Autocomposites: Schlagschutz schützt 12-Volt-Batterie bei starkem Crash

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#Neues aus der Industrie

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Da herkömmlich angetriebene Personenkraftwagen immer elektronischer werden und größere Batterien benötigen, um Bordsysteme zu betreiben, wird der Schutz der Zellen bei schweren Unfällen schwieriger. Während die Struktur um die Batterien herum bereits hochfest ist und einen ausreichenden Schutz für normale Crashs bietet, kann sich die Schutzstruktur selbst bei schweren Crashs verformen und die Batterie durchbohren, was sie inoperabel macht. In solchen Fällen ist ein zusätzlicher Batterieschutz erwünscht, idealerweise jedoch ohne Beeinträchtigung des Designs oder anderer Sicherheitsmerkmale, ohne viel Gewicht oder Kosten zu verursachen und ohne die Wartung oder den Austausch der Batterie während der Lebensdauer des Fahrzeugs zu beeinträchtigen. Aus diesem Grund wurde ein neues Teil, ein so genannter Batterie-Impakt-Schutz, entwickelt, um größere 12-Volt-Batterien bei schweren Unfällen zu schützen, und ist eine wachsende Anwendung für Verbundwerkstoffe.

Der ohnehin schon schwierige U.S. Federal Motor Vehicle Safety Standard (FMVSS) 208 verlangt von den Automobilherstellern nun, dass sie bei der Prüfung der Frontschranken mit einem Versatz von 30 Grad testen. Der Prallbrecher des Tests ist so konzipiert, dass er die Rahmenschienen völlig verfehlt, so dass eine Ecke des Stoßfängers den vollen Anschlag erfährt, bevor er in den Motorraum geschoben wird. Die schweren Crashbelastungen, die dieser Test simuliert, haben General Motors Co. (Detroit, Mich., USA), um Batteriefächer zu verstärken und Batterieaufprallschutzschilde zu entwickeln, die dazu dienen, Crashlasten auf eine größere Fläche zu verteilen und so Batterien länger vor dem Durchstechen und Kurzschließen durch umgebende Komponenten zu schützen, wenn das Fahrzeugfrontend zerkleinert wird. Dies verschafft genügend Zeit für die Onboard-Diagnose, um den Unfall zu erkennen und einen "Offboarding"-Sicherheitsruf an die Ersthelfer zu senden, bevor die Batterie nicht mehr funktioniert - eine Funktion, die Leben rettet, wenn die Insassen bewusstlos oder festgehalten sind und keinen Anruf tätigen können. Diese Schutzschilde sind so konzipiert, dass sie auf metallischen Batterieträgern sitzen und die Teile der Batterie um die nächstgelegenen Komponenten des Motorraums wickeln, die die Crashsimulation als am ehesten geeignet identifiziert hat, die Batterie bei einem schweren Unfall zu beschädigen. Im Gebrauch hängen Steuermodule und andere Komponenten, die mit der Batterie verbunden sind, vom Schirm ab und halten ihn an seinem Platz, so dass es keine Probleme mit Lärm, Vibrationen und Rauheit gibt. Bei Wartung oder Batteriewechsel wird der Schirm einfach entfernt und danach wieder zurückgesetzt.

Das Team, das am Modelljahr 2018 Buick Enclave Sport Utility Vehicle (SUV) arbeitete, fand spät im Entwicklungszyklus heraus, dass der Stahlschild zum Schutz der 12-Volt-Batterie des Lkw die erforderlichen Crashtests nicht bestehen würde. Umfangreiche computergestützte Engineering (CAE)-Analysen nach Barriere- und Drop-Silo-Tests hatten die Ingenieure bereits veranlasst, eine anspruchsvolle Leistungsanforderung an das Bauteil zu entwickeln. Um kostspielige Verzögerungen beim Produktionsstart (SOP) zu vermeiden, wurde das Advanced Materials & Development Team von GM hinzugezogen, um schnell eine Ersatztechnologie zu finden - und zwar schnell.

Es war Anfang Dezember und es gab einen weiteren Fahrzeug-Crash-Test vor den Feiertagen, der notwendig war, um das SUV zu zertifizieren, das in weniger als drei Monaten auf den Markt kommen sollte. Ein neues Schilddesign, Material und Werkzeug musste vor dem letzten Fahrzeugcrash-Test erstellt und validiert werden. Die GM-Ingenieure überprüften frühere Crashtestergebnisse und berechneten Lasten und Aufprallkräfte, die die metallische Konstruktion erfahren hatte. Mehrere zusätzliche CAE-Modelle wurden für zusätzliche Lastfälle evaluiert und Eingaben wurden in einer 6Ʃ Pugh-Matrixanalyse verwendet, um Schlüsselkennzahlen für die Materialbewertung zu entwickeln. Der neue Kandidat müsste alle Bundessicherheitsvorschriften, einschließlich der Anforderungen an die Entflammbarkeit (FMVSS 302), erfüllen oder übertreffen und auch die Kostenziele des Gesamtsystems von GM erfüllen.

Angesichts des kurzen Zeitrahmens untersuchten die Forscher sechs handelsübliche Strukturfolien-Formmassen (SMC), die mit gehacktem Glasfasergewebe bei Fasergewichtsfraktionen (FWF) von 42-49 Prozent in Vinylester/ungesättigten Polyestermatrizen und mit spezifischen Gewichtswerten von 1,5-1,9 verstärkt wurden. Material wurde beschafft, Plaketten wurden geformt, Standard-Testcoupons wurden geschnitten und Materialien getestet. Angesichts der Schwere des 30-Grad-Versatz-Barrieretests wurden Materialien mit hoher Schlagzähigkeit und Durchstoßfestigkeit bei instrumentierten (Dynatup) Schlagprüfungen priorisiert. Während der Schlagtests fiel der Schlagkörper mit 6,6 m/s und die Tests wurden bei -40°, 23° und 125°C durchgeführt. Hohe Glasbelastungen in den strukturellen SMC-Typen erschwerten eine gute Benetzung. Als die Forscher zerbrochene Proben mikroskopisch untersuchten, fanden sie einen signifikanten Glasauszug aus der Matrix, aber kein Glasbruch. Die Datenspreizung von 3Ʃ wurde als "laut und breit" bezeichnet und bot keine geforderten Sicherheitsmargen. Da es keine Zeit zum Neuformulieren gab, wandten sich die Forscher anderen Technologien zu - dem Glasmatten-Thermoplastik-Verbund (GMT).

Es wurden drei handelsübliche GMTex-Glasgewebe-verstärkte Verbundwerkstoffe mit einer Polypropylenmatrix der Quadrant Plastic Composites AG (QPC, ein Konzernunternehmen von Mitsubishi Chemical, Lenzburg, Schweiz) bewertet. Die leistungsstärkste Sorte war 4,3 Millimeter dick und bestand aus mehreren Schichten von gewebten, orientierten Glasmatten (4/1-Gewebe, 0/90 Grad) mit einem Kern aus zufällig orientiertem, 50 Millimeter starkem Schnittglas. Durch die Integration von gewebten und geschnittenen Fasern bietet das Material ein hochwirksames, gleichmäßiges und homogenes Laminat mit einem FWF von 61 Prozent. Eine Zwischenqualität war 3,0 Millimeter dick und bestand aus einem Glasgewebe, das mit mehreren Schichten Schnittglas integriert war, mit einem FWF von 40 Prozent. Die dritte Sorte war 1,8 Millimeter dick und kombinierte Gewebe mit Hackglas in einem dünneren Laminat mit einem FWF von 40 Prozent. Obwohl gewebeverstärktes GMT nicht neu ist und seit Jahrzehnten kommerziell in der Automobilindustrie eingesetzt wird, war dies das erste Mal, dass entweder GM oder Molder Continental Structural Plastics (CSP, ein Unternehmen der Teijin-Gruppe, Auburn Hills, Michigan, USA) mit diesen GMT-Verbundwerkstoffen der nächsten Generation gearbeitet haben, die Gewebe und Glasschneidematten kombinieren.

"Die beiden leistungsstärkeren Qualitäten arbeiteten, die 3Ʃ-Datenverteilung war eng und das dickste Material gab uns einen signifikanten Sicherheitsfaktor, was wir wollten", erklärt Kestutus "Stu" Sonta, GM-Materialingenieur für fortschrittliche Materialelektrifizierung, der Materialführer beim Projekt zur Neugestaltung des Schildes war.

Anschließend wurden die Testergebnisse in kleinem Maßstab mit Originalteilen validiert, um das Vertrauen vor dem letzten Crash-Test im Gesamtfahrzeug zu erhöhen. Ein nicht optimiertes C-förmiges Design wurde bereits entwickelt, um SMC- und GMT-Materialien mittels Simulation zu bewerten. Mit diesem Modell wurde bei GM ein Prototyp eines Aluminiumwerkzeugs schnell geschnitten, um vorläufige Testteile in der 4,3 Millimeter dicken Qualität (GMTex X103F61-4/1-0/90) zu formen. Diese Teile wurden dann einem Schlittenversuch unterzogen, bei dem eine Masse aus zwei Stockwerken mit einer Geschwindigkeit fallen gelassen wurde, die dazu dient, die Belastungen zu simulieren, die im 30-Grad-Versatz-Barrieretest auftreten. Die betroffene Struktur ist ein stark vereinfachtes Chassis, bestehend aus Schienen, Achsen und Rädern, einer Batteriewanne, einer instrumentierten, aber nicht angetriebenen 12-Volt-Batterie, Motorraumkomponenten, die mittels Simulation vorhergesagt wurden, um die Batterie bei einem schweren Unfall zu beschädigen, und dem GMT-Schild - alle in der gleichen relativen Position, in der sie sich auf einem realen Fahrzeug befinden würden. Viele Schlittenversuche wurden abgeschlossen und das Team registrierte sehr ähnliche Belastungen wie bei früheren Vollfahrzeug-Crashversuchen, die sowohl das Konzept als auch die Material/Prozesskombination bestätigten.

"Wir haben unser ursprüngliches Design optimiert, um Abstände, Kabelführung und Anpassung an die Batterie zu ermöglichen", erinnert sich Sonta. "Für die Prozessökonomie bietet sich die Geometrie des Bauteils an, als langer C-Profilkanal geformt zu werden, der dann in eine CNC-Vorrichtung eingesetzt und sechs Produktionsteile per Wasserstrahl daraus geschnitten werden können." Er betont, dass es sich um ein völlig neues Design handelte, das für Verbundwerkstoffe optimiert wurde, nicht um ein Metalldesign, in das Verbundwerkstoffe eingepresst wurden.

"Wir haben auch das Design modifiziert, um die Tiefgangswinkel an diesen tiefgezogenen vertikalen Wänden zu verbessern, sowie um Locatoren für das Wasserstrahlen zu integrieren und die Ladung auszugleichen", fügt Dale Armstrong, CSP-Engineering-Manager und Verarbeitungsleiter des Projekts hinzu. "Das Formen war einfach. Es war die Programmierung des Wasserstrahls, um die gesamte Geometrie zu erstellen, die wir für das Net-Shape-Teil benötigten, was eine gewisse Herausforderung darstellte. Wir machen Dinge mit diesem Material, die der Lieferant sich nie vorgestellt hat."

QPC liefert das Material als vorgeschnittenen Rohling von ca. 930 x 500 Millimetern. Mit jedem Formzyklus wird aus einem einzigen Rohling das C-Profil gebildet, aus dem die Produktionsteile geschnitten werden. Das Material durchläuft zunächst einen vierstufigen Infrarotofen im CSP-Werk Conneaut, Ohio, und wird zu einer benachbarten, niedertönigen Verdichtungspresse transportiert. Beim Erwärmen wird die Glashackschnitzelfaser im verdichteten Rohling aufgrund eines Phänomens namens Glasrückfederung etwa doppelt so dick wie bisher - in diesem Fall ist der in das Werkzeug eintauchende Rohling fast 9 Millimeter dick und wird beim Formen rückverfestigt. Die Zykluszeit von Knopf zu Knopf beträgt etwa eine Minute. Es war keine Modifikation (über Flammschutzmittel oder Folien) erforderlich, damit das Bauteil die FMVSS 302 passieren konnte.

Eine der interessanten Eigenschaften dieses GMT-Materials ist, dass es sowohl aufgrund der hohen Glasbelastung als auch aufgrund der textilen Schichten einen begrenzten Durchfluss aufweist. Aus diesem Grund wird es nicht technisch formgepresst, sondern unter niedrigen Umformdrücken thermogeformt (oder warmgepresst). "Angesichts der Beschaffenheit dieses Materials benötigen wir nur sehr wenig Druck, um es wieder zu verdichten", fügt Armstrong hinzu. Da die Umformdrücke gering sind und der Materialfluss gering ist, waren keine Scherkanten am Werkzeug erforderlich.

Durch die einfache Gestaltung von Teilen und Werkzeugen wurde schnell ein Familienwerkzeug entwickelt, das das Projekt auf Kurs hält und die Kosten niedrig hält. Prototypen und frühe Vorserienteile wurden auf dem Aluminiumwerkzeug gegossen, aber angesichts der Fahrzeugproduktionsmengen entschied sich GM für P20-Stahl auf dem Produktionswerkzeug für eine lange Lebensdauer. Laval International (Tecumseh, Ontario, Kanada) produzierte dieses Werkzeug.

Das Endteil hat eine flache Rückseite und zwei Flansche, die sich im 90-Grad-Winkel lösen, mit Abmessungen von etwa 187 x 142 x 161 Millimetern und einer Nennwand von 4,0 Millimetern. Beste Schätzungen sind, dass das Verbunddesign 75 Prozent weniger wiegt und 60 Prozent weniger kostet als ein vergleichbarer Metallschild. Trotz der Geschwindigkeit, mit der das Projekt vorankam, ist sich das Team einig, dass sowohl der Prozess als auch das Design wie erwartet funktionierten, und die neuen Schilde bestanden die Crashtests mit Bravour und boten zusätzlichen Schutz für wichtige Sicherheitssysteme.

Integration von gewebten und gehackten Fasern