Benteler-Sigley a développé un ressort à lame composite léger et peu encombrant pour la plate-forme mondiale multimodalités de Volvo, permettant une production entièrement automatisée HP-RTM.
Le nouveau SUV multisegment Volvo XC90 est le premier modèle à être produit sur la nouvelle architecture de plate-forme de véhicule évolutive (SPA) mondiale de Volvo, qui inclura à terme les modèles S60, S90, V60 et V90, qui n'ont pas encore été lancés. Plusieurs modèles, tels que le XC60, utilisent une ligne entièrement automatisée HP-RTM pour la production de ressorts de fond de panier en fibre de verre / PU pour tous ces modèles sur la plate-forme SPA. Jusqu'à 500 000 pièces par an (image de Volvo)
Bentler a été fondée en 2008 en tant que co-entreprise entre Bentler Automotive Industry GmbH (Paderborn, Allemagne) et le fournisseur de solutions de fibres optiques SGL Group (Wiesbaden, Allemagne). - Sigri (Rie im Innkreis, Autriche) produit une vaste gamme de composants composites automobiles renforcés de fibres, y compris flancs et colonnes, portes, déflecteurs et sièges, mais la réalisation de loin la plus remarquable est la production en série. Expertise dans les ressorts en tôle composite: Depuis l'acquisition de la division automobile de Fischer Composites Technology (Ried im Innkreis, Autriche) et la construction d'une deuxième usine de fabrication de pièces composites près d'Ort im Innkreis en Autriche en 2012, la société a innové Le moyen d’obtenir une capacité de production sans précédent de composites automobiles.
En 2013, Bentler-SGL a remplacé le matériau de matrice en résine époxy typique à l'époque et a présenté une fibre de verre au fourgon Mercedes-Benz Sprinter de Daimler AG (Stuttgart, Allemagne). / Ressorts d’essieu avant en polyuréthane, comparés aux pièces en acier, poids compris entre 15 et 6 kg, perte de poids de 65%.
En utilisant Henkel (Düsseldorf, Allemagne), le procédé de moulage par transfert de résine haute pression (HP-RTM) LOCTITE MAX 2 à durcissement rapide, PU, Benteler-SGL a atteint 100 000 par an ~ Production de 150 000 pièces.
Avec l'augmentation de la production de ressorts d'essieu arrière en fibre de verre / PU pour le nouveau SUV multisegment XC90 de Volvo (Gothenberg, Suède), la société s'apprête à relever ce seuil. Le XC90 s'inscrit dans l'architecture de plate-forme de véhicule évolutive de Volvo ( Le premier modèle appelé «SPA») est produit sur cette nouvelle plate-forme mondiale, dans laquelle les ressorts à lames seront également disponibles en S60, S90, V60, V90 et XC60, ainsi que pour les plus grandes voitures pouvant être développées. Obtenez appliqué sur.
"Il s'agit du projet de composants composites dont le volume est le plus élevé dans l'industrie automobile. Il atteindra 500 000 pièces par an d'ici 2018." Le Dr Robert Ernst-Siebert, directeur général de Benteler-Sigley, a déclaré: "Outre notre coopération, Outre l'expertise complète de nos partenaires, Benteler et SGL, nous avons établi de solides partenariats avec nos clients et fournisseurs de résines et avons intégré nos processus HP-RTM et de préformage existants dans une chaîne de production entièrement automatisée. Important, nous avons mis au point un processus qui n’est actuellement pas disponible sur le marché. '
La coopération de Benteler-Sigley et de Volvo dans la conception des ressorts à lames SPA résulte d'une vaste expérience. «Nous sommes en mesure de produire des ressorts à lames Sprinter pour fourgons et d'autres composants de systèmes de suspension sont disponibles auprès du groupe Bentler Automotive. La capacité de production, qui peut toutes être intégrée dans le projet de ressorts à lames de Volvo », a expliqué Ernst-Siebert.
Frank Fetscher, directeur du développement commercial pour les applications de châssis en PRF chez Bentler Automotive Group, explique que cette conception détermine les performances et le coût du ressort à lames. Le ressort à lame utilise jusqu’à 60 couches de tissu unidirectionnel en fibre de verre afin de répondre aux exigences de performances, de durabilité et de coût, ainsi qu’à des limitations d’espace de montage très compactes. Il en va de même, mais le ressort hélicoïdal et la jambe de suspension sont éliminés, de sorte que l’arbre s’étende moins au tronc, ce qui augmente l’espace disponible pour les stocks.
"En fonction des propriétés des matériaux, le design est soumis à certaines restrictions." Il a expliqué que, de la version de luxe du XC90 au compact X60, la conception d'un ressort à lames devait répondre aux exigences de performance et de stock de tous les modèles. En d'autres termes, la longueur et la largeur sont de 1 200 mm et de 60 mm, mais le poids du VUS peut varier considérablement par rapport à une petite voiture, de sorte que trois formes de courbure sont conçues pour fournir un ressort à lame adapté à chaque poids de voiture. Pour les principaux indicateurs de portance et de rigidité de différents modèles, d’une part, les bagues supérieure et intérieure peuvent être déplacées vers l’extérieur, et d’autre part, en utilisant des patins différents à la fin du ressort, un réglage peut être effectué pour chaque modèle. Il est nécessaire de fournir une capacité supplémentaire pour ajuster les performances des ressorts tout en veillant à ce que le processus de production soit aussi simple que possible. Par conséquent, Benteler-Sigley est en mesure de gérer un grand nombre d'applications complexes. "Volvo et nous avons développé cette capacité de fabrication de ressorts Le facteur de rigidité s'adapte à différents modèles. »A déclaré Fetscher.
Selon la demande de Volvo, les processus de conception et de production finale ont été vérifiés. "Nous soutenons leurs idées sur la manière de vérifier." Fetscher a ajouté que l'ingénierie assistée par ordinateur (CAE) et les tests physiques étaient également pris en compte. Les exigences sont incluses dans notre programme CAE de fatigue et dans nos tests de fatigue mécanique. 'Il a souligné que cela inclut les tests de fatigue dynamiques à partir des données de charge de la route, ainsi que les tests de charge statique, qui sont tous effectués dans différentes conditions environnementales. Fetscher a ajouté Il a déclaré que tous les composants du châssis de Benteler Automotive Industry Co., Ltd. et de Benteler-Sigrid, tels que la barre antiroulis ou le bras de suspension inférieur, avaient été testés de la même manière et utilisés pendant toute la durée de vie des composants. Une bonne prédiction.
Dans l'usine d'Ort im Innkreis, en Autriche, les ressorts à lames de Volvo sont fabriqués à l'aide de la résine de polyuréthane LOCTITE MAX 2, à l'aide du processus HP-RTM, mais les objectifs de production annuels plus élevés doivent atteindre de nouveaux niveaux d'automatisation. Toutes les étapes de traitement sont automatisées et il n'y a aucune intervention manuelle. "Ernst-Siebert a souligné à plusieurs reprises que" cette ligne de développement interne est la clé du succès de la production de pièces finales de haute qualité. "Par conséquent, il est parfaitement compréhensible que Benteler - SGL n'est pas disposé à révéler beaucoup de détails.
La première partie de la ligne comprend la découpe et le préformage automatiques des renforcements unidirectionnels, qui constituent également un aspect du système de contrôle de la production. "Nous sommes en mesure de contrôler totalement cette ligne, y compris le contrôle automatique.", Explique Ernst-Siebert. , "Il existe différentes étapes d'assurance qualité sur l'ensemble de la chaîne de production, pas seulement l'inspection visuelle, mais également des tests mécaniques automatisés. Chaque ressort à lames sera testé." Fetscher ajoute que ce test vérifie la rigidité du ressort et de 100% des pièces. Fonctionnalité, il s'agit de la pratique standard pour ce type d'application.
Ernst-Siebert insiste sur le fait que la clé pour obtenir un usinage stable et puissant et pour obtenir des pièces reproductibles est ce qu'il appelle le contrôle en ligne de tous les paramètres de matériau. Fetscher illustre: «Une préforme qui ne convient pas à la superposition, Cette inadéquation est détectée entre les paramètres de test et les paramètres programmés, ce qui nous permet de connaître immédiatement le problème. Nous retirons ensuite les parties non qualifiées et apportons des corrections pour nous assurer que cette partie de la ligne est corrigée. " Benteler-Sigley s'orientera vers une ligne de production auto-contrôlée. "C'est la première étape que nous avons franchie dans cette direction pour obtenir un système de production intégré Industrial 4.0".
Le préformage constitue l'étape suivante de cette ligne de production automatisée: tout d'abord, un liant en poudre à base d'époxy ou de polyuréthane, à la pointe de l'industrie, est utilisé pour stabiliser le stratifié de tissu unidirectionnel et le liant est fondu par chaleur et pression. La pièce moulée est consolidée, puis le robot transporte plusieurs préformes sur un ressort à lames vers la matrice inférieure à plusieurs empreintes de la presse HP-RTM. 'Dans le cadre de notre développement interne exclusif, nous avons Un appareil spécial a été mis au point pour tous ces transferts », a déclaré Fetscher.
"Merci pour l'aide de SGL. Nous avons effectué de nombreux travaux de recherche et développement afin de définir les meilleurs concepts de matériaux pour cette application de ressort à lames spéciale, y compris les tissus et les adhésifs", souligne Ernst-Siebert. Cela semble si simple que seuls quelques tissus sont parfaitement adaptés, par exemple, SGL est constitué de matériaux développés pour ces ressorts à lames.Sa conception spéciale répond non seulement aux exigences fonctionnelles des composants, mais fournit également des préformes stables. '
Après la mise en place de la préforme, le moule est fermé et la coulée de la résine commence. Toutefois, pour atteindre un niveau d'automatisation élevé dans le processus HP-RTM, un développement approfondi est nécessaire. "L'essentiel est d'optimiser le processus." Je travaille en profondeur avec Henkel, mais nous devons également comprendre en profondeur le tissu. En travaillant avec SGL, nous l’avons également fait. Nous savons donc comment ajuster les paramètres. Répondre aux exigences de temps de cycle et atteindre la production. '
«Les propriétés mécaniques et les processus sont deux grands défis.» Frank Kerstan, chef de projet mondial de la division Adhesive Technology de Henkel, a déclaré: «Les ressorts à lames doivent être très robustes et durables, capables de résister à des centaines de conditions dans différentes conditions. Des milliers de charges dynamiques. Cependant, la production en grand volume nécessite une coulée et un durcissement très rapides. "Il a constaté que le polyuréthane était idéal pour cette application." Le polyuréthane offre une résistance élevée, similaire à celle de l'époxy, et présente également une résistance élevée. L'allongement et la ténacité, qui sont tous deux importants pour cette application. 'A expliqué Kerstan.
"De nombreux fournisseurs de résines proposent des résines époxy, des résines vinylester et des polyuréthanes. Cependant, pour nos projets spéciaux, Henkel est en mesure de répondre aux exigences de temps de cycle et de structure de coûts avec des rendements industriels élevés", a déclaré Fetscher.
Kerstan a expliqué que, comme le produit final contient 55% de fibres de verre, ce qui est relativement élevé, le creuset est coulé très rapidement, mais il ne provoque pas de désalignement des fibres et il est nécessaire de garantir la fiabilité des pièces. La résine LOCTITE MAX 2 a une viscosité de 200 ~ 300 mPa ou cps à température ambiante, mais chute à 10 cps à 90 ° C, permettant une imprégnation rapide et fiable de la fibre sans déplacement de la fibre.
Benteler-Sigley a utilisé une variété d'équipements dans son usine d'Ort im Innkreis, notamment une unité Hennessy Streamline avec une tête de mélange personnalisée et un doseur de mélange KraussMaffei. Une presse HP-RTM Dieffenbacher et un dispositif de mesure conçu sur mesure par Cannon Afros pour le processus HP-RTM, avec deux têtes de mélange FPL14 dédiées.
Afin de produire des ressorts à lames Volvo, les principaux composants de la résine PU sont dégazés pour éviter la formation de bulles d'air dans les composants, qui circulent dans la chemise chauffante et passent à travers le tuyau de chauffage avant d'être dosés dans les deux têtes de mélange / injection. Maintenir la température: la pression dans la tête de mélange est de 120 ~ 140 bars et chaque tête de mélange peut injecter 11 kg de résine en 22 secondes.
Un équipement typique de dosage, de mélange et de coulage, à travers le débitmètre massique, envoie des données au système de contrôle afin de surveiller en permanence le débit de chaque composant. Gestion, récupération en temps réel au flux requis Dans une zone de 90 m2, divers dispositifs de stockage, de conditionnement et de pompage de résine sont installés.
Tout comme il est nécessaire de chauffer la résine pour optimiser l’imprégnation du flux et de la préforme, le moule chauffé est également très important pour le durcissement du composite.Une configuration de moule à plusieurs empreintes est utilisée ici. Le rapport propose 8 à 10 voire 12 cavités, mais le nombre de cavités réellement utilisées dépend du rendement du projet. "Cela peut être modifié en fonction des besoins du client et de la conception des composants", at-il ajouté. Pour le temps de cycle requis par le client, nous avons utilisé un moule à plusieurs empreintes, achevé en 10 minutes. 'Bien que ce temps n'inclue pas la mise en place de la préforme ni le retrait des pièces, les deux opérations sont automatisées. , sa conception répond aux exigences de production des composants.
Afin de s’adapter aux trois conceptions différentes de la courbure du ressort, trois moules supérieurs différents ont été développés.Pour chaque moule supérieur, trois moules inférieurs ont été développés pour modifier l’épaisseur du ressort, permettant ainsi l’utilisation de neuf moules inférieurs différents. Kerstan a expliqué qu'avec la résine de polyuréthane LOCTITE MAX, il était possible d'ajouter un catalyseur en fonction de la taille de la pièce afin de raccourcir davantage le temps de durcissement. Il a également précisé que l'extérieur pouvait être utilisé. Ou agent de démoulage interne. 'Que l'utilisation d'un agent de démoulage externe ou d'un agent de démoulage interne dépende du programme pièce, du temps de cycle et du temps de pause au cours du traitement.' Cependant, il a averti que le ressort à lames était chargé dynamiquement Les composants, de sorte que les agents de démoulage internes peuvent affecter les performances de la pièce. 'Les produits auxiliaires qui correspondent à la composition chimique de la résine, tels que les liants, les catalyseurs et les agents de démoulage internes, sont très importants.' Kerstan a également souligné que la forme du moule était la plus déterminée. Facteurs clés pour une bonne méthode de démoulage: "S'il existe un sillon et un angle de démoulage difficile, un agent de démoulage externe peut être nécessaire."
Deux nouvelles presses ont été utilisées dans la chaîne de production entièrement automatisée des ressorts à lames Volvo. 'Pour atteindre une production maximale, nous avons mis en place une deuxième ligne de production automatisée.' A déclaré Ernst-Siebert. En raison du degré élevé d'automatisation, une petite quantité est nécessaire. Les techniciens viennent opérer ces lignes de production. "Nous mettons actuellement en place deux équipes. Si nécessaire, nous pouvons également en implémenter trois", a déclaré Ernst-Siebert. "Nous sommes très flexibles pour répondre aux besoins de nos clients. Si nécessaire, nous pouvons en fournir sept par semaine. Jours, exécutez ces lignes de production 24 heures par jour.
Ce centre de recherche et développement de Ried im Innkreis est comparable à une presse à deux stations pour navettes de 1 600 tonnes, qui met l’accent sur le centre de technologie et l’usine de production Ort im Innkreis. L’importance de la relation: "Nous avons une ligne pilote automatisée dans le centre de technologie, qui convient à la production en petits lots, mais peut simuler l’ensemble du processus. Tout comme nous avons mis en place cette ligne au stade du prototype, nous avons essayé très "Comment puis-je fabriquer des pièces en production réelle?", A-t-il ajouté. Son équipe a également reçu une simulation du concept de la machine de Benter, ainsi que l'analyse et la simulation des matériaux par des experts SGL. Grâce au développement de HP-RTM, notre technologie de traitement a encore été améliorée et les progrès ont été rapides. '
"Nous appliquons également cela aux dispositifs de dosage et à la coulée de résines." Pour être en mesure d'identifier les problèmes et de s'améliorer dès les premières étapes du processus, l'implication précoce de fournisseurs de résines comme Henkel a joué un rôle important. '
Ernst-Siebert a déclaré: "Cela est important car le processus est trop compliqué. Il est impossible d'ajuster un paramètre pour apporter toutes les améliorations nécessaires. Vous devez ajuster plusieurs paramètres à la fois."
Lorsque les pièces sont complètement cuites, le robot les transfère de la presse HP-RTM à l'unité de fraisage automatisée où elles sont coupées et percées à la fin de chaque ressort à lames.Fetscher pense que cette automatisation est la norme dans l'industrie. Toutefois, il est précisé que le montage de Benteler-Sigley est spécial et que son processus de rognage n’a aucune intervention manuelle.
Benteler-Sigley a encore tourné son attention alors que le projet de ressorts de la plaque arrière de Volvo a progressé comme prévu pour atteindre une production maximale en 2018. «Nous avons découvert d'autres possibilités pour les ressorts de la plaque arrière et travaillons fort. Développez plus d'applications avec les constructeurs. "Fetscher a déclaré:" La motivation et les facteurs de marché restent les mêmes, et les structures de véhicules alternatives futures pourraient apporter plus de potentiel à cette application. "
Kerstan acquiesce: «D'autres constructeurs automobiles ont annoncé leur intention d'adopter ce même concept de ressorts en tôle composite léger, et je suis également convaincu que cet arbre à ressorts à lames compactes convient très bien à la carrosserie / au châssis des véhicules électriques. Concept. '
En outre, Benteler-Sigley utilise également sa conception et son expérience de production de ressorts à lames transversales pour la production de ressorts longitudinaux renforcés de fibres de verre.
«Pour conserver une fonctionnalité identique ou légèrement améliorée, l'utilisation de matériaux composites à la place de l'acier pour la fabrication de ressorts à lames offre d'énormes possibilités de réduction de poids à un coût raisonnable», explique Ernst-Siebert.
Henkel cible un certain nombre d'autres applications automobiles, notamment les pièces de carrosserie structurelles et les pièces pouvant être projetées à l'extérieur, telles que le processus RTM de surface pour la fabrication du toit, mais a également développé une température élevée adaptée à la production en série de roues renforcées de fibres de carbone. (Tg> 200 ° C) système de résine époxy.