Autocompositi: la protezione antiurto protegge la batteria da 12 volt in caso di incidente grave

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Poiché i veicoli passeggeri alimentati in modo convenzionale diventano più elettronici e necessitano di batterie più grandi per funzionare a bordo, la protezione delle cellule in caso di incidenti gravi diventa più difficile. Mentre la struttura intorno alle batterie è già ad alta resistenza e fornisce un'adeguata protezione per i normali crash, durante i gravi crash la struttura protettiva stessa può deformare e forare la batteria, rendendola inutilizzabile. In questi casi, si desidera una protezione aggiuntiva della batteria, ma idealmente senza sacrificare il design o altre caratteristiche di sicurezza, senza aggiungere molto peso o costi, e senza ostacolare la manutenzione o la sostituzione della batteria durante la vita del veicolo. Di conseguenza, un nuovo componente, chiamato protezione antiurto per batterie, è stato sviluppato per proteggere le batterie da 12 volt più grandi in caso di incidenti gravi ed è un'applicazione in crescita per i compositi.

La già difficile norma federale statunitense FMVSS 208 (FMVSS) 208 richiede ora alle case automobilistiche di effettuare un test con un offset di 30 gradi durante il test della barriera frontale. L'impattore del test è progettato per saltare completamente i binari del telaio in modo che un angolo del paraurti prenda il colpo completo prima di essere spinto nel vano motore. I forti carichi d'urto che questo test simula hanno portato General Motors Co. (Detroit, Michigan, USA) per rinforzare i portabatterie e sviluppare schermi antiurto per batterie, che hanno lo scopo di distribuire i carichi d'urto su un'area più ampia, proteggendo così le batterie più a lungo dalla foratura e dal cortocircuito dei componenti circostanti mentre la parte anteriore del veicolo viene schiacciata. Questo consente di guadagnare tempo sufficiente per la diagnostica di bordo per rilevare l'incidente e inviare una chiamata di sicurezza "fuori bordo" ai primi soccorritori prima che la batteria smetta di funzionare - una caratteristica che salva la vita quando gli occupanti sono incoscienti o bloccati e incapaci di effettuare una chiamata. Questi scudi sono progettati per essere posizionati su vassoi metallici per batterie e avvolgere quelle porzioni dei componenti del vano motore più vicino alla batteria che la simulazione di crash ha identificato come i più probabili danni alla batteria in un grave incidente. Durante l'uso, i moduli di controllo e gli altri componenti collegati alla batteria sono appesi allo schermo e lo tengono in posizione in modo che non vi siano problemi di rumore/vibrazione/durezza. Lo schermo viene semplicemente rimosso durante la manutenzione o la sostituzione della batteria e rimesso in seguito.

Il team che lavora sul modello 2018 Buick Enclave sport utility vehicle (SUV) ha scoperto in ritardo nel ciclo di sviluppo che lo scudo in acciaio progettato per proteggere la batteria a 12 volt del camion non avrebbe superato i crash test necessari. Un'ampia analisi CAE (Computer-Aided Engineering) dopo i test di barriera e drop-silo aveva già portato gli ingegneri a sviluppare un requisito di prestazioni impegnativo per il pezzo. Per evitare costosi ritardi nell'avvio della produzione (SOP), il team Advanced Materials & Development di GM è stato chiamato a trovare rapidamente una tecnologia di sostituzione - e lo è stato rapidamente.

Era l'inizio di dicembre e c'era un altro crash test del veicolo in programma prima delle vacanze che era necessario per certificare il SUV, che doveva essere lanciato in meno di tre mesi. Prima del crash test finale del veicolo è stato necessario creare e convalidare un nuovo design, materiale e strumento dello scudo. Gli ingegneri della GM hanno esaminato i risultati dei crash test precedenti e hanno calcolato i carichi e le forze d'urto che il progetto metallico aveva sperimentato. Diversi modelli CAE aggiuntivi sono stati valutati per ulteriori casi di carico e gli input sono stati utilizzati in un'analisi della matrice Pugh 6Ʃ per sviluppare metriche chiave per la valutazione dei materiali. Il nuovo candidato dovrebbe soddisfare o superare tutte le norme federali di sicurezza, compresi i requisiti di infiammabilità (FMVSS 302), e anche soddisfare gli obiettivi di costo totale del sistema GM.

Dato il breve lasso di tempo a disposizione, i ricercatori hanno esaminato sei tipi di compound per stampaggio di lamiere strutturali commerciali (SMC) rinforzati con fibre di vetro tagliate a frazioni del peso delle fibre (FWF) del 42-49% in matrici vinilestere / poliestere insaturo e con valori di peso specifico di 1,5-1,9%. È stato ottenuto il materiale, sono state stampate le placche, sono stati tagliati i coupon di prova standard e sono stati testati i materiali. Data la severità della prova con barriera offset a 30 gradi, è stata data priorità ai materiali che mostrano un'elevata resistenza all'urto e alla perforazione nei test d'urto strumentati (Dynatup). Durante le prove d'urto, il dispositivo di simulazione è caduto a 6,6 m/s e sono state condotte prove a -40°, 23° e 125°C. Gli elevati carichi di vetro nelle qualità strutturali SMC hanno reso difficile mantenere una buona resistenza al wetout. Quando i ricercatori hanno esaminato al microscopio campioni rotti, hanno trovato una significativa estrazione di vetro dalla matrice, ma nessun vetro rotto. La diffusione dei dati di 3Ʃ è stata caratterizzata come "rumorosa e ampia" e non ha fornito i margini di sicurezza richiesti. Dal momento che non c'era tempo per riformulare, i ricercatori si sono rivolti a diverse tecnologie - vetro-mat termoplastico (GMT) composito termoplastico (GMT).

Sono state valutate tre qualità commerciali di composito rinforzato con tessuto di vetro GMTex con matrice polipropilenica della Quadrant Plastic Composites AG (QPC, una società del gruppo Mitsubishi Chemical, Lenzburg, Svizzera). Il grado più performante era di 4,3 millimetri di spessore e presentava strati multipli di stuoie di vetro intrecciate e orientate (4/1 di trama, 0/90 gradi) con un'anima di vetro tritato di 50 millimetri orientato in modo casuale. Integrando fibre sia tessute che tagliate, il materiale fornisce un laminato ad alto impatto, consistente ed omogeneo, con un FWF del 61%. Un grado intermedio aveva uno spessore di 3,0 millimetri ed era caratterizzato da un tessuto di vetro integrato con strati multipli di vetro tritato, con un FWF del 40%. Il terzo grado aveva uno spessore di 1,8 millimetri e un tessuto combinato con vetro tagliato in un laminato più sottile, con un FWF del 40%. Sebbene il GMT rinforzato con tessuto non sia nuovo e sia stato usato commercialmente nell'industria automobilistica per decenni, questa è stata la prima volta che GM o lo stampatore Continental Structural Plastics (CSP, una società del Gruppo Teijin, Auburn Hills, Michigan, USA) ha lavorato con questi compositi GMT ibridi di nuova generazione che combinano sia tessuti che tappetini di vetro tagliati.

"I due gradi più performanti hanno funzionato, la diffusione dei dati su 3Ʃ era stretta e il materiale più spesso ci ha dato un fattore di sicurezza significativo, che è quello che volevamo", spiega Kestutus "Stu" Sonta, GM material engineer-avanzato elettrificazione dei materiali, che è stato leader nel progetto di riprogettazione dello scudo.

Successivamente, i risultati dei test su piccola scala sono stati convalidati utilizzando parti a grandezza naturale per aumentare la fiducia prima del crash test finale a pieno veicolo. Un design a forma di C non ottimizzato era già stato sviluppato per valutare i materiali SMC e GMT tramite simulazione. Questo modello è stato utilizzato per tagliare rapidamente un prototipo di utensile in alluminio alla GM per modellare parti di prova preliminare nel grado di 4,3 millimetri di spessore (GMTex X103F61-4/1-0/90). Queste parti sono state poi sottoposte a prove di slittino, che fa cadere una massa da due piani ad una velocità progettata per simulare i carichi visti nel test della barriera offset a 30 gradi. La struttura impattata è un telaio molto semplificato composto da rotaie, assi e ruote, un portabatteria, una batteria strumentata ma non alimentata da 12 volt, componenti del vano motore previsti tramite simulazione per danneggiare la batteria in un grave incidente e lo scudo GMT - il tutto nella stessa posizione relativa in cui si troverebbe su un veicolo reale. Sono stati completati molti giri di prove di slittino e il team ha registrato carichi molto simili a quelli misurati con i precedenti crash test a veicolo completo, che hanno convalidato sia il concetto che la combinazione materiale/processo.

"Abbiamo modificato il nostro progetto iniziale per tenere conto delle distanze, del passaggio dei cavi e del montaggio sulla batteria", ricorda Sonta. "Per l'economia di processo, la geometria del pezzo si presta ad essere stampata come un lungo canale a sezione C, che può poi essere posizionato in un dispositivo CNC e sei pezzi di produzione da esso tagliati a getto d'acqua Egli sottolinea che si trattava di un design completamente nuovo, ottimizzato per i compositi, non di un design di metalli in cui i compositi si inseriscono a forza.

"Abbiamo anche modificato il progetto per migliorare gli angoli di pescaggio sulle pareti verticali profonde, nonché per incorporare localizzatori per il getto d'acqua e per bilanciare la carica", aggiunge Dale Armstrong, responsabile dell'ingegneria CSP e responsabile dell'elaborazione del progetto. "Lo stampaggio era semplice. Stava programmando il getto d'acqua per creare tutta la geometria di cui avevamo bisogno nella parte a rete che era un po' impegnativa. Stiamo facendo cose con questo materiale che il fornitore non aveva mai immaginato"

QPC fornisce il materiale come pezzo grezzo pretagliato di circa 930 x 500 millimetri. Ad ogni ciclo di stampaggio viene utilizzato un unico pezzo grezzo per formare la sezione C da cui vengono tagliati i pezzi di produzione. Il materiale passa dapprima attraverso un forno a infrarossi a quattro stadi presso lo stabilimento CSP di Conneaut, Ohio, e viene trasferito in una pressa a compressione a basso tonnellaggio. Una volta riscaldata, la fibra di vetro triturata nei sottotetti consolidati è circa il doppio dello spessore precedente a causa di un fenomeno chiamato ritorno elastico del vetro - in questo caso, il pezzo grezzo che entra nell'utensile ha uno spessore di quasi 9 millimetri e viene riconsolidato durante lo stampaggio. Il tempo di ciclo da pulsante a pulsante è di circa un minuto. Non sono state necessarie modifiche (tramite ritardanti di fiamma o lamine) per far passare il componente FMVSS 302.

Una delle caratteristiche interessanti di questo materiale GMT è che, a causa dell'elevato carico di vetro e degli strati tessili, ha un flusso limitato. Per questo motivo, non è tecnicamente stampato a compressione, ma viene termoformato (o pressato a caldo) a basse pressioni di formatura. "Data la natura di questo materiale, abbiamo bisogno di pochissima pressione per riconsolidarlo", aggiunge Armstrong. Poiché le pressioni di formatura sono basse e il flusso di materiale è ridotto, non sono stati necessari bordi di taglio sull'utensile.

Mantenendo semplice la progettazione di pezzi e utensili, è stato possibile creare rapidamente uno strumento di famiglia, mantenendo il progetto in linea e contenendo i costi. Prototipi e prime parti di pre-produzione sono stati stampati sull'utensile in alluminio, ma dati i volumi di produzione del veicolo, GM ha optato per l'acciaio P20 su utensili di produzione per la longevità. Laval International (Tecumseh, Ontario, Canada) ha prodotto questo strumento.

La parte finale ha uno schienale piatto e due flange che si staccano a 90 gradi con dimensioni di circa 187 x 142 x 161 millimetri e una parete nominale di 4,0 millimetri. Le migliori stime sono che il design del composito pesa il 75% in meno e costa il 60% in meno di uno schermo metallico con prestazioni paragonabili. Nonostante la velocità con cui il progetto è andato avanti, il team concorda sul fatto che sia il processo che il design hanno funzionato come previsto, e i nuovi scudi hanno superato i crash test a pieni voti, fornendo una protezione aggiuntiva ai sistemi di sicurezza chiave.

Protezione della batteria ancora migliore

Integrazione di fibre intrecciate e tagliate