剂分解或物理机械过程(例如电液碎裂)从干切割或复合废料中获得。另一方面, PA基短碳纤维增强回收颗粒由热塑性复合废料通过机械切碎生产,图1(右),可以像原始材料一样注塑成型。 通过将这两组半成品组合成夹层结构,可以有效地使用材料的特定性能。 混合非织造织物用作顶层并且有助于提高结构刚度和强度,特别是在弯曲载荷下,而夹层芯由短纤维增强泡沫注塑材料组成。

回收材料的夹层结构

对于复杂形状的夹层结构的整体生产,开发了一种新的方法,即所谓的泡沫形成方法。在这种情况下采用MuCell技术,热塑性泡沫注塑成型(FIM)与单一工艺中的纤维增强顶层的热成型相结合。

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由混合非织造织物制成的热塑性CFRP顶层由外部红外加热装置加热,如图2(a)所示,然后通过机器人引导的处理系统自动转移到开放式注塑模具中,如图2(b)所示。同时,碳纤维增强的PA再循环颗粒在增塑单元中熔化,并将发泡剂引入熔体中。关闭模具后,将其注入混合非织造布之间,如图2(c)所示,完全填充模腔。将夹层顶层压在模具两侧的相应壁上并获得它们的最终形状。然后,模腔通过精密开口膨胀,这促进了夹层芯的发泡,如图2(d)所示。冷却后,最终的砂型组件可以脱模,如图2(e)所示。

RCF-PA混合非织造织物在熔融状态下的良好悬垂性以及注射成型工艺的通常高设计灵活性有利于几何形状复杂的夹层结构的生产。这涉及弯曲表面以及壁厚的局部变化。该方法也可以以不使整个组分发泡的方式设计。在这种情况下,Elring Klinger开发了一种特殊的工具技术,其中只有一部分模腔通过精密开口膨胀和发泡。在结构的剩余部分中,热塑性熔体几乎保持固态,这使得强度和刚度性能与传统的注塑成型材料相当。因此,泡沫形成过程带来很大的设计自由度和高度的功能集成。

三明治结构的测试结果

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对于部件设计而言,重要的是加热粘附材料的可靠特性。因此,必须分析回收过程对原始材料的机械性能的影响。为此目的,泡沫板结构被机械再加工以再循环颗粒并再次注塑成板。机械性能的降低只能在流动方向上确定,因为增强纤维在模具填充过程中主要在这个方向上取向,图3.性能降低的原因在于机械过程中纤维长度的缩短再加工和二次注塑。但是,在横向方向上,纤维长度仅具有较小的影响,并且机械性能保持在相似的水平。无论是原始材料还是再生材料,FIM组件的特性在两个主要方向上都有很大不同,在零件设计中必须考虑到这两个方向。这不仅影响机械特性,还影响零件的收缩。

基于再生碳纤维热塑性复合材料的三明治结构轻量化车架的开发验证

在泡沫形成过程中几乎各向同性的混合非织造表面层的整合一方面导致材料性能的显着增加,另一方面导致流动和横向之间的差异明显更小,图4.非织造布具有更高的杨氏模量和比芯材料更高的强度。 然而,在这种情况下,也不能完全避免由芯材料引起的各向异性。

适用于回收的组件设计

基于再生碳纤维热塑性复合材料的三明治结构轻量化车架的开发验证

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为了展示了这些半成品产品的巨大回收潜力以及高负荷结构部件的泡沫成型工艺,选择了车身的后车架进行案例研究,如图5所示。该部件需要满足整体的高刚度要求并且还承受局部高机械载荷。 这涉及在碰撞情况下紧固安全带卷收器和多个顶部系绳附接点,即儿童安全座椅紧固件。 此外,由于超低音扬声器的集成,必须满足关于NVH行为的声学要求。

关于新开发的制造工艺,该部件可以分为不同的功能区域,每个功能区域根据所施加的单个负载设计,图6.在中央部分区域,后架包括大面积的夹层结构。顶层和底层是RCF-PA混合非织造布,纤维长度为21 mm,可确保高弯曲刚度。与发泡芯结合,可以实现良好的阻尼性能。该部件通过盲铆接和粘接而通过环绕凸缘附接到外围主体结构。在法兰区域,模具在发泡阶段不打开。结果,注塑材料几乎保持固态并在连接区域中提供必要的强度。具有高局部载荷的部件部分由附加的碳纤维增强有机板层支撑,其具有比混合非织造布显着更高的强度。然而,由于这些有机薄片目前仅作为原始材料提供,因此将它们专门用于必须使用的区域。前侧的大部分有机板还通过底部的实心肋加强,增强了扭转刚度。尽管仅使用一种基质系统(聚酰胺)和仅一种类型的纤维(碳纤维),但每个功能区域具有不同的性质。这是通过将泡沫和非泡沫塑料组合在一个组件中以及使用具有不同纤维长度的半成品(短纤维增强注塑料,长纤维增强非织造织物和连续纤维增强有机片材)来实现的。

结果,昂贵的原始材料的使用局限于局部增强,而低成本的再循环注塑材料或非织造材料(取决于要求)可用于部件的其余部分。总的来说,回收材料的比例可以扩展到80%左右。

在最终组件测试中,所有相关的负载情况都已成功测试。在直接比较由原始材料和再生材料制成的部件时,顶部系绳附件的破坏强度对于再循环构件而言大约低10%。

总结

目前,材料回收很少在产品开发初期予以考虑, 因此,只能在非常有限的程度上考虑回收友好设计或二次材料的使用方面。 ReLei联合研究项目采用了一种方法,在早期设计和开发阶段该方法涉及各种再生材料的特定性能概况,如再生碳纤维和再生注塑材料。 这导致了泡沫成型工艺的发展,该工艺非常适合大批量生产复杂的夹层部件,包括原生材料和再生材料。 ReLei技术成功开发,生产和测试突出了再生CFRP用于结构件的潜力。

来源:Springer

作者:Goergen C, Baz S, Mitschang P, et al.

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