Определите подходящие методы соединения для методов строительства из нескольких материалов

Автор: Кузин Дмитрий [email protected].

Публикация: 2025-03-13 18:51.

Последние изменения: 2025-03-13 18:51

Разработки в области автомобилестроения все чаще связаны с проблемами перехода от использования ископаемого топлива к электрификации трансмиссии. В связи с растущей динамикой в политической среде и растущими нормативными требованиями все большее внимание уделяется облегченным решениям в качестве ключевой технологии для выполнения требований законодательства и требований клиентов.

Комплексная концепция легкой конструкции

Совместный проект HigHKo, финансируемый Федеральным министерством экономики и энергетики (BMWi), был направлен на решение этих проблем в области легкого строительства. Совместно с партнерами по проекту Porsche AG, ElringKlinger AG и Fraunhofer IPA была разработана концепция облегченной конструкции, которая учитывала требования основных компонентов системы, таких как аккумуляторная система, шасси и корпус, на ранней стадии, чтобы можно было добиться значительного снижения веса. В дополнение к материальным инновациям это также включало интеграцию новых процессов и объединение технологий.

клей

Экспертная дискуссия по склеиванию - создание надежных электродвигателей вместе

В центре внимания инновационных концепций транспортных средств, легкая конструкция становится все более важной, поскольку она предлагает значительный потенциал снижения массы и, следовательно, может обратить вспять так называемую весовую спираль в конструкции автомобиля [1]. Растущая потребность в повышении безопасности, повышении комфорта и улучшении характеристик вождения привела к постоянному увеличению веса транспортного средства [1, 2, 3, 4]. Легкая конструкция особенно актуальна для электромобилей, которые имеют значительно больший вес, чем сопоставимые транспортные средства с двигателем внутреннего сгорания [5], причем на модуль батареи приходится значительная доля общего веса транспортного средства.

Из-за большего веса аккумуляторных элементов необходимо укрепить конструкции окружающих их корпусов, что, в свою очередь, приводит к появлению спирали веса, что, в свою очередь, оказывает негативное влияние на радиус действия электромобилей [5, 6]. Поэтому для экономического успеха новых приводов необходимо добиться увеличения диапазона за счет значительного снижения веса. В частности, кузов, на который приходится около трети веса всего транспортного средства, обладает большим потенциалом [2, 3].

Четыре опоры легкой конструкции

Для разработки соответствующих легких конструкций в автомобильной технике были установлены четыре опоры легкой конструкции [2]. К ним относится, с одной стороны, легкая конструкция, которая стремится минимизировать вес за счет оптимизации формы и топологии, благодаря чему структура остается равномерно жесткой при незначительном использовании материала [2, 4, 7]. В облегченной конструкции вес уменьшается за счет систематического исключения ненужных компонентов, таких как запасное колесо или несущие несущие конструкции [2, 4]. Кроме того, используется легкое производство, в котором потенциалы снижения веса достигаются посредством процессов изготовления, изготовления и сборки, таких как использование листов и профилей с оптимизированной толщиной [2, 7]. Четвертый подход - легкая конструкция,что позволяет снизить вес за счет использования легких материалов (рис. 1), таких как алюминий, магний или волокнистые композитные пластики (FRP) [8].

Однако в автомобильной промышленности замена традиционных металлических конструкций современными легкими материалами, такими как углепластики (CFRP), в будущем не будет полезна из-за высоких материальных затрат. Рычагом снижения высоких затрат на методы конструирования из чистого FRP является использование многокомпонентных или смешанных методов конструирования, которые позволяют различным материалам внутри компонента работать вместе таким образом, который подходит для нагрузки и функционирования [9, 10]. Здесь выбирается материал, который с учетом экономических и производственно-технических требований оптимально удовлетворяет требованиям, предъявляемым к соответствующему компоненту кузова автомобиля с минимальным весом [4, 10]. Простое снижение массы при реализации смешанной конструкции - не единственное преимуществоКомбинация различных материалов, в дополнение к снижению веса, также обеспечивает значительное улучшение требуемых свойств механических компонентов. Например, нагрузки могут быть поглощены конструкционными компонентами с высокой нагрузкой за счет местного использования углепластика [1].

Технология соединения как фактор успеха для смешанного строительства

Тем не менее, многочисленные преимущества смешанной конструкции сталкиваются с серьезными проблемами, в связи с чем технология соединения между иностранными материалами является центральной проблемой. Например, определенные комбинации материалов в основном исключают определенные процессы соединения [9]. Точки введения силы и области перехода, где встречаются различные материалы, также имеют решающее значение [2, 8]. Здесь важно учитывать проблемы, вызванные расходящимися свойствами материала, такими как различное тепловое расширение, контактная и щелевая коррозия [9]. Для технологии соединения приоритетным является то, что преимущества смешанной конструкции не связаны с неблагоприятными последствиями неадекватных процессов соединения, таких как увеличение веса,низкая жесткость или прочность могут быть выровнены в области сустава [2].

Легкий сборник

Собирайте идеи для облегченного строительства

Эти препятствия дают понять, что опыт в области классических процессов соединения не может быть перенесен в мультиматериальные системы [2]. Поэтому выбор и использование подходящих для материалов процессов соединения имеют особое значение, так что конкретные свойства материала могут быть оптимально использованы [8, 9].

В настоящее время различные технологии соединения используются для создания прочных, постоянных связей между компонентами кузова (см. Рис. 2). В рамках концепций облегченной конструкции и связанного с этим метода смешанной конструкции процессы термического соединения, такие как сварка, достигают своих пределов или не могут использоваться. В этом контексте различные температуры плавления, температурные сопротивления и расходящиеся коэффициенты теплопроводности нематериальных материалов оказывают неблагоприятное влияние на их способность к тепловому соединению [11]. Кроме того, из-за различных коэффициентов теплового расширения присоединяющихся партнеров могут возникать напряжения и искажения компонента, которые связаны с потерей точности размеров и функциональности компонента.

Альтернативные механические процессы соединения

Альтернативы предлагаются с помощью механических процессов соединения, таких как заклепки с перфорацией или зажимы, которые подходят в качестве методов с низким искажением для положительного и не положительного соединения критически важных по размеру сборок [12]. Одним из основных преимуществ этих процессов является то, что из-за недостаточного подвода тепла различные материалы можно соединять экономически эффективным и энергоэффективным способом, сохраняя при этом их соответствующие свойства материала [11].

Ставить

Универсальные технологии соединения

Другой метод соединения при низкотемпературном соединении - это склеивание, с помощью которого практически все технически пригодные материалы могут быть соединены друг с другом в форме материала. Соединение, создаваемое адгезией, создается очень осторожно, поскольку процесс склеивания не требует ни чрезмерного нагрева, например, во время сварки, ни структурно ослабляющих отверстий, таких как клепка. Обычно клей большой площади также обеспечивает равномерное распределение напряжений в компоненте и может показать преимущества с точки зрения структурного демпфирования [13].

В дополнение к процессам, упомянутым выше, гибридные технологии соединения, которые сочетают использование клеев с процессами механического соединения, стали применяться в кузовах автомобилей со смешанным кузовом [1, 4, 7, 12]. Такие гибридные соединения особенно соответствуют профилям требований для технологии соединения в конструкции «корпус в белом» в отношении жесткости, прочности и поглощения энергии даже в случае аварии [12, 14].

Методология выбора процессов соединения

В смешанном строительстве выбор наиболее эффективных методов соединения с учетом требований к конструкции и материалам ставит перед разработчиком серьезные проблемы в процессе разработки. В настоящее время процесс отбора внутри компании в основном основан на личных знаниях и опыте сотрудника с помощью текстовых инструментов, таких как специальная литература или строительные каталоги. Эта процедура не только трудоемка и неэффективна, но также непрозрачна и не воспроизводима. Чтобы систематизировать этот процесс, Fraunhofer IPA разработала основанное на базе данных приложение JoinIT, которое предоставляет методологию для выбора подходящих технологий соединения в качестве базы данных знаний с учетом различных уровней морфологической производственной системы.

Приложение основано на базе данных, которая в качестве основы включает процессы соединения согласно DIN 8593. В процессе итеративного выбора путем определения влияющих факторов, которые составляют задачу присоединения, партнеров по присоединению, геометрии точки присоединения и других требований для задачи присоединения, можно найти подходящие пути решения путем сравнения соответствующих характеристик технологии соединения (см. Рис. 3).

Классификация материалов в соответствии со стандартами DIN

Основой разработанной методологии выбора является определение участвующих партнеров, участвующих в проекте, с точки зрения материала, при котором в дополнение к классическим строительным материалам, таким как металлы и пластик, учитываются типы материалов из керамики, а также композитные и древесные материалы. Классификация материалов соответствует систематике в соответствии со стандартами DIN в соответствии с классами материалов, группами и номерами. Таким образом, процесс выбора может быть основан на определенном пути иерархии материалов, как на уровне вышестоящих классов материалов, так и групп до соответствующих номеров материалов.

В дополнение к соединяемым материалам, свойства поверхности соединяемых деталей имеют решающее значение для процесса соединения. Это делает необходимым также интегрировать методы обработки поверхности (например, взорвали, отполировано), поверхностное упрочнение (например, пламенно-закаленный, лазерно-лучевой закаленный) и поверхностное покрытия (например, оцинкованный, с порошковым покрытием) частей, подлежащие соединению в методологию. Процедуры, принятые во внимание в отношении трех подразделов, были определены с использованием специальной литературы.

Многокомпонентная конструкция

Соединить пластмассы с листами магния путем литья под давлением

Геометрические требования учтены

Геометрические требования к соединению также включены в методологию для дальнейшего уточнения выбора. К ним относятся типы соединений, обычно используемых для соединения (например, стыковое соединение, соединение внахлест) и требования, касающиеся доступности соединения (односторонние, двусторонние).

В дополнение к характеристике партнера по присоединению и точки присоединения, процесс отбора может быть дополнительно систематизирован путем указания дополнительных требований для задачи присоединения. Это включает технические, экономические и экологические аспекты и их соответствующие характеристики, выбор которых основан на стандартах DIN, строительных каталогах и специальной литературе. Технические требования относятся, например, к типам нагрузки на соединение (например, растягивающая нагрузка, сдвиговая нагрузка), требованиям к сопротивлению среды (например, маслостойкости, устойчивости к брызгам воды) или требованиям к герметичности среды (например, воздухонепроницаемым, водонепроницаемым). Экономические требования включают, например, автоматизируемость технологии соединения (например, частично автоматизированную,полностью автоматизирован) или масштабируемость количества соединяемых деталей в год. Экологические аспекты, например, обобщают требования в отношении выбросов (например, с низким уровнем шума, без излучения) или потребления энергии (например, с низким, высоким).

Программная реализация приложения JoinIT

Разработанная методология отбора была отображена в архитектуре базы данных и заполнена первыми данными о примерных проектах присоединения. Затем приложение на основе базы данных JoinIT было реализовано в форме динамического веб-приложения. Графический интерфейс пользователя веб-приложения (см. Рис. 4) более подробно описан ниже.

Как часть процесса выбора, оператор сначала определяет присоединяющихся партнеров (1). При выборе части, которая должна быть описана в каждом случае, открывается раскрывающееся меню (2), в котором может быть получена необходимая информация в соответствии со способом выбора. Выбор материала происходит в структурированном процессе по пути иерархии сохраненного материала до желаемого уровня детализации (3). Затем соединяемые детали можно охарактеризовать более подробно, указав дополнительные требования в отношении толщины материала и его обработки поверхности. Числовая информация, такая как толщина материала, устанавливается с помощью ползунковых элементов управления (4), в то время как информация с булевыми значениями, например, конкретное покрытие поверхности определяемого партнера по присоединению, активируется с помощью флажков (5). Если запрос не может быть ограничен во время поиска, в этом поле не делается никаких записей.

Сварка трением с перемешиванием

Соединение с использованием трения и давления

Разнообразное сужение требований

После подробного определения присоединяющихся партнеров выбор может быть ограничен в соответствии с методологией путем предоставления дополнительной информации о геометрическом типе присоединяемого соединения, а также о технических, экономических и экологических требованиях для задачи присоединения (6). В смысле четкого внешнего вида и высокого уровня удобства для пользователя индивидуальные требования присваиваются кластерам, возможные характеристики которых сведены к минимуму (7). Только когда выбран конкретный кластер, открывается раскрывающееся меню (8) с сохраненными характеристиками, в результате чего входные данные могут быть выполнены аналогичным образом с использованием ползунковых регуляторов (например, термостойкость) и флажков (например, маслостойкость).

Поиск результатов в процессе отбора основан на принципе исключения. Алгоритм поиска сравнивает записи в базе данных на соответствие выбранным требованиям в режиме реального времени. Каждое определенное требование, которое не удовлетворяется процессом объединения, приводит к немедленному исключению соответствующего процесса объединения в отображении результатов.

Удобный и понятный

Количество решения представляется разработчику, указав ссылку на объединение проектов, хранящихся в базе данных, в поле результата (9). С помощью ссылки можно подробно ознакомиться с эталонными проектами решения с их подробностями, касающимися описания процесса и возможных ответственных сотрудников в компании.

Результаты приложения на основе базы данных представлены в соответствии с методом интернет-магазина, который характеризуется высокой степенью удобства и простоты использования благодаря простому и последовательному выбору и отмене выбора требований, а также оперативному обновлению количеств решения в поле результатов. Таким образом, процедура предлагает значительные преимущества в области требований к времени, интуитивности, множественного выбора и коррекции ввода.

Методическая и воспроизводимая процедура

Технология соединения различных материалов представляет собой особую проблему для конструкции «тело в белом» в смешанной конструкции и всех гибридных компонентных конструкций, поскольку соответствующая комбинация материалов требует или исключает использование различных технологий соединения. Важнейшим фактором успеха является наиболее эффективный выбор в процессе разработки с учетом требований к конструкции и материалам с учетом целевых параметров функции, качества и экономии. Чтобы упростить этот процесс выбора на этапе разработки и проектирования, было разработано компьютерное приложение JoinIT, которое обеспечивает методическую и воспроизводимую процедуру выбора подходящих процессов соединения в многокомпонентных системах. JoinIT должен использоваться за пределами основного исследовательского проекта и как общедоступная база данных знаний, чтобы облегчить третьим сторонам выбор подходящих методов объединения.

Процесс литья под давлением

Инженеры IWS создают современные легкие детали для самолетов

благодарение

Совместный проект HigHKo - концепция высокоинтегрированных задних автомобилей была профинансирована в рамках программы финансирования «Повышение эффективности транспортных средств» за счет средств Федерального министерства экономики и энергетики (BMWi) и под надзором агентства по управлению проектами Mobility and Traffic Technologies (TÜV Rheinland). Авторы благодарят BMWi за предоставленное финансирование и агентство по управлению проектами и всех участвующих партнеров консорциума за их поддержку.

Библиография

[1] Гуде, М.; Мещут, Г.; Täh, MF & Lieberwirth, H. (2015). Возможности и проблемы в ресурсосберегающей облегченной конструкции для электромобильности. Форелевое исследование.

[2] Бек, FU (2013). Технология соединения конструкционных CFRP-Al смешанных соединений в автомобильной технике. Геттинген: Кювилье Верлаг. Доступно по адресу:

[3] Мешут Г. и Огенталер Ф. (2015). Гибридное соединение композитных конструкций из армированных волокном пластиков с металлическими полуфабрикатами. Финальный отчет IGF.

[4] Резер, М.; Йост, Р.; Пятница, В.; Пейтц, В.; Piccolo, S.; Brüdgam, S.; Мещут, Г.; Кутинг, Дж.; Hahn O. & Timmermann R. (2003). Оптимизация системы соединения для производства смешанных методов строительства из комбинаций материалов сталь, алюминий, магний и пластик. Окончательный публичный отчет по проекту BMBF.

[5] Köth, C.-P. (2020). Volkswagen: «Мы инвестируем в доступную легкую конструкцию вместо дорогих элементов батареи». Доступно по адресу: https://www.automobil-industrie.vogel.de/volkswagen-wir-investieren-in-bezahlbaren- Leichtbau-statt-in-teure-batteriezellen-a-904626 /

[6] Стратманн Т. (2019). Электрическая мобильность как прорывная инновация. Проблемы и последствия для известных автопроизводителей. Майнц: Спрингер Габлер.

[7] Henning F. & Moeller E. (ed.) (2011). Руководство по легкой конструкции. Методы, материалы, изготовление. Мюнхен: Карл Хансер.

[8] Клозе П. (2008). Экономичные легковесные конструкции для больших серий. Целостный подход. В: Легкий дизайн 4/2008, с. 28-33.

[9] Prüß, H.; Stechert, C. & Vietor, T. (2010). Методология выбора технологий соединения в многокомпонентных системах. 21. В кн.: Симпозиум DfX 2010. С. 1-13.

[10] Сахр, С.; Berger L. & Lesemann, M. (2010). Систематический подбор материалов для кузова Superlight-Car. В кн.: АТЗ 05 112-й год, с. 341-347.

[11] Дитрих Дж. (2013). Практика формирования технологий. Формовочные и режущие процессы, инструменты, машины. Висбаден: Springer Vieweg.

[12] Koll S. (2008). Цельные заклепки и зажимы хорошо сочетаются друг с другом. Доступно по адресу:

[13] Klingen, J. (2019). Технология клеевого соединения. Руководство по современному и безопасному процессу склеивания в промышленности и торговле. Вайнхайм: Wiley-VCH.

[14] Нельсон А. (2019). Моделирование и конечно-элементный расчет положительных и материальных соединений. В кн.: Университетская пресса Касселя.

[15] Audi AG (2017). Новая Ауди А8. Технология подключения. Доступно по адресу:

* Томас Гетц и доктор-инж. Марко Шнайдер, Фраунгоферский институт машиностроения и автоматизации IPA