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世界首款量產全熱塑性復合材料汽車制動踏板 年產量約100萬件

放大字體  縮小字體 發布日期:2021-01-18  來源:中國復材展組委會  瀏覽次數:367
核心提示:上世紀九十年代,汽車制造商開始使用注塑成型工藝,以短切玻纖增強熱塑性復合材料替代金屬,來生產油門踏板。而制動踏板,也就是
     上世紀九十年代,汽車制造商開始使用注塑成型工藝,以短切玻纖增強熱塑性復合材料替代金屬,來生產油門踏板。
 
    而制動踏板,也就是人們俗稱的“腳剎”,卻因為與汽車的安全性有著更為密切的關系,對自身的強度、剛度、扭轉載荷有著更高的要求,彼時尚未實現從金屬向復合材料的轉變。
 
    來自德國的汽車一級供應商Boge Rubber & Plastics Group(以下簡稱Boge)宣稱推出了世界上首個量產熱塑性復合材料汽車制動踏板,滿足了汽車廠對安全性和經濟性的要求。
     這款創新的制動踏板采用了獨特的設計方案,混合使用了三種不同的復合材料,引入了與眾不同的生產工藝。
 
     Boge公司專業從事汽車減振、傳動、底盤、輕量化模塊以及踏板箱(包括制動、離合、油門)相關零部件的研發和生產。自2008年起,公司開始使用連續纖維有機板和短切玻纖,利用復合模塑工藝(overmoulding)生產汽車零部件。2018年,又引入了熱塑性單向帶,并通過工藝的創新縮短了生產周期、降低了成本、擴大了業務量。
 
    “2015年的某一天,老板跟我說,這些創新都很不錯,但是如果能尋找到更大的應用市場,把用量提升上去就更好了。”Boge公司全球創新中心總經理Daniel Häffelin博士工程師表示,“于是,我們的工程師團隊一起做了頭腦風暴,最后把目光聚焦到汽車制動踏板這一細分產品上了。”
 
     想要說服汽車制造商采用新的產品,必須充分證明它的經濟性。“我們認為現有工藝已經把生產周期壓得夠短了,進一步下調的空間有限,所以唯一的出路就是通過提高纖維的使用效率來降低成本。”
 
     然而,簡單地減少用量,把制動踏板做得更小、更薄顯然行不通,因為制動踏板對形狀和尺寸有嚴格的要求,更不用說對它關系著汽車的整體安全性能。因此,研究的方向鎖定在如何對纖維取向進行精準的控制,從而減少部件的壁厚和非關鍵區域的纖維用量上。
 
     “想要減少纖維用量,還要保持足夠的強度和剛度,在運動和醫療市場上的通常做法是引入拾-放設備(Pick-and-Place),但是那樣做太貴了。”Boge公司首席執行官Torsten Bremer博士表示,“于是,我們不得不嘗試尋找新的工藝路徑。”
 
     “當時我們已經開始和一些汽車廠家合作研發全復合材料制動踏板。”Boge公司執行副總裁Burkhard Tiemann回憶說,“我們在2015年向他們做出了承諾,3年后我們做出了第一批產品。”
 
    三種材料的混合使用
 
    Boge公司針對制動踏板的不同位置分別使用了三種不同的材料。
 
     1. 殼結構是踏板的主要承重結構,需耐受最高3000牛頓的壓力,同時還需要保證它足夠輕薄、性價比足夠高。為此,Boge公司選用了德國朗盛公司生產的連續玻纖有機板。
 
     2. 對于有機板上需要局部增強的部分,Boge公司使用了美國塞拉尼斯公司提供的單向玻纖帶,并遵照汽車廠商對特定溫濕度條件下材料應變曲線的要求,通過有限元分析的方法計算出鋪放的路徑。
 
     3. 另外,為實現踏板中的功能性幾何形狀,Boge公司使用了由多個供應商提供的短切玻纖,利用復合模塑工藝形成加強筋和其他輔助結構。
 
    與上述3種增強材料配合使用的基體材料,是已在汽車行業中廣泛采用的黑色尼龍6。如果汽車廠商另有要求,Boge公司亦可在復合模塑工藝過程中使用尼龍6,6作為替代。
    通過混合使用三種不同形態的玻纖增強材料,Boge公司實現了對纖維取向的精確控制,既滿足了制動踏板的性能要求,又避免了材料的浪費、減少了壁厚、縮短了生產周期、降低了部件成本。
 
    工藝流程
    
    通過與德國自動化生產線制造商M.A.i. GmbH & Co. KG的合作,Boge公司為這款全熱塑性復合材料制動踏板設計了一套三步走的工藝路線,實現了1)1分鐘快速成型;2)高度自動化;3)個性訂制化。
 
    生產開始前,工作車間里先備好兩堆經過預成型的有機板和四卷單向玻纖帶。
 
    1. 生產開始時,機器人拾取一片有機板,將其移至工作臺上;同時,將單向玻纖帶裁至所需長度,置于傳送帶之上。接著,輪轉式拾放設備(Pick-and-Place)依次拾取四條單向帶,在此過程中由監控攝像頭檢查每條單向帶的質量、尺寸和位置是否符合要求。然后,設備按照程序中寫入的位置依次將單向帶貼到有機板表面,并用激光進行多點焊接,防止單向帶發生位移。
 
    此過程不間斷,直至設計方案中所有單向帶全部貼至有機板上的正確位置。整個過程完全通過數控技術實現,客戶的個性化需求可以通過調整程序充分滿足。所有環節都在攝像頭及傳感器的監控下完成,確保生產過程與設計方案完全一致。
 
    2. 而后,為保證生產效率,經過局部增強的有機板被送入紅外加熱爐進行預加熱。在此過程中,單向帶和有機板中的特殊抗氧化成分會保護樹脂系統免于熱損傷。進而,完成預熱的有機板被快速送入預成型腔,在高壓條件下彎折成U型,并保證較高的表面質量。同樣地,這個過程也全程受到質量監控。
 
    3. 最后,溫熱的預制件被轉入注塑模具,與短切玻纖增強尼龍復合材料進行復合模塑,生成包括加強筋在內的輔助幾何結構。完成脫模后,進行快速的修剪和檢查,但無需噴漆或表面處理。
 
    未來市場
 
    該全熱塑性復合材料制動踏板,尺寸為350 × 90 × 60毫米。與早先的設計方案相比,有機板用量減少了33%,名義壁厚從3毫米降至2毫米。
 
    它的重量約為金屬踏板的一半,強度與后者相近,甚至高于后者,有助于提升駕駛者的駕駛體驗;它的生產成本與鋁制踏板近似、略高于鋼制踏板。
 
    另外,每個踏板都擁有自己的專屬身份二維碼,便于日后溯源。
 
    2018年,這款全熱塑性復合材料汽車制動踏板進入量產階段,單個部件的生產周期約為1分鐘,現有生產線的年產量可達到100萬件。
 
    “隨著汽車行業逐漸向電動方向發展,制動踏板的設計也將因為電氣化集成的要求變得更加復雜,這將賦予復合材料更大的競爭力。” Häffelin博士表示。
 
 
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