22 jun. 2020
6 minuten
In een elektrische sportwagen telt elke gram. Daarom zit in de eerste elektrische sportauto die in serie wordt gemaakt, de Porsche Taycan, een rempedaal dat volledig uit kunststof is gemaakt. Het pedaal is ontwikkeld door automotive-toeleverancier Boge Elastmetall, in nauwe samenwerking met Lanxess HPM.
Het pedaal heeft zijn hoge mechanische sterkte en lage gewicht te danken aan het ontwerp in thermoplastisch composiet. De structuur bestaat uit een insert van Tepex dynalite, een continu-vezelversterkte thermoplastische composiet van Lanxess, en verschillende tapes. "De composietstructuur maakt het rempedaal 50 procent lichter dan een vergelijkbaar stalen ontwerp. Het structurele onderdeel voldoet aan de strenge belastingseisen dankzij de op maat gemaakte constructie van de vezellaag van de Tepex-insert en de extra lokale tapeversterking. Door vergaande automatisering kan het geometrisch complexe veiligheidskritische onderdeel efficiënt worden gemaakt, op een manier die geschikt is voor grootschalige productie, aldus Dr. Klaus Vonberg, een expert in lichtgewicht ontwerp de Tepex Automotive Group van Lanxess High Performance Materials (HPM) dat nauw bij de ontwikkeling van het pedaal betrokken is.
Nauwkeurige combinatie vezellagen
De volledig geconsolideerde halffabrikaten van Tepex dynalite hebben een thermoplastische matrix die typisch versterkt is met lagen doorlopend glasvezelweefsel. Het rempedaal voor de elektrische sportwagen maakt gebruik van een composietstructuur met een polyamide-6-matrix, die binnenin unidirectionele vezellagen bevat en weefsellagen met vezels die onder een hoek van 45° op de twee bekledingslagen zijn gerangschikt. De binnenste lagen geven het onderdeel zijn uitstekende trek- en buigsterkte.
Tapes zijn dunne plastic strips met unidirectioneel georiënteerde, hoge-sterkte continue vezelsystemen ingebed in de thermoplastische matrix. Meerdere tapes met glasvezelstrengen worden in het rempedaal gebruikt om de onderkant van het onderdeel te versterken. Aangezien de tapes en de Tepex-insert bestaan uit onderling compatibele kunststofmatrices, kunnen de tapes eenvoudig met een laser op de insert worden gelast. Dit resulteert in op maat gemaakte laminaten met vezellagen die de belastingspaden exact volgen en aangepast zijn aan de exacte belastingspecifieke componenteisen. De deklagen van de insert met hun 45°-vezellagen, in combinatie met de tapes aan de bovenzijde, zorgen voor de hoge torsiesterkte van het pedaal.
Vier uitvoeringen in serieproductie
"Deze op maat gemaakte vezelstructuur en de combinatie van organische platen en tapes hebben het mogelijk gemaakt om het gewicht van de rempedalen nog verder te verminderen en tegelijkertijd het uitzonderlijk hoge niveau van de mechanische eigenschappen te bereiken die een dergelijke veiligheidskritische component moet bieden", zegt Dr. Daniel Häffelin van het Innovation Center van Boge Elastmetall. Er zijn momenteel vier verschillende rempedaalontwerpen in massaproductie op basis van een volledig kunststofuitvoering. In alle uitvoeringen zijn de belastingspaden ook geoptimaliseerd voor de verschillende torsierichtingen.
Geautomatiseerd proces
De rempedalen worden in een geautomatiseerd proces vervaardigd met behulp van hybride vormen in korte cyclustijden, die geschikt zijn voor grootschalige productie. De methode integreert het plaatsen van de Tepex-insert en de tapes in het daaropvolgende spuitgietproces. De eerste productiefase bestaat uit het nauwkeurig uitlijnen van de tapes met behulp van optische meetsystemen en vervolgens het plaatsen van de tapes op de Tepex-insert zodat ze eraan kunnen worden gelast. De samenstelling wordt gethermovormd en door vervolgend ‘back-molded’ met polyamide 66.
Tepex dynalite is ook geschikt voor structurele componenten in personenauto’s, zoals in de lichtgewicht A-stijl in de Porsche 911 Cabriolet.
Constructiedelen voor e-mobiliteit
Thermoplastische composietconstructies met een vezeloriëntatie op maat krijgen nieuwe toepassingsmogelijkheden dankzij de opkomst van elektrische voertuigen. Vonberg "Voorbeelden van toepassingen voor Tepex-inserts zijn onder andere front-end-systemen en bumperbalken, beugels voor elektrische en elektronische modules, koffers en reservewiel-kasten, accubehuizingen en -kappen, structurele componenten in het ‘greenhouse’ van het voertuig en structurele bekledingen in de onderzijde om de accu’s te beschermen."
De lage CO2-‘footprint’ ten opzichte van oplossingen op basis van metaal is een andere pre die spreekt in voordeel van composietontwerp met Tepex en tapes. Thermoplastische composieten zijn niet alleen veel lichter dan dergelijke alternatieven, maar door de gebruikte hybride productiemethode kunnen ook functies zoals geleiders, houders en bevestigingsmiddelen worden geïntegreerd op een manier die gewicht, energie en kosten bespaart. Bij dit soort componenten is er geen behoefte aan tijdrovende verdere bewerkingen, zoals ontbramen of tappen na het proces, omdat dit typisch is voor metalen onderdelen.
Composiet-insert voor a-stijlen
Het potentieel van Tepex dynalite in lichtgewicht toepassingen strekt zich uit tot het ontwerp van structurele componenten in personenauto’s. Dat geldt ook voor de componenten die in het geval van een botsing aan zeer strenge eisen moeten kunnen voldoen. Een voorbeeld hiervan is een lichtgewicht A-stijl, bedoeld voor gebruik in auto’s zoals cabriolets en roadsters en voor het eerst toegepast in de Porsche 911 Cabriolet. De stijl bevat een insert van hogesterkte-staal. Deze wordt van binnenuit ondersteund door een gevormde blank van polyamide-6 gebaseerde Tepex dynalite 102-RG600(6)/47% en door een geribbelde structuur van Durethaan AKV30H2.0, gebaseerd op polyamide 66 en met korte glasvezels. De stijl is verlijmd met L&L Products L-5235-structuurschuim. De sterkte en stijfheid van de hybride insert zorgt ervoor dat de A-stijl net zo goed bestand is tegen ‘rollovers’ als eerdere ontwerpen met hoge-sterkte stalen buizen. Hij is echter ongeveer vijf kilogram lichter. De gewichtsvermindering verlaagt bovendien het zwaartepunt van de auto en dat komt de voertuigdynamiek ten goede.
SUV front-end support
Tepex dynalite kan ook worden gebruikt voor de productie van grote geïntegreerde constructiedelen. De Mercedes-Benz GLE SUV is bijvoorbeeld voorzien van een front-end support bestaande uit twee gelaste composiet schalen van PP-gebaseerde Tepex dynalite 104-RG600(3)/47%-profielen met een lengte van ongeveer 1,2 m en een breedte van 0,35 m.
Beide schaaldelen worden vervaardigd in een hybride spuitgietproces met behulp van een spuitgietgereedschap met twee holtes. Hierbij worden de op maat gemaakte composiet ‘pre-cuts’ gevormd en tegelijkertijd door spuitgieten van extra functies voorzien.
Dit sterk geïntegreerde ‘one-shot’-productieproces is zeer kosteneffectief en maakt korte cyclustijden mogelijk. De front-end support weegt ongeveer 30 procent minder dan vergelijkbare ontwerpen van plaatstaal en heeft uitstekende crashprestaties en torsiestijfheid.
De Mercedes-Benz GLE SUV is voorzien van een front-end support uit twee gelaste composiet schaaldelen van Tepex dynalite. (Foto: Mercedes-Benz)
Functionele integratie
De front-end support is het resultaat van de gezamenlijke ontwikkeling door het Mercedes-Benz Technology Center, Lanxess en andere industriële partners. De holle profieldoorsnede is, samen met de sterkte en stijfheid van het composietmateriaal, de reden voor de uitstekende crashprestaties van het onderdeel dat zo belangrijk is voor de veiligheid. De goede mechanische veerkracht blijkt ook uit het feit dat het onderdeel niet hoeft te worden versterkt met plaatmateriaal in het gebied rond de motorkapvergrendeling, zoals meestal het geval is bij puur gespuitgiete front-end supports.
De front-end support is voorzien van talrijke openingen en kanalen voor de luchttoevoer naar de motor. Deze worden gemaakt in spuitgietfase van het hybride spuitgietproces in combinatie met het daaropvolgende lassen van de twee schaaldelen. Verstevigingsribben, beugels, geleidingskanalen en -openingen voor bevestigingselementen en schroefnokken zijn eveneens direct geïntegreerd.
Het zichtbare gedeelte heeft een uitstekende visuele kwaliteit dankzij de gezamenlijke ontwikkeling van het hybride vormproces. De glasvezelstrengen zijn gelijkmatig over het oppervlak gerangschikt en doen denken aan koolstofvezel. Daarom is het is niet nodig om het onderdeel te ‘upgraden’ met kostbaar lakwerk of een corrosie-werende coating.
Toegevoegde waarde
HPM heeft de verschillende partners uitgebreid ondersteund bij de ontwikkeling van de front-end support. Zo is bijvoorbeeld een simulatie gebruikt om het ontwerp van het gereedschap en de verwerking van de verwarmde en zachte Tepex pre-cuts te optimaliseren. Deskundigen van HPM hebben ook geholpen bij de procesontwikkeling, het nemen van monsters en het opstarten van de serieproductie. De diensten die onder de noemer ‘HiAnt’ worden aangeboden, variëren van het ontwerpen van componenten en het selecteren van materialen tot het voorstellen van ontwerpen geoptimaliseerd voor de verwachte belastingen en het bieden van ondersteuning bij het ontwerpen van gereedschappen. Ook hulp om te komen tot een succesvolle start van de productie hoort daarbij.
Anderen lazen ook
