本特勒-西格裡為沃爾沃的多車型SPA全球平台開發了輕質, 節省空間的複合材料板彈簧, 實現了完全自動化的HP-RTM 生產.
沃爾沃新的XC90跨界SUV, 是在沃爾沃新的全球 '可擴展的整車平台架構(簡稱 'SPA' )' 上生產的第一款車型, 最終將包括尚未推出的S60, S90, V60, V90和XC60等幾款車型. 本特勒-西格裡採用完全自動化的HP-RTM生產線, 為SPA平台上的所有這些車型生產玻璃纖維/PU材料的後軸板彈簧, 到2018年, 其產量將達到每年50萬個部件(圖片來自沃爾沃)
作為一級汽車供應商本特勒汽車工業有限責任公司(德國帕德博恩)與纖維解決方案供應商西格裡集團(德國威斯巴登)的合資企業, 建立於2008年的本特勒-西格裡(奧地利Ried im Innkreis)公司生產各種纖維增強的汽車複合材料部件, 包括側翼和柱子, 門, 擾流板和座椅, 但到目前為止, 其最顯著的成就是大批量生產複合材料板彈簧的專業經驗. 自收購了Fischer複合材料技術公司(奧地利Ried im Innkreis)的汽車業務部門以及於2012年在奧地利Ort im Innkreis附近建成第二家複合材料部件工廠以來, 該公司以創新的方式獲得了前所未有的汽車複合材料生產能力.
2013年, 本特勒-西格裡公司取代了當時典型的環氧樹脂基體材料, 並向戴姆勒股份公司(德國斯圖加特)的梅賽德斯-平治Sprinter 廂式貨車展示了一種玻璃纖維/聚氨酯的前軸板彈簧, 與鋼部件相比, 重量從15kg 降低到6kg, 減重達65%.
利用漢高(德國杜塞爾多夫)的快速固化LOCTITE MAX 2 聚氨酯樹脂(PU)和高壓樹脂傳遞模塑成型(HP-RTM)工藝, 本特勒-西格裡公司實現了每年10萬~ 15萬個部件的產量.
隨著用於沃爾沃(瑞典Gothenberg)新的XC90跨界SUV的玻璃纖維/PU後軸板彈簧產量的攀升, 該公司正準備再次提高這一門檻. XC90是在沃爾沃 '可擴展的整車平台架構(簡稱 'SPA' )' 這一新的全球平台上生產的第一款車型. 作為一個組成部分, 該板彈簧也將在S60, S90, V60, V90和XC60, 以及可能開發的任何更大型的汽車上得到應用.
'這是汽車行業中產量最高的複合材料部件項目, 到2018年將達到每年50萬個部件. ' 本特勒-西格裡董事總經理Robert Ernst-Siebert博士介紹說, '除了來自我們的合作夥伴本特勒和西格裡的全面的專業知識外, 與客戶和樹脂供應商建立牢固的合作夥伴關係, 對於我們將現有的HP-RTM和預成型工藝整合成一條完全自動化的生產線也至關重要, 我們已開發了一種目前市場上還沒有的工藝. '
本特勒-西格裡與沃爾沃在SPA板彈簧設計上的合作來自廣泛的經驗. '我們擁有生產Sprinter廂式貨車板彈簧的能力, 也可以通過本特勒汽車集團而具備其他懸架系統部件的生產能力, 所有這些, 都能被整合到沃爾沃的板彈簧項目中. ' Ernst-Siebert解釋道.
每個板彈簧的設計都由其功能和要求來決定. 本特勒汽車集團FRP底盤應用業務開發總監 Frank Fetscher解釋說, 相應地, 這種設計決定了板彈簧的性能和成本. 為沃爾沃設計的板彈簧使用了多達60層的玻璃纖維單向織物, 滿足了性能, 耐久性和成本要求, 以及非常緊湊的安裝空間限制. 雖然這種複合材料的板彈簧與以前的金屬板彈簧的大小大體相同, 但卻取消了螺旋彈簧和懸架支柱, 從而使得軸較少地延伸到行李箱區域, 因而增加了存貨空間.
'基於材料性能, 對設計帶來了一些限制. ' 他解釋道, 也就是說, 從豪華版的XC90到緊湊型的X60, 一種板彈簧設計必須滿足所有車型對性能和存貨空間的要求, 即長度和寬度分別都是1200 mm和60 mm. 但是, 與小型轎車相比, SUV 的重量可能差距很大. 因此, 設計了3種曲率形狀, 以針對每一種汽車重量提供適合的板彈簧. 對於不同車型的升力和剛度等主要指標, 一方面可以通過向外移動上部和內部襯套, 另一方面可以通過在彈簧末端使用不同的襯墊來進行調整, 以此針對每一款車型的需要而為調節彈簧性能提供額外的能力, 同時確保生產過程儘可能簡單. 因此, 本特勒-西格裡能夠管理大量複雜的應用. '沃爾沃和我們一起開發了這種能力, 以使彈簧的剛性係數適應不同的車型. ' Fetscher說道.
按照沃爾沃提出的要求, 對設計和最終的生產工藝進行了驗證. '我們支援他們如何驗證的想法. ' Fetscher說, 此外, 還包括計算機輔助工程(CAE)和物理測試. '我們還將他們的要求納入到我們的CAE疲勞程序和力學疲勞測試中. ' 他指出, 這包括來自道路載荷數據的動態疲勞載荷測試, 以及靜載荷測試, 所有這些都是在不同的環境條件下完成的. Fetscher補充說, 針對本特勒汽車工業有限責任公司和本特勒-西格裡的所有底盤部件, 如防側傾杆或下控制臂等, 也都作了類似的測試, 並對部件的使用壽命作了很好的預測.
在位於奧地利Ort im Innkreis的工廠中, 利用HP-RTM工藝, 沃爾沃的板彈簧採用LOCTITE MAX 2聚氨酯樹脂被生產出來. 但是, 更高的年產量目標需要達到新的自動化水平. '從原材料進廠, 所有的加工步驟都是自動化的, 沒有人工介入. ' Ernst-Siebert反覆強調, '這條內部開發的生產線是我們成功生產出高質量最終部件的關鍵. ' 因此, 完全可以理解本特勒-西格裡不準備透露許多細節.
這條生產線的第一個部分包括對單向增強材料的自動切割和預成型, 這也是展示生產控制系統的一個方面. '我們能夠完全控制這條生產線, 包括自動檢測. ' Ernst-Siebert解釋道, '整條生產線上有不同的質量保證步驟, 不僅有視覺檢測, 還要自動化的力學測試. 每一個板彈簧都會得到檢測. ' Fetscher 補充說, 這項檢測檢查彈簧的剛度以及100%的部件功能, 對於這種類型的應用而言, 這是標準的做法.
Ernst-Siebert 堅持認為, 實現穩定, 強大的加工以及獲得可再現部件的關鍵, 是他所說的對所有材料參數的線上控制. Fetscher 舉例說: '一個鋪層不合適的預成型件, 系統會在檢測參數與編程參數之間檢測到這種不匹配, 這樣我們就能立即知道問題所在. 然後, 我們去掉不合格的部件並進行修正, 以確保生產線的這一部分得到了修正. ' 他表示, 未來, 本特勒-西格裡將向自控制生產線的方向發展. '這是我們朝著這個方向邁出的第一步, 以獲得一個一體化的工業4.0生產系統. '
預成型是在此自動化生產線上的下一步操作. 首先, 採用工業上先進的環氧或聚氨酯基粉末粘結劑來穩固單向織物疊層, 通過加熱加壓使粘結劑熔化, 冷卻後預成型件即得到固結. 然後, 由機器人將一個板彈簧上的多個預成型件運輸到HP-RTM壓機的多型腔下模中. '作為我們專有的內部開發的一部分, 我們已為所有這樣的傳送開發了特殊的夾具. ' Fetscher介紹說.
'感謝西格裡的幫助, 我們進行了大量的研發工作, 為這項特殊的板彈簧應用定義了最佳的材料概念, 包括織物和粘結劑. ' Ernst-Siebert指出, '這並不像看上去那麼簡單, 只有一些織物是完全適合的. 比如, 西格裡為這些板彈簧而開發的材料組成, 其特殊的設計不僅滿足了對部件的功能要求, 而且還提供了穩定的預成型件. '
放入預成型件後, 模具閉合, 樹脂澆注開始. 但是, 要想使HP-RTM工藝達到強大的自動化水平, 需要深度開發. '關鍵是優化工藝. ' Ernst-Siebert斷言, '你必須對樹脂有深入的了解, 通過與漢高合作, 我們做到了這一點. 同時, 也必須對織物有深入的了解, 通過與西格裡合作, 我們也做到了這一點. 因此我們知道, 如何調整參數來滿足迴圈時間要求並實現生產. '
'兩個重大挑戰是力學性能和工藝. ' 漢高粘合劑技術業務單元全球項目經理Frank Kerstan表示, '這種板彈簧必須非常堅韌並具有耐久性, 能夠在不同的條件下承受成百上千次的動載荷. 然而, 大批量的生產要求非常快速的澆注和固化. ' 他發現, 聚氨酯對於這項應用是理想的. '聚氨酯提供了類似環氧樹脂的高強度, 同時還擁有很高的伸長率和韌性, 這兩方面的優勢對於這項應用都非常重要. ' Kerstan解釋說.
'有很多樹脂供應商提供環氧樹脂, 乙烯基酯樹脂和聚氨酯, 但是, 針對我們的特殊項目, 漢高能夠以工業化的高產率, 很好地滿足迴圈時間和成本結構要求. ' Fetscher表示.
Kerstan解釋說, 因為最終產品中的玻璃纖維含量達到55%, 相對較高, 因此訣竅是非常快速地澆注, 但也不能引起纖維錯位, 並要保證一個部件到下一個部件都是可靠的. ' LOCTITE MAX 2樹脂在室溫下的黏度是200~ 300mPa或cps, 但在90℃時降到了10cps, 從而允許可靠, 快速地浸漬纖維而不會使纖維移位.
本特勒-西格裡在其Ort im Innkreis工廠中應用了多種設備, 包括亨內基公司的一台配備了訂製混合頭的Streamline設備, 一台克勞斯瑪菲的混合計量設備, 一台迪芬巴哈的HP-RTM壓機, 以及一台康隆(Cannon Afros)專為HP-RTM工藝而訂製設計的計量設備, 它配有兩個專用的FPL14混合頭.
為生產沃爾沃板彈簧, PU樹脂的主要成分得到了脫氣處理, 以避免在部件中形成氣泡, 在被計量到兩個混合/注射混合頭中之前, 這些成分在加熱套中迴圈並通過加熱管道保持溫度. 混合頭中的壓力是120~ 140 bar, 每一個混合頭都可以在22s的時間內注射11kg的樹脂.
典型的計量, 混合和澆注設備,通過質量流量計將數據送入控制系統, 以對每一組分的流量進行連續監控. 如果檢測到與指定值的偏離, 系統立即對相關計量泵的參數進行管理, 以即時恢複到所需的流量. 在一個設計為90m2的區域中, 安裝了各種樹脂的存儲, 調節和泵送裝置.
正如加熱樹脂對於優化流動和預成型件的浸漬非常必要一樣, 加熱的模具對於複合材料的固化也非常重要, 在此採用的是一副多型腔的模具配置. Ernst-Siebert介紹說, 雖然以前的報告提出了8~ 10或者甚至12個型腔, 但實際使用的型腔數取決於項目的產率. '這可以根據客戶所需以及部件設計而得到改變. ' 他補充說, '為了滿足客戶所需的迴圈時間, 我們採用了一幅多型腔模具, 成型在10min.內完成. ' 雖然這個時間不包括預成型件的放入或部件的取出, 但這兩個操作都是自動化的, 其設計滿足了部件的產量要求.
為了適應3種不同的彈簧曲率設計, 開發了3種不同的上模. 針對每一個上模又分別開發出3個下模, 以便能夠改變彈簧的厚度. 這樣, 9個不同的下模最終可以按照混合的車型訂單而被用於生產中. 此外, 還有額外的選項. Kerstan解釋說, 採用LOCTITE MAX聚氨酯樹脂, 可以根據部件大小而加入催化劑以進一步縮短固化時間. 他還指出, 可以使用外部或內部脫模劑. '無論使用外部脫模劑還是使用內部脫模劑, 都取決於部件程序以及加工中的迴圈時間和停頓時間. ' 然而, 他警告說, 由於板彈簧是動態受載的部件, 因此內部脫模劑可能會影響部件的性能. '與樹脂化學成分相匹配的輔助產品, 如粘結劑, 催化劑和內部脫模劑等非常重要. ' Kerstan 還指出, 模具形狀是確定最佳脫模方法的關鍵因素: '如果有凹槽和難脫模的角度, 可能需要外部脫模劑. '
兩台新的壓機被用於沃爾沃板彈簧的全自動生產線中. '為達到最高產量, 我們已建立了第二條自動化生產線. ' Ernst-Siebert介紹說. 由於自動化程度高, 因此只需要少量的技師來操作這些生產線. '我們目前實行兩班制, 如果需要, 也可以實行三班制. ' Ernst-Siebert介紹說, '我們能夠非常靈活地滿足客戶的需求, 如果需要, 我們能夠每周7天, 每天24小時運行這些生產線. '
這些生產壓機, 可與本特勒-西格裡位於Ried im Innkreis的研發中心中的一台1600t穿梭式雙工位壓機相媲美. Ernst-Siebert強調了該技術中心與Ort im Innkreis生產工廠之間關係的重要性: '我們在技術中心擁有一條自動化的試製生產線, 它適合小批量的生產, 但可以類比整個工藝過程. 就像我們在原型階段設置這條生產線一樣, 我們試圖非常接近於 '如何能夠在實際生產中製造出部件' . ' 他補充到, 其團隊還獲得了本特勒對機器概念的類比, 以及西格裡的專家對材料的分析和類比. '正因如此, 我們通過對HP-RTM的開發, 進一步地提高了我們的工藝技術, 因而進展快速. '
'我們還將此應用於計量裝置和對樹脂的澆注. ' Fetscher說, '為了能夠在工藝開發的早期階段找出問題並進行改善, 早期參與進來的樹脂供應商如漢高發揮了重要作用. '
Ernst-Siebert說: '這是重要的, 因為這個過程太複雜了, 只調節一個參數不可能對每一項作出必要的改善, 你必須一次調整多個參數. '
當部件完全固化後, 機器人將它們從HP-RTM壓機傳送到自動化的銑削單元上, 在此進行修邊, 並在每一個板彈簧的末端進行鑽孔. Fetscher認為, 這樣的自動化是行業標準, 但指出, 本特勒-西格裡的夾具具有特殊性, 而且其修剪過程沒有人工幹預.
隨著沃爾沃後板彈簧項目正按計劃推進, 以在2018年達到最高產量, 本特勒-西格裡已將其目光投向更遠. '我們已經發現了後板彈簧的其他機遇, 並正在努力與OEMs一起開發更多的應用. ' Fetscher說, '動機和市場驅動力保持不變, 未來的替代車輛結構可能為這種應用帶來更多的潛力. '
Kerstan贊同說: '其他的一些汽車製造商已經表示, 他們打算採用這種同樣的輕量化複合材料板彈簧概念, 我也確信, 這種設計緊湊的板彈簧軸非常適合於電動汽車的車身/底盤概念. '
此外, 本特勒-西格裡還將其橫向板彈簧設計和生產經驗用於縱向玻璃纖維增強的彈簧生產中.
'為保持相同的或略有改善的功能, 採用複合材料取代鋼製造板彈簧, 為以合理的成本實現減重帶來了巨大的機遇. ' Ernst-Siebert解釋說.
漢高則瞄準了其他的許多汽車應用, 包括結構車身部件和外部可噴塗部件, 如採用表面RTM工藝製造車頂. 該公司還為大批量地生產碳纖維增強的車輪而開發了一種適合的高溫(Tg﹥200℃)環氧樹脂系統.