W samochodzie sportowym zasilanym energią elektryczną liczy się każdy gram. Dlatego też w pierwszym masowo produkowanym pojeździe w tym segmencie wykorzystano pedał hamulca wykonany w całości z tworzywa sztucznego.

Ten wyjątkowo ważny dla bezpieczeństwa jazdy komponent opracowała firma BOGE Elastmetall GmbH, globalny dostawca rozwiązań z zakresu technologii wibracji i zastosowań plastików w przemyśle samochodowym – w ścisłej współpracy z LANXESS High Performance Materials (HPM). Swoją wytrzymałość mechaniczną i bardzo niską wagę hamulec zawdzięcza termoplastycznemu kompozytowi. W jego konstrukcji wykorzystano wkład z laminatu Tepex dynalite – termoplastycznego kompozytu z ciągłych włókien produkowanego przez koncern LANXESS, jak również kilka taśm wzmacniających.

– Budowa kompozytowa sprawia, że pedał jest o 50% lżejszy od porównywalnej konstrukcji stalowej. Komponent strukturalny spełnia ostre wymagania dotyczące obciążeń dzięki specjalnie zaprojektowanemu wkładowi z laminatu Tepex i dodatkowemu miejscowemu wzmocnieniu taśmami. Rozbudowana automatyzacja pozwala na wydajną, masową produkcję skomplikowanego geometrycznie komponentu o wielkim znaczeniu dla bezpieczeństwa – wyjaśnia dr Klaus Vonberg, ekspert z obszaru lekkich konstrukcji w należącego do HPM podmiotu Tepex Automotive Group.

Precyzyjne połączenie warstw włókien ułożonych w różnych kierunkach

W pełni skonsolidowane półprodukty Tepex dynalite zawierają matrycę termoplastyczną w większości przypadków zbrojoną warstwami tkaniny z ciągłych włókien szklanych. Pedał hamulca sportowego samochodu elektrycznego wykorzystuje kompozytową strukturę z matrycą z poliamidu 6, składającą się wewnątrz z warstw jednokierunkowo ułożonych włókien oraz warstw utkanych z włókien ułożonych pod kątem 45° na zewnątrz. Wewnętrzne warstwy nadają komponentowi doskonałą wytrzymałość na rozciąganie i zginanie.

Taśmy są cienkimi wstęgami tworzywa z jednokierunkowo zorientowanymi, wysokowytrzymałymi układami ciągłych włókien, osadzonymi w matrycy termoplastycznej. W pedale hamulca umieszczono wiele taśm z niedoprzędami z włókna szklanego w celu wzmocnienia spodniej części elementu. Ponieważ taśmy i wkład Tepex zawierają wzajemnie kompatybilne matryce plastikowe, taśmy można po prostu przyspawać do powierzchni wkładu za pomocą lasera. W rezultacie powstają szyte na miarę laminaty z warstwami włókien, które ściśle odpowiadają wykresom obciążeń i spełniają precyzyjnie określone wymogi obciążeniowe dla komponentów. Warstwy zewnętrzne wkładu z włókien ułożonych pod kątem 45° w połączeniu z umieszczonymi na nich taśmami zapewniają wysoką wytrzymałość pedału na skręcanie.

Cztery wersje pedału hamulca w produkcji seryjnej

– Ta specjalnie zaprojektowania struktura warstw włókien oraz połączenie arkuszy organicznych z taśmami pozwoliły na dalsze obniżenie masy pedału hamulca przy jednoczesnym zapewnieniu wyjątkowo wysokiego poziomu właściwości mechanicznych, niezbędnego w tak ważnej dla bezpieczeństwa części – podkreśla dr Daniel Häffelin z Centrum Innowacji w BOGE Elastmetall. Obecnie w produkcji seryjnej dostępne są cztery różne konstrukcje pedału hamulca – wszystkie wykonuje się w całości z tworzyw sztucznych. Dla każdej z wersji odrębnie zoptymalizowano ścieżki obciążenia, by odpowiadały różnym kierunkom działania siły skrętnej.
Zautomatyzowana produkcja taśm i wkładów Tepex.

Pedały hamulca produkuje się w zautomatyzowanym procesie z wykorzystaniem formowania hybrydowego w krótkich cyklach czasowych, odpowiednich do produkcji na dużą skalę. Metoda integruje drapowanie wkładu Tepex i taśm w etapowym procesie formowania wtryskowego. Pierwszy etap produkcji polega na precyzyjnym wyrównaniu taśm za pomocą optycznych systemów pomiarowych, a następnie umieszczeniu ich na wkładzie Tepex, w celu ich przyspawania. Układ ten jest termoformowany, a następnie formowany wstecznie z poliamidem 66 w procesie formowania wtryskowego.

Wysokowytrzymałe elementy konstrukcyjne dla samochodów elektrycznych

W sektorze pojazdów elektrycznych otwierają się nowe możliwości w zakresie termoplastycznych konstrukcji kompozytowych o specjalnie dobranym ukierunkowaniu włókien. – Wśród przykładów zastosowań wkładów Tepex wymienić można pasy przednie i belki zderzaków, wsporniki modułów elektrycznych i elektronicznych, bagażniki i wnęki na koła zapasowe, obudowy i pokrywy baterii, elementy konstrukcyjne słupków i dachu pojazdu oraz elementy konstrukcyjne podwozia chroniące baterie – wylicza dr Klaus Vonberg.

Niski ślad węglowy w porównaniu z konstrukcjami metalowymi to kolejny argument za konstrukcją kompozytową z taśm i wkładu Tepex. Kompozyty termoplastyczne są nie tylko znacznie lżejsze od alternatyw z metalu: zastosowana metoda formowania hybrydowego umożliwia również integrację funkcji, takich jak prowadnice, uchwyty i mocowania, w sposób gwarantujący oszczędności masy, energii i kosztów. W przypadku elementów tego rodzaju wyeliminowana jest potrzeba czasochłonnej dodatkowej obróbki, takiej jak gratowanie czy gwintowanie, których zwykle wymagają komponenty z metalu.