碳纤维2021
CBS在白车身上的应用

CBS加固技术结合了金属车身元素、热塑性复合材料载体和可膨胀粘合剂,可以选择性地加固白车身的中空空间和节点/接头,与全金属解决方案相比,在更低质量、中性或更低成本的情况下提高乘客的舒适性和安全性。它还提高了NVH和耐久性,但不需要改变车辆制造顺序。图片来源:L&L产品有限公司

尽管复合材料已经在白车身(BIW)结构方面取得了一些进展,但在这一领域使用的材料长期以来一直以钢为主,最近则以铝为主。因此,汽车制造商严重依赖焊接和机械紧固件,如螺栓和螺钉来连接金属结构。虽然一般来说很坚固,但焊接接头和紧固件可能会失效。它们在改善刚度(不增加质量)或减少噪音/振动/粗糙(NVH)或通过车辆时的碰撞能量方面也没有什么作用。应对这些挑战的一种方法是使用复合材料和结构粘合剂来加固白车身的接缝和空洞。

这种解决方案的一个例子是一类称为复合体解决方案(CBS)的材料/技术。这些技术包括用于加强白车身或其他车辆底层结构的3D结构插入物、热塑性载体(具有连续或不连续纤维增强)和热激活发泡结构粘合剂。CBS元件在汽车制造的早期安装在车身车间部分,在应用电泳防锈涂料(E-coat)之前。

CBS组件通常采用2K/注塑成型工艺生产,其中载体(包含用于临时将CBS与金属白车身组件连接的焊接片或卡扣)有选择性地采用可膨胀粘合剂和额外的密封剂(在3K工艺中)进行过度成型,以增加功能。这种干-到-触摸的未固化粘合剂(基于定制的环氧化学物质)可以塑造成复杂的形状,但通过在e- coating烤炉固化过程中热诱导膨胀之前保持复合材料和金属表面之间的间隙,使e- coating覆盖金属元素。当泡沫膨胀时,载体和周围组件之间的缝隙被密封,将它们锁在一个类似盒子的“宏观结构”中,从而改善力学性能,尤其是在高动态载荷下。

在早期的车辆设计中,CBS模块可以提高白车身的局部和整体刚度,并在较低质量的情况下提高乘客的安全性和舒适性。相对于更重的全金属解决方案,它们还可以实现中性或更低的成本。最初仅用于汽车,一个不断增长的组合载体和粘合剂材料拓宽了CBS的用途,其中的亮点如下。

为性能挑战而设计

CBS技术是由L&L产品公司。(罗密欧,密歇根州。,美国)。历史悠久的汽车供应商密封剂,声学对策和增援部队提高车身性能、L&L发达的技术帮助客户加强旅客安全,满足更严格的汽车碰撞的要求以更低的成本和重量,同时提高在车辆制造加工和组装。

1995年至2004年,L&L和Gurit Essex (Wattwil, Switzerland)的合资企业CORE Products负责早期应用程序开发和CBS制造。L&L最终收购了CORE的所有资产,CORE现在作为L&L欧洲产品公司运营。

在CBS技术的初始开发和随后的扩展过程中,L&L与其材料供应商密切合作。一个这样的公司,朗盛公司(德国科隆),长期以来一直为欧洲的L&L提供复合载体材料和材料表征和模拟支持。

哥伦比亚广播公司在应用程序

除了前面提到的好处外,CBS技术还提供了更好的负荷路径转换、多轴负荷管理和能量吸收;较大的断面稳定性(抗倒塌、抗侵入);降低噪音;在更高的负载下增强了驾驶动力和碰撞性能。此外,它在车辆设计/重新设计期间提供了更快的实施时机,并且不需要在车身车间更改装配序列。由于CBS技术可以更容易地控制车身结构中的能量传递,同时最大限度地减少变形和/或侵入,因此它非常适合用于抵抗正面、侧面或后部碰撞或车顶挤压的应用,从而更好地保护乘客、乘员舱和电池。对于那些必须通过高速公路安全保险协会(IIHS, Arlington, Va., U.S.)小型重叠碰撞测试等具有挑战性的协议的结构,这种方法也很有用。

CBS增强材料是为解决局部刚度和金属疲劳问题而量身定制的解决方案,无需增加质量。

CBS值得注意的是,它是第一批模块化混合材料方法之一,易于安装,为E-coat提供了热和化学稳定性,并没有改变汽车装配顺序,但在较低质量和中性/低成本下提高了性能——这是汽车行业的圣杯。

“CBS技术的设计通用性有助于简化复杂或难以进入条件地区的组装,”Núria Ignés解释道,他是L&L products EMEA (Altorf,法国)的结构产品工程经理。“例如,在门和其他关闭装置上使用CBS技术不仅减轻了重量和增加了刚度,而且如果在设计过程的早期进行集成,还可以简化门的制造。由于CAE工具和几十年的经验,加上载体和泡沫的结合,它提供了一个健壮的依恋BIW一旦治愈,我们可以用适量的合适的材料在正确的位置来平衡刚度与质量和成本或能量吸收与声学和成本。”

L&L全球战略营销经理彼得•凯特(Peter Cate)补充道:“CBS技术真正有趣的一面是它的‘仿生’特性。”“正如骨骼中心的细胞增强杆是自然界中最有效的增加刚度和管理空心结构载荷的方法,一旦粘合剂膨胀,CBS单元以同样的方式增强车身腔体,帮助工程师在最低质量下优化结构刚度。”

“通过增加局部和整体刚度,并在整个结构中更有效地分配载荷,CBS加固是解决局部刚度和金属疲劳问题的定制解决方案,而无需增加质量,”宾夕法尼亚州匹兹堡市朗ess公司Tepex汽车业务发展经理Pal Swaminathan继续说道。,美国)。“当CBS技术集成到车身结构中时,NVH改进也很常见。再一次,仔细的工程分析允许开发和位置优化解决方案,以平衡乘坐和操纵特性。”

早期的应用程序

哥伦比亚广播公司b的应用程序。CBS技术在汽车上的早期应用,当时的PSA集团的2006 CitroënC4毕加索轿车用了9个单元来加固A柱和b柱以及后面的交叉构件。加固元件减少了12公斤的车辆重量,同时提高了乘员的安全性。黑色的材料是朗盛的复合材料,红色的是L&L的环氧泡沫塑料,银色的是附着在CBS元件上的金属体结构的一部分。

L&L在1998年首次将CBS应用于商用汽车;到2002年,这项技术获得了市场的认可。在2006年Citroën上实现了一个很好的早期示例C4毕加索来自PSA集团(巴黎,法国-现在Stellantis n.v.,荷兰阿姆斯特丹)的轿车。9个CBS组件——在a柱的下部,b柱的下部和上部,以及后轴上方的交叉构件上——与金属组件相比,车辆质量减少了12公斤。一些哥伦比亚广播公司有选择地插入增加了承载能力,并在撞击时最小化了对乘客舱的侵入,提高了乘员的安全性。其他改进的NVH性能白车身。所有载体都是由35 wt-%短玻璃/聚酰胺6 (PA6)注塑成型。2012年的福特汽车也使用了类似的CBS装置交通福特汽车公司(Ford Motor Co.,密歇根州迪尔伯恩市;,美国)。

新的载体,泡沫选项

多年来,L&L及其供应商通过新的泡沫配方、更广泛的载体树脂和增强材料,并将这一概念应用于不同的结构,扩展了CBS技术。

例如,大多数用于碰撞应用的CBS载体都采用热稳定的、30%玻璃增强的PA6,因为在复杂的3D形状中,需要在刚度和延性之间保持平衡。据报道,这两种载体被用于一款大型电动汽车平台的前纵梁,不仅简化了组装(减少了零部件数量),还减少了20%的碰撞入侵。

b强化

客车上CBS单元的其他例子包括车辆尾部(顶部)的上d环,用于提高气体弹簧板的整体刚度和局部刚度,b柱加固(底部)用于防止屈曲和金属失效,同时在侧面冲击和顶板挤压事件中减少质量和保护居住者。

为了满足更高的冲击要求,现在可以使用混合动力载体,比如2019款车身为铝合金的保时捷上的加固a柱911卡雷拉敞篷车保时捷公司(德国斯图加特)的跑车。作为一辆敞篷车,加固无顶车架对于在发生翻车时保护乘客至关重要。为了保持车辆的轻便和灵活,保时捷在a柱中用CBS插入替换了沉重的钢管滚柱。柱壳采用高强度钢生产,并通过每个柱内的CBS插入来稳定和加强。主要载体为有机板材(47 vol-%斜纹玻璃布/PA6),经预热、预成型后,注入肋材(30 wt-%短玻璃/PA6/6)复模。有机板侧携带L&L的L-5235膨胀粘合剂。这种混合动力技术不仅达到了所有的性能和重量目标(据报道,钢管结构的选择没有达到这一目标),而且还将车辆质量降低了5.4公斤,减轻了装配,减少了车辆的重心,从而改善了驾驶动力学。

对于不能使用烘箱工艺来激活膨胀胶粘剂的应用,或者在喷漆车间需要额外的支持,L&L表示,他们正在研究其他环境固化解决方案。

基于CBS的若干相关技术也已开发出来。L&L的连续复合系统(CCS)将玻璃纤维或碳纤维增强拉挤载体(例如聚氨酯(PUR))结合在一起,很快就会有它的第一个商业应用。有或没有织物或粗纱-有定制的密封胶或结构粘合剂。CCS元件还可以结合CBS部件和金属部件,在较低质量(通常比钢少75%,比铝少30%)下提高等截面结构的刚度和强度。它们耐腐蚀,不导电/电绝缘,提供低线性热膨胀系数(CLTE),并提供高度可预测的能源管理,使其成为加固整体车身车辆或车架部分结构构件,以及电动汽车电池框架的理想选择。

保时捷911的支柱加固。

2019年,保时捷推出了一种新型CBS,用于满足更高的冲击要求911卡雷拉敞篷车跑车。该系统结合了一个混合载体(左,黑色),斜纹玻璃纤维有机板(PA6)和注塑成型肋结构(短玻璃PA6/6),以及L&L的膨胀结构粘合剂(中,红色),以加强高强度钢柱外壳(右,银色)。CBS的钢筋切割质量为2.7公斤/柱,同时也提高了乘客的安全性。

复合板增强材料包括自粘、膨胀结构胶粘剂,与玻璃纤维增强材料共挤,应用于车身车间成型的金属板表面。该系统不仅提高了大型/相对无支撑板的刚度(减少波纹和屈曲),而且由于惯性矩的增加,还提高了NVH。此外,它还提供了降低面板质量和成本的机会。商业应用包括汽车门、车顶和地板、罩、挡泥板、升降门和后挡板;潜在的应用包括电池外壳。

蜂窝板增强材料采用轻质的环氧树脂-在膏状形式的手工应用或低粘度液体的自动泵送-一旦固化,可以机加工或打磨。这些设计是为了稳定蜂窝芯,主要是在飞机内部的战略位置,例如,不增加额外的质量。其他用途包括边界增强(密封/加强复合材料板边缘),插入粘接和局部加强,金属铰链/插入安装在复合材料板。

未来会发生什么

自1999年获得第一项专利以来,L&L已经为CBS技术申请了许多发明。鉴于该产品家族现有的多种载体和粘合剂选择,其应用范围从汽车扩展到卡车和航空航天也就不足为奇了。接下来是什么?

“多年来,CBS产品不断发展,以满足合并功能的新应用程序需求,”Ignés补充说。“例如,最初只是一种结构加固,后来不仅加固了,还改善了声学功能或增加了能量吸收。考虑到CBS技术提供的一系列非常理想的资产,我们预计不仅会看到汽车的使用增长,而且其他行业也会增长。”

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