Määrake Mitme Materjali Ehitamise Meetodite Jaoks Sobivad ühendamisviisid

2023 Autor: Hannah Pearcy | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-08-25 03:37

Sõidukite ehituse valdkonnas käsitletakse üha enam väljakutseid üleminekul fossiilkütuste kasutamiselt jõuülekande elektrifitseerimisele. Poliitilise keskkonna dünaamika suurenemise ja kasvavate regulatiivsete nõuete ajendil keskendutakse üha enam kergekaalulistele lahendustele kui võtmetehnoloogiale juriidiliste ja kliendinõuete täitmisel.

Põhjalik kerge konstruktsiooni kontseptsioon

Föderaalse majandus- ja energeetikaministeeriumi (BMWi) rahastatud ühisprojektiga HigHKo püüti nendele väljakutsetele kergete ehituse valdkonnas vastu tulla. Koos Porsche AG, ElringKlinger AG ja Fraunhofer IPA projektipartneritega töötati välja kerge kujunduskontseptsioon, mis võttis varases etapis arvesse peamiste süsteemikomponentide nagu akusüsteem, šassii ja kere nõudeid, et oleks võimalik saavutada olulist kaalu alandamist. Lisaks materiaalsetele uuendustele hõlmas see ka uute protsesside integreerimist ja tehnoloogiate ühendamist.

liim

Ekspertide arutelu liimimise teemal - elektrimootorite üheskoos usaldusväärsemaks muutmine

Uuenduslike sõidukikontseptsioonide fookuses on kergkonstruktsioon üha olulisemaks muutumas, kuna see pakub märkimisväärset massi vähendamise potentsiaali ja võib seetõttu sõidukite ehitamisel n-ö kaalu spiraali pöörata [1]. Suurenev vajadus suurema ohutuse, suurema mugavuse ja parema sõiduomaduste järele on viinud sõiduki massi pideva suurenemiseni [1, 2, 3, 4]. Kerge konstruktsioon on eriti oluline elektrisõidukite jaoks, millel on märkimisväärselt suurem kaal kui võrreldavatel sisepõlemismootoriga sõidukitel [5], kusjuures akumoodul moodustab märkimisväärse osa sõiduki kogumassist.

Akuelementide suurema kaalu tõttu tuleb ümbritsevaid kerekonstruktsioone tugevdada, mis omakorda käivitab kaalu spiraali, millel on omakorda negatiivne mõju elektrisõidukite vahemikule [5, 6]. Uute ajamite majandusliku edu saavutamiseks on seetõttu hädavajalik saavutada ulatuse suurendamine kaalu olulise vähendamise teel. Eriti suur kere, millel on umbes kolmandik kogu sõiduki massist, omab suurt potentsiaali [2, 3].

Kerge ehitusega neli sammast

Sobivate kergkonstruktsioonide väljatöötamiseks on nüüd autotööstuses rajatud neli kergkonstruktsiooni tugisammast [2]. Nende hulka kuulub ühelt poolt kerge disain, mille eesmärk on kuju ja topoloogiat optimeerida kaalu minimeerimiseks, kusjuures struktuur jääb ühtlaselt jäigaks vähese materjali kasutamise korral [2, 4, 7]. Kerge konstruktsiooni kontseptsiooni korral vähendatakse kaalu, kui süstemaatiliselt jäetakse välja tarbetud komponendid, näiteks varuratas või lihtsad kandekonstruktsioonid [2, 4]. Lisaks kasutatakse kerget tootmist, milles kaalu säästmise potentsiaal saavutatakse tootmis-, valmistamis- ja monteerimisprotsesside abil, näiteks paksusega optimeeritud lehtede ja profiilide kasutamisega [2, 7]. Neljas lähenemisviis on kerge ehitus,mis võimaldab kaalu vähendada, kasutades selliseid kergeid materjale (joonis 1) nagu alumiinium, magneesium või kiudkomposiitplast (FRP) [8].

Autotööstuses ei ole kõrgete materjalikulude tõttu tulevikus kasulik traditsiooniliste metallkonstruktsioonide asendamine moodsate kergete materjalidega, näiteks süsinikkiuga armeeritud plastidega (CFRP). Puhtast FRP-st valmistamismeetodite kõrgete kulude vähendamise hoob on mitme materjali või segase ehitusega meetodite kasutamine, mis võimaldavad komponendi erinevatel materjalidel töötada koormuse ja funktsiooni jaoks sobival viisil [9, 10]. Siin valitakse materjal, mis majanduslikke ja tootmistehnilisi nõudeid arvestades vastab optimaalselt nõuetele, mis on kehtestatud sõiduki kere vastavale komponendile minimaalse raskusega [4, 10]. Ainuke eelis pole segakonstruktsiooni massiline vähendamineErinevate materjalide kombinatsioon võimaldab lisaks kaalu vähendamisele saavutada ka mehaaniliste komponentide nõutavate omaduste olulise paranemise. Näiteks süsinikkiuga armeeritud plastide kohaliku kasutamise kaudu saab koormusi vastu võtta tugevalt koormatud konstruktsioonikomponentides [1].

Tehnoloogiaga liitumine kui segaehituse edutegur

Segakonstruktsiooni arvukad eelised seisavad silmitsi märkimisväärsete väljakutsetega, milles keskne probleem on võõraste materjalide ühendamise tehnoloogia. Näiteks välistavad konkreetsed materjalikombinatsioonid põhimõtteliselt teatud liitumisprotsessid [9]. Kriitilised on ka jõu sisenemispunktid ja üleminekupiirkonnad, kus erinevad materjalid kohtuvad [2, 8]. Siinkohal on oluline arvestada probleemidega, mis on põhjustatud materjalide erinevatest omadustest, näiteks erinev soojuspaisumine, kontakt- ja pragude korrosioon [9]. Ühendustehnoloogia jaoks on esmatähtis, et segakonstruktsiooni eelised ei tulene ebapiisavate liitumisprotsesside ebasoodsatest tagajärgedest, nagu näiteks suurenenud kaal,madalat jäikust või tugevust saab liigese piirkonnas tasandada [2].

Kompendium kerge

Koguge ideid kerge ehituse jaoks

Need takistused teevad selgeks, et klassikaliste liitumisprotsesside kogemust ei saa üle kanda mitme materjaliga süsteemidele [2]. Materjalidele sobivate liitumisprotsesside valimine ja kasutamine on seetõttu eriti oluline, et materjali konkreetseid omadusi saaks optimaalselt kasutada [8, 9].

Kereosade vahelise kindla ja püsiva ühenduse loomiseks kasutatakse praegu mitmesuguseid ühendamistehnoloogiaid (vt joonis 2). Kerge konstruktsiooni kontseptsiooni ja sellega seotud segase ehitusmeetodi raames saavutavad termilised liitumisprotsessid, näiteks keevitamine, oma piirid või neid ei saa kasutada. Selles kontekstis mõjutavad mitteliiki kuuluvate materjalide erinevad sulamistemperatuurid, temperatuuritaluvus ja erinevad soojusjuhtivuse koefitsiendid nende soojuslikku liitumisvõimet ebasoodsalt [11]. Lisaks võivad ühenduspartnerite erinevate soojuspaisumistegurite tõttu tekkida pinged ja komponendi moonutused, mis on seotud komponendi mõõtmete täpsuse ja funktsionaalsuse kaotamisega.

Alternatiivsed mehaanilised liitumisprotsessid

Alternatiivseid võimalusi pakutakse mehaaniliste ühendamisprotsesside abil, nagu näiteks neetimisnõelad või muljumised, mis sobivad madala moonutuse tehnikana mõõtmeliselt kriitiliste sõlmede positiivseks ja mittepositiivseks ühendamiseks [12]. Nende protsesside üks peamisi eeliseid on see, et soojusisendi puudumise tõttu saab erinevaid materjale kulutasuval ja energiasäästlikul viisil ühendada, säilitades samal ajal nende vastavad materjalide omadused [11].

Pane

Mitmekülgsed liitmistehnoloogiad

Veel üks madala kuumusega ühendamise tehnoloogia on liimimine, millega saab praktiliselt kõiki tehniliselt kasutatavaid materjale materjalide vahel omavahel ühendada. Haardumisega loodud ühendus on üles ehitatud väga õrnalt, kuna liimimisprotsess ei nõua liigset kuumust, näiteks keevitamise ajal, ega konstruktsiooni nõrgestavaid auke, näiteks neetimist. Üldiselt tagab suure pindalaga liim ka komponendi pinge ühtlase jaotuse ja võib näidata eeliseid konstruktsiooni summutamise osas [13].

Lisaks ülalnimetatud protsessidele on segakerega autode keredes sisse seatud hübriidühendustehnoloogiad, mis ühendavad liimide kasutamise mehaaniliste liitumisprotsessidega [1, 4, 7, 12]. Sellised hübriidsed ühendused vastavad eriti värvitooniga liitumistehnoloogia profiiliprofiilidele seoses jäikuse, tugevuse ja energia neeldumisega isegi krahhi korral [12, 14].

Liitumisprotsesside valimise metoodika

Segaehituses tekitab kõige tõhusamate liitumisprotsesside valik, arvestades projekteerimis- ja materjalinõudeid, projekteerijale arendusprotsessis suuri väljakutseid. Praegu põhineb ettevõttesisene valikuprotsess peamiselt töötaja isiklikel teadmistel ja kogemustel tekstipõhiste tööriistade, näiteks erialakirjanduse või ehituskataloogide abil. See protseduur pole mitte ainult aeganõudev ja ebatõhus, vaid ka läbipaistmatu ja reprodutseerimata. Selle protsessi süstematiseerimiseks töötas Fraunhofer IPA välja andmebaasipõhise rakenduse JoinIT, mis pakub metoodikat teadmiste andmebaasiks sobivate liitumistehnoloogiate valimiseks, võttes arvesse morfoloogilise tootmissüsteemi erinevaid tasemeid.

Rakendus põhineb andmebaasil, mille alus on liitumisprotsess vastavalt DIN 8593. Iteratiivses valikuprotsessis, määratledes liitmisülesande moodustavad mõjutavad tegurid, liitumispartnerid, liitumispunkti geomeetria ja muud liitmisülesande nõuded, saab liitumistehnoloogia vastavate omaduste võrdlemisel tuletada sobivad lahendusteed (vt joonis 3).

Materjalide klassifikatsioon vastavalt DIN standarditele

Välja töötatud valimismetoodika aluseks on kaasatud liitumispartnerite määramine materiaalsest vaatenurgast, kus lisaks klassikalistele ehitusmaterjalidele nagu metallid ja plastid võetakse arvesse nii keraamika kui ka komposiit- ja puidupõhiseid materjale. Materjalide klassifikatsioon vastab süstemaatikale vastavalt DIN standarditele vastavalt materjaliklassidele, rühmadele ja numbritele. Seega võib valikuprotsess põhineda määratletud materjalide hierarhia rajal nii superordinatiivsete materjaliklasside kui ka rühmade tasemel kuni vastavate materjalide numbriteni.

Lisaks ühendatavatele materjalidele on liitumisprotsessis määravaks ühendatavate osade pinnaomadused. See tingib vajaduse metoodikasse integreerida ka liidestatavate osade pinnatöötluse (nt puhutud, poleeritud), pinna kõvendamise (nt tulega karastatud, laserkiirega karastatud) ja pinnakatte (nt galvaniseeritud, pulbervärvitud) meetodid. Kolme alavaldkonna osas arvesse võetud protseduurid määrati erialakirjanduse abil.

Mitme materjali konstruktsioon

Ühendage plastid magneesiumlehtedega survevormimise teel

Geomeetrilisi nõudeid võetakse arvesse

Valiku täiendavaks täpsustamiseks on metoodikasse lisatud ka vuugi geomeetrilised nõuded. Nende hulka kuuluvad vuugiliigid, mida tavaliselt kasutatakse ühendamiseks (nt tagumikühendus, kattuv vuuk) ja vuugile ligipääsetavuse nõuded (ühepoolne, kahepoolne).

Lisaks liitumispartneri ja liitumispunkti iseloomustamisele saab valikuprotsessi täiendavalt süstematiseerida, määrates liitmisülesandele lisanõuded. See hõlmab tehnilisi, majanduslikke ja ökoloogilisi aspekte ning nende vastavaid omadusi, mille valik põhineb DIN-i standarditel, ehituskataloogidel ja erialakirjandusel. Tehnilised nõuded on seotud näiteks vuugi pinge tüüpidega (nt tõmbekoormus, nihkekoormus), keskkonnakindluse nõuetega (nt õlikindlus, pritsmeveekindlus) või kandja tihedusnõuetega (nt õhukindlus, veekindlus). Majanduslikud nõuded hõlmavad näiteks liitumistehnoloogia automatiseeritavust (nt osaliselt automatiseeritud,täielikult automatiseeritud) või liidetavate osade arvu mastabeeritavust aastas. Ökoloogilised aspektid võtavad näiteks kokku nõuded heitkoguste (nt madala müratasemega, kiirgusvabad) või energiatarbimisega (nt madala, suure) osas.

Programmi JoinIT rakenduse juurutamine

Välja töötatud valikumetoodika kaardistati andmebaasi arhitektuuris ja täideti esimeste andmetega näidisprojektide liitmise kohta. Seejärel rakendati andmebaasipõhine rakendus JoinIT dünaamilise veebirakenduse kujul. Veebirakenduse graafilist kasutajaliidest (vt joonis 4) kirjeldatakse üksikasjalikumalt allpool.

Valimisprotsessi osana määratleb operaator kõigepealt liitumispartnerid (1). Valides mõlemal juhul kirjeldatava osa, avaneb rippmenüü (2), kus saab vastavalt valimismeetodile vajaliku teabe. Materjalivalik toimub struktureeritud protsessis piki salvestatud materjalihierarhia rada soovitud detailsusastmeni (3). Seejärel saab ühendatavaid osi üksikasjalikumalt iseloomustada, täpsustades täiendavad nõuded seoses materjali paksuse ja selle pinnatöötlusega. Numbriline teave, näiteks materjali paksus, seadistatakse libisemise juhtelementide (4) abil, samas kui loogiliste väärtustega teave, näiteks määratletava liitumispartneri konkreetne pinnakate, aktiveeritakse märkeruutude (5) abil. Kui päringut ei saa otsingu ajal piirata, siis sellele väljale kandeid ei tehta.

Hõõrde segamine keevitamine

Liitumine hõõrdumise ja rõhu abil

Nõuete mitmekesine kitsendamine

Pärast liitumispartnerite üksikasjalikku määratlust saab valikut metoodika kohaselt piirata, pakkudes lisateavet ühendava ühenduse geomeetrilise tüübi ning liitumisülesande tehniliste, majanduslike ja ökoloogiliste nõuete kohta (6). Selge väljanägemise ja kõrge kasutajasõbralikkuse mõttes on klastritele seatud individuaalsed nõuded, mille võimalikud omadused on viidud miinimumini (7). Alles siis, kui on valitud konkreetne klaster, avaneb salvestatud omadustega rippmenüü (8), kusjuures sisestusi saab teha analoogselt libisemise juhtnuppude (nt temperatuuritaluvus) ja märkeruutude (nt õlikindlus) abil.

Tulemuste otsimine valikuprotsessis põhineb välistamise põhimõttel. Otsingu algoritm võrdleb reaalajas andmebaasi kandeid valitud nõuetele vastavuse osas. Iga määratletud nõue, mida liitumisprotsess ei täida, viib vastava liitumisprotsessi kohese väljajätmiseni tulemuse kuvamisel.

Kasutajasõbralik ja selge

Lahenduse kogus esitatakse arendajale, märkides tulemiväljal andmebaasis talletatud projektide liitmise viite (9). Lingi kaudu saab üksikasjalikult vaadata lahenduse komplekti referentsprojekte koos nende üksikasjadega protsessi kirjelduse ja võimalike vastutustundlike töötajate kohta ettevõttes.

Andmebaasipõhise rakenduse tulemused on esitatud vastavalt veebipoe meetodile, mida iseloomustab kõrge kasutajasõbralikkus ja selgus tänu hõlpsale ja järjestikusele nõuete valimisele ja valimisele ning tulemuste väljal olevate lahenduste koguste reaalajas värskendamisele. Seega pakub protseduur olulisi eeliseid ajavajaduse, intuitiivsuse, mitmekordse valiku ja sisendi korrigeerimise valdkonnas.

Metoodiline ja korratav protseduur

Erinevate materjalide ühendamistehnoloogia kujutab endast erilist väljakutset valge-valge-konstruktsioonis segaehituses ja kõigis hübriidkomponentide struktuurides, kuna vastav materjalide segu eeldab või välistab erinevate ühendamistehnoloogiate kasutamise. Edu kõige olulisem tegur on arendusprotsessis kõige tõhusam valik, võttes arvesse disaini ja materjali nõudeid funktsioonile, kvaliteedile ja säästlikkusele. Valimisprotsessi lihtsustamiseks kontseptsiooni- ja kujundamisetapis töötati välja arvutipõhine JoinIT-i rakendus, mis võimaldab metoodilist ja reprodutseeritavat protseduuri sobivate liitumisprotsesside valimisel mitme materjaliga süsteemides. JoinIT on ette nähtud kasutamiseks väljaspool uurimisprojekti ja tulevikus, et hõlbustada kolmandatel osapooltel sobivate liitumisviiside valimist üldiselt juurdepääsetavaks teadmiste andmebaasiks.

Hiili vormimise protsess

IWS-i insenerid moodustavad lennukitele kaasaegseid kergeid osi

tänusõnad

Ühisprojekti HigHKo - väga integreeriva tagumiste sõidukite kontseptsiooni rahastati osana rahastamisprogrammist "Efektiivsuse suurendamine sõidukite juhtimisel" föderaalse majandus- ja energeetikaministeeriumi (BMWi) vahenditest ning projekti juhendava asutuse Mobility and Traffic Technologies (TÜV Rheinland) juhendamisel. Autorid tänavad BMWi antud raha eest ning projektijuhtimisagentuuri ja kõiki osalevaid konsortsiumi partnereid toetuse eest.

bibliograafia

[1] Gude, M.; Meschut, G.; Täh, MF & Lieberwirth, H. (2015). Ressursisäästliku elektrimobiilsuse kerge ehituse võimalused ja väljakutsed. Forelli uuring.

[2] Beck, FU (2013). Autotehnikas kasutatavate CFRP-Al-tüüpi struktuursete ühenduste ühendustehnoloogia. Göttingen: Cuvillier Verlag. Kättesaadav:

[3] Meschut, G. & Augenthaler, F. (2015). Kiududega armeeritud plastist komposiitstruktuuride hübriidühendus metalliliste pooltoodetega. IGF-i lõpparuanne.

[4] Ruther, M.; Jost, R.; Reede, V.; Peitz, V.; Piccolo, S.; Brüdgam, S.; Meschut, G.; Küting, J.; Hahn, O. & Timmermann, R. (2003). Liitumissüsteemi optimeerimine segakonstruktsioonide valmistamiseks materjalide, terase, alumiiniumi, magneesiumi ja plasti segudest. BMBF-projekti avalik avalik aruanne.

[5] Köth, C.-P. (2020). Volkswagen: "Investeerime kallite akuelementide asemel taskukohastesse kergetesse konstruktsioonidesse". Kättesaadav: https://www.automobil-industrie.vogel.de/volkswagen-wir-investieren-in-bezahlbaren- Leichtbau-statt-in-teure-batteriezellen-a-904626 /

[6] Strathmann, T. (2019). Elektriline liikuvus kui häiriv uuendus. Väljakutsed ja tagajärjed väljakujunenud autotootjatele. Mainz: Springer Gabler.

[7] Henning, F. & Moeller, E. (toim) (2011). Kerge ehitusjuhend. Meetodid, materjalid, tootmine. München: Carl Hanser.

[8] Klose, P. (2008). Ökonoomne kerge konstruktsioonikontseptsioon suurtele seeriatele. Terviklik lähenemine. In: Kergekujundus 4/2008, lk 28-33.

[9] Prüß, H.; Stechert, C. & Vietor, T. (2010). Mitme materjaliga süsteemides ühendavate tehnoloogiate valimise metoodika. 21. In: DfX Symposium 2010. lk 1–13.

[10] Sahr, C.; Berger, L. ja Lesemann, M. (2010). Süstemaatiline materjalide valimine ülikerge auto kere jaoks. In.: ATZ 05 112. aasta, lk 341–347.

[11] Dietrich, J. (2013). Metalli vormimise praktika. Vormimis- ja lõikamisprotsessid, tööriistad, masinad. Wiesbaden: Springer Vieweg.

[12] Koll, S. (2008). Terved punch-needid ja haakimine sobivad hästi kokku. Kättesaadav:

[13] Klingen, J. (2019). Liimimistehnoloogia. Juhend kaasaegse ja ohutu liimimisprotsessi kohta tööstuses ja kaubanduses. Weinheim: Wiley-VCH.

[14] Nelson, A. (2019). Positiivsete ja materiaalsete ühenduste modelleerimine ja lõplike elementide arvutamine. In: kassel ülikooli ajakirjandus.

[15] Audi AG (2017). Uus Audi A8. Ühendustehnoloogia. Kättesaadav:

* Thomas Götz ja dr-Ing. Marco Schneider, Fraunhoferi tootmistehnika ja automatiseerimise instituut IPA