Pédales de frein composites révolutionnaires : légères, résistantes, production rentable chez Boge Rubber & Plastics

Le fournisseur de rang 1 Boge Rubber & Plastics Group (Damme, Allemagne) produit ce qu'il dit être les pédales de frein tout-composite les plus légères, les moins coûteuses et les plus résistantes au monde, et les premières en production commerciale. Comme détaillé dans le FOD de janvier (voir « Structure composite thermoplastique remplace les métaux sur pédales de frein critiques pour la sécurité »), le fournisseur produit actuellement un quart de million de pédales de frein par an pour quatre plateformes de véhicules produites par des constructeurs allemands et le système pourrait produire jusqu'à 1 million de pédales par an. C'est significatif car les pédales sont structurelles, doivent répondre aux mêmes exigences de performance rigoureuses que l'acier et l'aluminium en place, et les conceptions comportent trois types différents de composites thermoplastiques renforcés de fibres de verre.

Trois matériaux pour une efficacité fibre accrue

Pour garder les pédales légères, minces, rentables et capables de répondre aux spécifications OEM exigeantes, Boge utilise de l'organosheet à fibres de verre continues comme structure de coque pour porter les charges principales de la pièce, qui peuvent atteindre 3 000 newtons. Les blanks d'organosheet sont fournis précoupés à la taille, avec deux ou trois couches entièrement consolidées par le fournisseur Lanxess Deutschland GmbH (Cologne, Allemagne). Pour renforcer les chemins de charge principaux sur le blank d'organosheet, Boge ajoute des bandes de rubans unidirectionnels (UD) en fibres de verre (fournis par Celanese Corp., Irving, Texas, États-Unis) dans des orientations et empilements basés sur les résultats de simulation par éléments finis. Pour ce faire, Boge utilise un logiciel qu'il a modifié et des cartes de matériaux que l'entreprise a développées avec ses fournisseurs basées sur les courbes contrainte/déformation mesurées pour chaque matériau sous les conditions de température et d'humidité spécifiées par les clients OEM. Pour ajouter de la géométrie fonctionnelle, Boge utilise des composés à fibres de verre hachées surmoulés (de plusieurs fournisseurs) pour fournir des nervures structurelles et des caractéristiques de fixation.

Tous les matériaux présentent des matrices de polyamide 6 (PA6) noir précoloré, un polymère robuste largement utilisé dans l'industrie automobile. Si les spécifications OEM l'exigent, Boge a aussi l'option d'utiliser une matrice PA6/6 à température plus élevée, moins hygroscopique dans le composé de surmoulage, puisque les deux polymères sont assez similaires pour se lier l'un à l'autre. En utilisant trois types différents de composites avec renforcement en fibres de verre sous trois formes différentes, Boge est capable de placer la fibre précisément là où elle est nécessaire pour répondre aux exigences de performance tout en évitant le surdimensionnement. L'effet d'entraînement de cette approche composite hybride est qu'elle réduit l'utilisation de matériau, l'épaisseur nominale de paroi, le temps de cycle et le coût global de la pièce.

Étapes de processus et critères d'équipement

En partenariat avec le développeur de ligne d'automatisation/assemblage M.A.i. GmbH & Co. KG (Kronach, Allemagne), Boge a développé un processus de production en trois étapes qui est rapide, efficace et produit des pièces vérifiées qualité à des coûts abordables. Dans la conception du processus et de l'équipement, l'équipe avait un certain nombre d'exigences. Premièrement, pour maintenir les coûts de pièce bas, les entreprises devaient maintenir le temps de cycle effectif total à ~1 minute. Atteindre cela nécessiterait l'automatisation pour assurer que les matériaux se déplacent sans à-coups à travers la cellule de fabrication.

Deuxièmement, bien que les blanks d'organosheet soient fournis pré-empilés, entièrement consolidés et précoupés à la taille (contournés), les exigences de divers designs de pédales signifiaient que l'équipe avait besoin de flexibilité pour couper, orienter et placer des bandes de ruban de différentes longueurs dans différents emplacements et directions pour renforcer les chemins de charge principaux de la coque d'organosheet. Encore une fois, pour maintenir les coûts bas, un processus de dépose de bande sur mesure a été conçu pour offrir un haut niveau de flexibilité et de contrôle, ainsi que de la vitesse.

Au début du processus, la cellule de fabrication contient deux piles de blanks d'organosheet précoupés dans des cassettes et quatre bobines de rubans UD à la fois. Premièrement, un robot prend un blank contourné d'organosheet et le déplace vers la surface de travail. En même temps, le ruban UD est déroulé et coupé à la longueur requise. Les bandes sont ensuite placées sur un tapis à vide qui les maintient en place pendant que le convoyeur avance. Ensuite, un robot avec une unité pick-and-place rotative (effecteur final) attrape une bande à la fois du tapis à vide et une caméra vérifie chaque bande pour la qualité, la dimension et la position. Quand les quatre pièces ont été attrapées, le robot se déplace vers l'espace de travail et commence à placer une bande à la fois sur le blank d'organosheet à l'emplacement et la position déterminés par correction de position basée sur l'image. Au fur et à mesure que chaque bande est positionnée, elle est empêchée de bouger par des points de soudure multiples créés par un laser. Pendant ce temps, plus de bandes de ruban sont coupées et placées sur le tapis à vide et le processus se répète jusqu'à ce que tous les rubans requis pour un design de pédale de frein donné soient empilés et plaqués dans la position correcte sur l'organosheet.

Le système qui produit ce blank à fibres sur mesure est contrôlé numériquement à 100 %, avec chaque aspect de l'opération entièrement programmable pour une flexibilité maximale. À chaque étape, des caméras ou autres capteurs, qui sont connectés au système de contrôle qualité (CQ) en ligne du système, détectent tous les bords et positions des bandes de ruban et de la coque d'organosheet et comparent les données géométriques pour ces matériaux contre des paramètres connus pour assurer que chaque matériau est positionné là où il doit être.

Pour maintenir des vitesses de production élevées, le blank à fibres sur mesure passe ensuite dans un four infrarouge pour chauffer les deux matériaux juste avant le drapage/préformage/consolidation des rubans sur l'organosheet. Un paquet antioxydant spécial dans les systèmes de résine de ruban et d'organosheet empêche les dommages thermiques. Ensuite, le blank chaud est rapidement déplacé dans la cavité de drapage/préformage où une haute pression est utilisée pour former le blank en forme de canal en U tout en assurant une surface de haute qualité. Le système CQ surveille à nouveau la qualité de consolidation et de préformage via le temps, la température et la pression.

Finalement, le préformé encore chaud et drapé est navetté dans un moule d'injection où il est surmoulé avec un composé courte-fibre de verre/PA pour créer une géométrie additionnelle comme une structure de nervures complexes sur le dessous. Après démoulage, une coupe rapide automatisée et une inspection visuelle sont faites. Aucune peinture ou autre finition de surface n'est nécessaire. La taille finale de la pédale est d'environ 350 x 90 x 60 millimètres. Avant de quitter la cellule de fabrication, un code QR unique est apposé sur chaque pédale pour la relier aux données de fabrication et de matériaux pour cette pédale dans le système qualité. Après assemblage, un test fonctionnel de la pédale dans son support et une inspection robotique finale sont effectués. En supposant que l'unité passe, un autre code QR est apposé sur l'assemblage de pédale de frein complet pour fournir une traçabilité complète de chaque pédale et composants additionnels avant expédition à l'OEM.

Parce que les pédales de frein sont des pièces critiques pour la sécurité et doivent répondre aux exigences de performance OEM exigeantes ainsi qu'aux exigences de qualité, Boge et ses partenaires ont construit de multiples mécanismes à sécurité intégrée dans le système CQ conforme Industrie 4.0 pour vérifier rapidement et précisément que les spécifications étaient respectées à chaque étape du processus. Les données CQ sont stockées et chaque pédale reçoit un numéro d'identification unique sous forme de code QR pour assurer une traçabilité à 100 % des matériaux, quarts de travail et conditions de processus impliqués dans la production de cette pièce.

Les pédales de frein tout-composite que Boge produit sont environ la moitié du poids des pédales en métal. Elles améliorent aussi l'haptique de conduite pour les consommateurs, sont recyclables à 100 % en fin de vie et répondent ou dépassent l'exigence de résistance pour l'acier en place.