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2019車身新材料新工藝

【前沿】德國混合材料汽車零部件連接技術項目介紹

2019-7-5 16:59 140 0
簡介
【汽車輕量化在線】電動汽車資源高效輕量結構研究與技術中心(Forel平臺,Research and Technology Centre for Resource-efficient Lightweight Structures in Electric Mobility)研究了混合材料組件的連接技術,以 ...


【汽車輕量化在線】電動汽車資源高效輕量結構研究與技術中心(Forel平臺,Research and Technology Centre for Resource-efficient Lightweight Structures in Electric Mobility)研究了混合材料組件的連接技術,以應對當前輕量化設計中多樣化新材料應用這一變化,并為實現資源節約型輕量化設計提供了可能性。文中介紹了該平臺完成的四個不同的研究項目:Leika項目、Prolei項目、SamPa項目以及ReLei 項目。

Ø Leika項目:主要介紹了不同材料組合的膠鉚復合連接工藝

Ø Prolei項目:對比了直接連接和材料表面處理對連接接頭的影響。

Ø SamPa項目:主要介紹兩種用于熱塑性泡沫材料連接的嵌入元件。

Ø ReLei 項目:主要介紹便于拆卸和回收的熱鉚接膠接連接技術。

Leika項目:膠鉚復合連接工藝

 該項目中研究人員以一個集成了儲能裝置的車輛地板為例進行了演示。從連接技術的角度來看,演示器結構中出現了將各種部件(如隧道和地板)以及連接區域中的部件連接到鋼密集型周圍結構(如踏腳板)的任務。為了使新型高性能復合材料得到最佳利用,必須采用合適的的連接技術。

 研究發現當使用適當的膠粘系統時,粘合使在給定表面的界面區域內的材料得到最佳利用。在強度方面,為了保護膠接接頭不受不利的剝離荷載影響,接連過程結合了螺絲連接及額外的沖頭固定件。在該項目中,考慮了三個材料復合連接,如圖1所示:

Ø Litecor和鋼

Ø Litecor和三明治復合材料

Ø 三明治復合材料和三明治復合材料。

 Litecor[4]是一種商用的夾層材料,具有聚合物內芯和鋼制面板。三明治復合材料夾芯材料代表了項目開發和使用的三種不同版本:

ü 帶的鋼制頂層CFRP芯層

ü 具有的鎂頂層CFRP芯層

ü GFRP頂層鎂芯層。

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在篩選機械和熱連接技術組合時,可以確定潛在的連接形成連接過程,如圖1所示潛在可選用的連接技術包括盲鉚接,流鉆螺釘,半空心自沖鉚接,電阻元件和摩擦元件焊接以及盲鉚螺母。考慮到進一步的邊界條件,例如裝配順序和碳纖維和玻璃纖維的損壞,選擇了合適的膠粘劑和適當的連接技術,如圖2。

由于公差補償和表面條件的影響,選擇了聚氨酯(PU)膠粘劑對陰極浸涂座椅橫梁進行粘接。其他粘合部位使用高強度環氧樹脂(EP)膠粘劑,見圖2淺藍色部位。

盲鉚接技術是一種適用于復雜砂型材料的固定方法。盲鉚釘的細節見圖2綠色框中圖片。在顯微切片、扭轉試驗和理論分析的基礎上,進行了盲鉚釘螺母連接(圖2黃色部位)的研究。對所有節點的承載力進行了分析,并建立了碰撞模擬模型。最后,制作了真實的演示器,如圖2(右上角),證明了所選膠粘接和盲鉚鉚接復合連接的實際可行性。

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Prolei項目:直接連接和表面處理

該項目重點研究了直接連接過程、表面預處理以及用于將無接頭纖維增強塑料與金屬連接的介質載荷下的復合材料的表征。

在直接連接中,未固結的纖維增強塑料(FRP)預浸料通過可加熱工具被壓在要加固的部件上,并在此過程中硬化。基體樹脂與各連接件的表面形成材料鍵合。

表面處理方面,研究了通過鋼表面的表面改性可以優化CFRP和鋼之間的粘合的程度。除了清潔和噴砂工藝外,還研究了等離子體活化以及作為中間層的薄膜和糊狀膠粘劑。結果表明,通過清潔和噴砂工藝以及等離子體活化,不會明顯增加連接強度。僅使用擦拭底漆可以使拉伸剪切強度增加約100%。然而,由于底漆采用刷子的涂覆形式,使得該底漆不能用于大規模生產。膠粘劑的使用將拉伸剪切強度提高到超過20MPa。但需要在180°C下保持更長的保溫時間。圖3顯示了所研究的CFK-DP980復合材料組合的拉伸剪切強度的實例。對復合CFK-22MnB5進行了進一步的研究。研究發現兩者結果接近。

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在項目的下一步工作中,將進一步考慮無需表面改性以及使用薄膜粘合劑的直接連接。

作為一個對標過程,機器人引導下的碳纖維增強復合材料(CFRP)連接件與待加固鋼構件的1-C連接進行了研究。這不僅可以對直接連接進行技術評估,還可以根據生產時間、設備規格和單個零件成本等工藝固有影響因素分析經濟效益。

SamPa項目:泡沫中的螺釘連接

熱塑性顆粒泡沫(膨脹聚丙烯,EPP)是另一種用于制造創新輕質設計的有潛力的材料。在生產過程中,將小泡沫顆粒填充到模具中,通過蒸汽加熱并燒結在一起。由這種材料制成的部件的具有非常低的密度和高能量吸收。除粘接技術外,螺釘技術也可用于連接膨脹聚丙烯(EPP)制成的部件。在該部分研究中比較了市場上現有的塑料元件和新開發的金屬嵌件。新開發的金屬嵌件

兩者都是在顆粒填充模具之前,通過發泡模具中的心軸固定特定的嵌入件。對于金屬嵌件,在發泡過程中已經集成了金屬安裝點,在發泡過程中EPP顆粒燒結并且插入物完全被泡沫包圍,在發泡過程中集成了金屬安裝點,在這個工藝步驟中,金屬嵌件和EPP形成一個鎖定,如圖4所示。對于塑料嵌件,在模塑部件生產之后,塑料嵌件顯示出材料鎖定,因為塑料元件周圍的EPP也與其他顆粒一起燒結。

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在項目中根據應用中出現的載荷情況,對嵌入件進行了分析。 在金屬嵌件的設計階段,設計了不同幾何形狀的樣件,

并通過各種標準(例如制造可調性和發泡工具中的集成性)進行評估,在確定試樣后,進行了拉拔阻力和扭轉強度試驗,結果如圖5所示。

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從圖5(左)中的力 - 位移曲線可以看出,所檢查的樣件能夠達到所需的800 N力。由于在周圍的EPP材料上剪切了緊湊的聚丙烯PP,塑料嵌件失效。而金屬插件從EPP試樣中拉出而沒有損壞。由于金屬插件底面的角度,如圖4所示,在拉出載荷下,可以更大量地牽引EPP,這增加了拉出阻力。

當測試扭轉強度時,圖5(右)中,塑料嵌件的螺紋側面在約6 Nm處剪斷。同樣在本次測試中,金屬嵌件沒有顯示出任何損壞。在超過約28Nm的最大扭矩之后,EPP失效并且金屬嵌入件在EPP中旋轉。據此可將塑料和金屬嵌件應用到各自適合的結構件與泡沫組件連接中。

ReLei 項目:拆卸和回收

在該研究項目中,對具有特殊拆卸和再循環背景的FRP復合材料的各種連接技術進行了研究。在定義連接特定邊界條件(例如待連接的材料組合)、承載能力要求或接頭的可接近性之后,選擇并廣泛研究合適的連接過程。

其中,兩階段式熱鉚接與粘接相結合工藝為多材料設計的生產提供了很高的潛力。通過使用這種組件 - 整合連接技術的工藝,節省了元件成本,還可以減少額外組件的數量,從而提高了可回收性。

設計者將塑料圓頂在部件制造過程中直接集成在連接法蘭區域,如圖6(a)所示。在連接過程開始時,將預先沖壓的鋼連接部件在粘合劑施加后與熱鉚釘圓頂同軸地對準。在將待連接的部件壓在一起之后,塑料圓頂通過熱氣體噴嘴在400℃下使用空氣循環以使其軟化,如圖6(b)所示。然后在軸向力作用下的冷沖頭形成鉚釘頭,如圖6(c)所示。由于在成形過程中塑料的快速冷卻,形成了形狀和摩擦鎖定。這使得零件可以固定,直到粘合劑完全硬化,如圖6(d)所示。

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圖7中的間隔件在塑料圓頂底部區域中的額外集成不僅能夠設定確定的膠層厚度,而且還能夠改善拆卸,因為這有利于機械分離工具穿入連接點間隙。

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為了評估熱鉚接生產的接頭的機械承載能力,進行了準靜態剪切拉伸試驗,并與其他接頭進行了比較。確定的最大承載力顯示了盲鉚釘和熱鉚釘膠接接頭之間具有相當的力水平,但失效行為方面熱鉚釘頭的特點是突然撕裂而沒有殘余的承載性能,圖8。


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結論

在本文介紹的項目中,可以開發出具有各種應用可能性和特性的不同輕質材料的連接解決方案。從連接技術的生產、材料和要求合規應用開始,直至可再循環性的可持續性的。研究項目涉及了整個過程鏈的各個方面。


作者:PROF. DR.-ING. GERSON MESCHUTSEBASTIAN MEYER, M. SC., JAN DITTER, M. SC., CHRISTOPHER SCHMAL, M. SC.

輕量化在線翻譯整理

特別聲明:本文為汽車輕量化在線原創技術文章,版權歸汽車輕量化在線所有,未經作者允許禁止轉載和改寫。如需轉載請聯系編輯,微信號:qcqlhzx


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