Materiały termoplastyczne o dużej płynności są zazwyczaj nieco droższe niż porównywalne materiały standardowe, zapewniają jednak korzyści w zakresie obróbki, kosztów produkcji i swobody projektowania, które sprawiają, że jest to opłacalne rozwiązanie. Dobrym przykładem jest zintegrowana rama wlotu powietrza produkowana w technologii łączącej tworzywa sztuczne i metal (technologia hybrydowa) do modelu Ford Kuga (pojazd typu SUV). Oprócz stalowych paneli w produkcji narażonego na duże obciążenia elementu konstrukcyjnego wykorzystuje się Durethan BKV30H2.0EF koncernu Lanxess - wzmocniony włóknem szklanym poliamid 6 o dużej płynności. Ramę i cały moduł przedni opracowała i produkuje Montaplast GmbH, globalny dostawca części dla przemysłu motoryzacyjnego z siedzibą w Morsbach (Niemcy).
- Nasz poliamid 6 o dużej płynności można poddawać obróbce przy niższych ciśnieniach wtrysku - podkreśla Ulrich Dajek, ekspert w dziedzinie projektowania materiałów hybrydowych w Lanxess. - Dlatego do produkcji hybrydowych ram wlotu powietrza mogą być wykorzystywane mniejsze wtryskarki o mniejszych siłach zwarcia. Ma to pozytywny wpływ na koszty eksploatacji maszyn i pozwala na większą elastyczność w zakresie wyboru wtryskarki i planowania produkcji.
Cztery zintegrowane aktywne żaluzje wlotu powietrza
W ramie znajduje się aktywnie sterowana jednostka. Składa się z czterech ruchomych żaluzji, które zapewniają dopływ powietrza do układu chłodzenia silnika w zależności od zapotrzebowania. Rama zawiera metalowe wkładki wzmacniające po bokach i w górnej części, w której znajduje się narażony na duże obciążenia zatrzask klapy przedniej. Głównym zadaniem hybrydowej konstrukcji jest zapewnienie wsparcia dla układu chłodzenia i utrzymywanie go we właściwym położeniu. W ramie zintegrowane są również liczne funkcje dodatkowe, takie jak prowadnice, mocowania napędu regulacji i elementy mocujące. - Naszym inżynierom ds. rozwoju udało się zintegrować wszystkie te elementy, funkcje i powierzchnie styku w taki sposób, żeby spełnić wymagania funkcjonalne i wymagania związane z obciążeniami. Jednocześnie zadbali, żeby cały moduł przedni można było produkować w różnych, odpowiadających potrzebom danego regionu wersjach w ramach taniego, zautomatyzowanego i wydajnego procesu - wyjaśnia Horst-Dieter Haltrich, kierownik zespołu zajmującego się opracowywaniem nowych produktów w firmie Montaplast.
Bezpośrednie połączenia gwintowane o większej stabilności dzięki poliamidowi 6
Poliamid 6, tworzywo sztuczne wykorzystane w konstrukcji hybrydowej ramy, ma dwie główne zalety w porównaniu z materiałem alternatywnym, jakim jest polipropylen. Pierwszą z nich jest możliwość zastosowania bezpośrednich połączeń gwintowanych, które są tańszym rozwiązaniem niż stosowanie dodatkowych metalowych wkładek. Połączenia gwintowane zaprojektowane z użyciem poliamidu 6 są znacznie bardziej stabilne, mają dłuższą żywotność i są bardziej niezawodne niż w przypadku polipropylenu. Druga zaleta poliamidu polega na tym, że w przeciwieństwie do polipropylenu wytrzymuje obciążenia termiczne powstające podczas zamykania żaluzji.
Łatwiejsze uzyskiwanie filigranowych elementów o cienkich ściankach
Ze względu na dużą płynność poliamidu 6 możliwe jest projektowanie filigranowych elementów o cieńszych ściankach. - Możliwe było zmniejszenie grubości ścianek o około 20% w strefach narażonych na mniejsze obciążenia. W porównaniu ze standardowym poliamidem 6 o tej samej zawartości włókna szklanego pozwoliło to na znaczne zmniejszenie masy - podkreśla Ulrich Dajek. Ze względu na mniejsze ciśnienie napełniania inną zaletą materiału o dużej płynności jest możliwość produkowania elementów przy mniejszych naprężeniach, co do minimum ogranicza odkształcenia.
Kompleksowe usługi HiAnt
Specjaliści Ford, Montaplast i Lanxess ściśle ze sobą współpracowali podczas całego procesu opracowywania hybrydowej ramy, aż do momentu rozpoczęcia produkcji seryjnej. Koncern Lanxess zaoferował również swoje usługi techniczne HiAnt. W ramach jednego z kilku badań technicznych dokonano analizy topologii elementu, aby przedstawić sugestie dotyczące budowy i położenia wzmacniających żeber z poliamidu z uwzględnieniem stosownych scenariuszy obciążeń. Duże wyzwanie stanowiły również różne obliczenia i symulacje, takie jak analiza sztywności mocowania chłodnicy oraz stabilności dynamicznej, poziomu hałasu, drgań i innych uciążliwości w przypadku ramy. Przeprowadzono również symuacje dotyczące wytrzymałości na obciążenia obszaru zatrzasku wzmocnionego metalem (zatrzask klapy przedniej), jak również kilku scenariuszy obciążenia istotnych z punktu widzenia ubezpieczenia, takich jak testy obejmujące uderzenie w dolną część nogi w celu zapewnienia ochrony pieszych lub zachowanie się całego zespołu w przypadku drobnych kolizji, np. uderzenia podczas parkowania. Lanxess przeprowadził ponadto testy części prototypowej i seryjnej zgodnie ze specyfikacjami firmy Ford.
- Umieściliśmy na przykład cały zespół w komorze klimatycznej i pozwoliliśmy, by pokrył się lodem, a następnie sprawdziliśmy, czy żaluzje wlotu powietrza bez problemu się otwierają i zamykają - opowiada Ulrich Dajek.
