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車身結構智能注射膠粘解決方案
2020-03-12
汽車材料網 2019-11-01 07:20:06
目前西卡公司(Sika)已經為應對該挑戰開發出了一種新的膠粘劑解決方案。

減少汽車二氧化碳排放量的輕量化概念及電動汽車的發展是當前汽車行業的兩個全球趨勢。在這些領域,鋁型材和鋁鑄件的使用日益增加。鑄件通常用作連接節點,這對于通過膠粘劑將這些部件粘合在一起提出了新的技術挑戰。目前西卡公司(Sika)已經為應對該挑戰開發出了一種新的膠粘劑解決方案。

1、技術挑戰

汽車制造商采用不同概念來解決輕量化設計的問題,以應對進一步降低汽車二氧化碳排放量的要求。其中最重要的當然是混合材料的概念。這涉及根據材料的特性,將不同的材料(例如鋼、鋁和塑料)進行最佳組合,并在同一車體中使用它們。各個材料不同的熱膨脹系數會導致冷卻過程出現問題,在極端情況下會導致膠接失效。為了解決此問題,Sika不久前開發了Sika Power MBX技術。不同材料的使用會導致輕質結構出現問題,而且還必須克服結構上的障礙,例如鑄鋁節點與鋁型材的連接。在骨架結構(也稱為空間框架結構)中,剖面通過節點連接,如圖1所示。

  

膠粘劑,電池結構,膠接技術

與推入式連接物一樣,此類接頭的粘合通常不容易解決。由于間隙尺寸小,因此在膠接過程中之前施加到型材或鑄件上的大多數膠粘劑都會被去除。因此,這類接頭現在基本上是采用機械連接,例如鉚接。

電動汽車的電池結構中,電池的尺寸限制了結構空間,而且往往需要直線結構,型材在車身構造中的更廣泛使用增加了對合適的膠粘劑解決方案的需求。Sika開發了SikaPower Smart-Flow注射粘合劑,用于粘合此類推入式連接物。

另一個應用領域是將塑料增強部件(如西卡玻璃纖維增強聚酰胺零件,商品名為Sika Reinforcer)粘合到車體中,如圖2所示。將這些結構部件連接到車身有幾個方案。可以將結構部件鉤入體內。在熱固化過程中,粘合劑泡沫會膨脹到金屬,從而形成粘結。或者,也可以使用結構膠粘劑將這種結構部件直接粘合到空腔中,在西卡,此過程稱為高強度粘結(High Strength Bonding ,HSB)。從機械角度來看,此過程具有諸多優勢,詳見見表1。

  

膠粘劑,電池結構,膠接技術

與泡沫塑料(Sika Reinforcer)相比,用膠粘劑(HSB)粘結結構部件使得結構更堅硬,更耐碰撞。但是,可能會出現制造挑戰。特別是,單個零件的套料過程的可靠性往往無法得到保證。西卡SikaPower Smart-Flow注射粘合劑為此提供了一種解決方法。在這種情況下,可以將膠粘劑部分或全部直接注入已經連接的金屬結構中。該方法特別適合于加固A柱和B支柱以及加固車輛中的電池框架結構。對于這種應用,可以設計加強部件,使膠粘劑從注射點流到四個側面位置,從而確保部件與金屬結構的最佳結合。

2、智能注射膠粘劑

需要高溫和/或高壓將標準車身膠粘劑注入空腔。此外,有必要提供膠粘劑流動的方向。通常在閉型腔只需填充型腔即可實現。但是,當腔體不封閉時靶向注射變得特別困難。開頭所述的組件通常不是形狀匹配或密封的,這意味著它們至少有一側是敞開的。當將膠粘劑注入一側開放或側面不完全封閉的結構中時,膠粘劑不僅會在所需方向上擴散,還會在其他方向上擴散。組件中通道的導向作用提供的幫助很少。相比之下,即使通道在側面有開口,Sikapower SmartFlow粘合劑僅在指定的通道中鋪展,如圖3和圖4所示。在車身普遍存在公差的情況下,這一特性被證明是特別有利的。為簡化起見,此報告中的注入腔稱為通道,而沒有形鎖合的側面稱為肩部,示意圖見圖3。肩部的高度表示肩部區域中兩個連接部分之間的距離。

  

膠粘劑,電池結構,膠接技術

新的膠接技術已經在不同的實驗室模型上進行了測試和驗證。在本文展示的所有插圖中,通道深度為3毫米,肩高為1毫米。盡管差異很小,但粘合劑僅在通道中流動,而不在肩部流動。研究表明,通道深度與肩高之比是決定性因素,設計時必須考慮到這一點。在給定的3 mm 通道深度下,選擇的肩高越大,粘合劑在通道中的鋪展越差,電泳涂料的流動性越好。

  

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如果不是必須進行電涂,則肩高最好小于1mm。如果必須保證完美的電涂,則肩高必須為1至2mm。然而,這并不構成問題,因為高達3mm的肩高時,預處理和浸涂的耐沖刷性很好,熱固化期間的穩定性也很好。此外一定的肩寬也是必要的,以防止膠粘劑從通道溢出進入肩部。肩寬>5mm被證明是理想的。大量的注入測試表明,窄通道和寬通道都可以毫無問題地被填充,如圖5所示。在測試過程中,填充寬度高達20cm的通道是沒有任何問題的。考慮到這些規格,可以將通道直接集成在結構部件中,或者在使用插入式連接物的情況下集成在鑄件中。

  

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對于注射,重要的因素是選擇正確的注射速度,以防止膠粘劑在邊緣溢出。注射速度過高會導致溢出;但是,如果速度太低,則膠粘劑可能無法按預期方式擴散通過通道。基本上,一個低的且受控制的粘合劑肩部流量是首選的。溫度也對注射結果有影響,因為粘合劑的粘度取決于溫度。使用全自動應用系統,可以重點控制最重要的注射參數,如擠出速度和溫度。這樣就可以實現一致的、可比較的結果。注入點也應仔細選擇。應當注意的是,在所有流動方向上腔體的體積必須大致相同,以便在靠近注入點的位置防止溢流。

  

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為了盡可能真實地測試膠粘劑的流動性能,開發人員建立了幾個測試體,用所選的試件測試將加強件粘合到鋼結構中的情況。之所以選擇這種幾何圖形,主要是因為測試通道很大。相關的結構零件是使用3-D打印機生產的如圖6所示。使用適當形狀的有機玻璃外殼來代替金屬結構,以最佳地跟蹤流動行為。試驗證實,大型通道可以被填補而不溢出的邊緣和肩膀。研究還表明,此類部件的孔或凹處等典型元件不會對粘合劑的擴散造成問題。在這種情況下,膠粘劑會繞過障礙物流動,然后再次流到一起而不會留下任何氣穴,如圖6所示。

  

膠粘劑,電池結構,膠接技術

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如果需要填充更大的通道或縮短填充時間,也可以同時在多個位置注入膠粘劑,如圖7所示。該創新膠粘劑基于著名的SikaPower膠粘劑。因此,新粘合劑最重要的產品性能也與表2所示的已知系統相當。

3、總結

西卡膠粘劑SikaPower SmartFlow提供了新的膠接解決方案。這意味著推入式連接物(例如在電動汽車或輕型設計中的連接物)可以可靠地進行膠接。相同的膠粘劑也可以用于在整個表面上膠接結構部件,從而獲得更高的零件剛度和強度。

本文地址:https://auto.gasgoo.com/News/2019/11/1I70136356C103.shtml


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