使用熱塑性復(fù)合導(dǎo)軌代替鋁制導(dǎo)軌給固定玻璃、卷簾式天窗模塊帶來了很多好處。
由Webasto SC領(lǐng)導(dǎo)的法國團隊開發(fā)了一種新型的固定玻璃、卷簾式天窗模塊，該模塊首次使用熱塑性復(fù)合導(dǎo)軌取代了傳統(tǒng)的鋁導(dǎo)軌。首先在法國雷諾集團生產(chǎn)的多用途汽車上實現(xiàn)商業(yè)化，這一改變節(jié)省了重量、成本和模具，消除了硬件和多個加工步驟，簡化了裝配線安裝，降低了運營噪音，并在車內(nèi)人員和天窗玻璃面板之間騰出了13毫米的額外凈空空間。
卷簾天窗模塊在歐洲生產(chǎn)的汽車上通常用于覆蓋固定玻璃車頂系統(tǒng)——通常是大型全景車頂，幾乎覆蓋車輛車頂線的整個寬度和長度。當(dāng)它們被使用時，其功能與剛性遮陽傘差不多，可以阻擋過多的陽光，減弱風(fēng)雨帶來的噪音。它們由一種薄而輕的阻擋織物組成，沿著機動軌道展開，然后再繞著一個主軸卷起來，主軸位于車頂后部車頂下方的車體內(nèi)部。
傳統(tǒng)的天窗裝配
過去，汽車行業(yè)一直使用鋁制軌道將天窗的卷簾模塊連接到白車身（BIW）車頂結(jié)構(gòu)的天窗結(jié)構(gòu)上，尤其是在大型透明固定玻璃天窗系統(tǒng)的情況下，通常跨越整個車頂?shù)拈L度和寬度。這些導(dǎo)軌安裝在車頂?shù)鸟{駛員側(cè)和乘客側(cè)，這種卷簾式天窗系統(tǒng)具有雙重作用，因為它們形成了滑動表面，當(dāng)卷簾卷起時，電動織物卷簾沿著該滑動表面行進，從而允許更多的光進入車輛內(nèi)部，或反之操作以減少光線。
鋁軌的傳統(tǒng)制造工藝是從一個固定的截面鋁型材開始的，需要一個勞動密集型的、多步驟的研磨和拋光過程，以實現(xiàn)軌道的復(fù)雜形狀，包括：切割長度；通過沖壓形成小褶皺；塑造曲線；不能通過沖壓工具預(yù)成形的復(fù)雜形狀的加工/銑削（在每一步之后需要一個工具組/操作和質(zhì)量控制檢查）；陽極氧化黑色或天然顏色；組裝電纜夾、螺旋電纜夾、定心/定位銷和螺母。
雖然鋁軌代表了已知的、成熟的技術(shù)，但它們也有缺點。鋁是一種昂貴的原材料，而且在彎曲成復(fù)雜形狀方面比鋼鐵更具挑戰(zhàn)性。另一方面，為了保護環(huán)境，處理用于防止腐蝕的陽極化化學(xué)品是一項重大的額外成本。其制造過程長且復(fù)雜，模具成本高。此外，增加功能的工作需要使用通過附加組裝步驟應(yīng)用的附加硬件。
每一輛乘用車的制造和型號都使用略微不同的形狀和長度的軌道，因此天窗制造商必須在給定的天窗模塊的生產(chǎn)運行期間生產(chǎn)和儲存大量的庫存。
新的軌道概念
基于其他成功的天窗框架從鋁到復(fù)合材料在更小尺寸的移動玻璃天窗系統(tǒng)上的轉(zhuǎn)換，Webasto的團隊決定進行一項研究，看看在卷簾天窗系統(tǒng)上是否還有更大的側(cè)軌可能轉(zhuǎn)換為復(fù)合材料。（前后橫梁已在這種系統(tǒng)上轉(zhuǎn)換為復(fù)合材料——通常是玻璃纖維增強聚丙烯GR-PP。）目標(biāo)是增加功能，減少制造步驟和零件數(shù)量，降低成本和零件重量，且仍符合OEM的性能要求。
研究小組首先研究了導(dǎo)軌的功能和運行條件，并確定了導(dǎo)軌最關(guān)鍵的特性，即導(dǎo)軌能夠促進電動遮陽傘的平穩(wěn)運動，使前后、左右方向的運動方向一致。要做到這一點，軌道需要精確的幾何形狀和沿其整個長度的恒定截面，其長度可以大于一米。此外，軌道必須有足夠的結(jié)構(gòu)以提供與其他天窗/組件的安全連接，包括前后天窗橫梁和天窗結(jié)構(gòu)本身、電機機構(gòu)、天窗玻璃和頂蓋。為了滿足OEM的要求，機動遮陽傘必須在低滑移噪聲水平下工作，以減少機艙內(nèi)部的噪音/振動/刺耳的聲音（NVH）。
首先拋棄了熱固性基體和熱塑性塑料。與熱塑性復(fù)合材料相比，熱固性復(fù)合材料的密度較高，成型周期較慢，需要更多的模具后整理。其還可能產(chǎn)生霧化和揮發(fā)性有機化合物（VOC）排放。由于OEM要求非常嚴(yán)格的尺寸控制——特別是為了避免扭曲變形，這將妨礙遮陽傘的順利運行，從而聚酰胺、聚丙烯（PP）和熱塑性聚酯被淘汰。鋁導(dǎo)軌需要潤滑脂才能順利進行遮陽作業(yè)，Webasto的工程師還不確定復(fù)合導(dǎo)軌是否需要潤滑劑，聚碳酸酯由于其較差的耐化學(xué)性和應(yīng)力裂紋傾向而被淘汰。丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）無法承受天窗的110℃熱需求。
Webasto團隊之前曾使用玻璃纖維增強苯乙烯馬來酸酐/ ABS（GR-SMA / ABS）作為移動玻璃天窗框架，因此他們將注意力集中在這種材料上，這種材料已經(jīng)在汽車工業(yè)中用于儀表盤基片幾十年了。GR-SMA / ABS低密度、堅硬且堅固，在很寬的溫度和濕度范圍內(nèi)具有非常低的翹曲和變形。因為它是無定形的，所以不需要考慮后模具后結(jié)晶和收縮。此外，它可熔融再加工，焊接良好，其馬來酸酐成分確保了與各種基材的高粘合強度，包括用于將玻璃屋頂連接到天窗模塊的聚氨酯結(jié)構(gòu)粘合劑。
Webasto向其GR-SMA / ABS樹脂供應(yīng)商Polyscope Polymers BV尋求建議可用的等級。 Polyscope提供了兩種可能性——5%-GR XIRAN SGH30EB和30%-GR XIRAN SGH60EB，然后在Webasto進行了小規(guī)模實驗室測試。30%-GR等級偏硬，但不需要更高的E模量來確保防曬劑的順利使用。測試顯示15%-GR等級能夠達到機械性能指標(biāo)，所以團隊選擇使用這種材料，不僅用于左右側(cè)導(dǎo)軌，也用于前橫梁。后橫梁仍保留GR-PP。
下一個決定是使用何種工藝用于生產(chǎn)軌道。該團隊最終決定采用注塑成型工藝。注塑成型可以快速、精確地生成非常復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，具有光滑的表面和美觀性，并具有出色的可重復(fù)性和再現(xiàn)性（R＆R）。此外，它還可以模制孔、切口、卡扣，甚至夾子被模壓，減少二次加工。但對于目標(biāo)應(yīng)用，缺點是注射成型不能在單個步驟中產(chǎn)生中空結(jié)構(gòu)（需要將每個導(dǎo)軌模制成兩件然后連接。）而且工具可能很昂貴。團隊將多個部件合并到一個系列工具中，以降低模具成本。
概念證明
隨著基本概念看起來很有希望，OEM Groupe Renault和模塑商AARK-Shapers加入到開發(fā)團隊。該項目的目標(biāo)是在2016款雷諾風(fēng)景（五座）和七座多用途車（MPV）上設(shè)計一個固定玻璃卷簾天窗模塊的復(fù)合軌道系統(tǒng)。該團隊決定將每個軌道都設(shè)計為具有高水平的功能集成，在左右兩側(cè)的軌道之間具有鏡像對稱性，并且設(shè)計適用于標(biāo)準(zhǔn)（轎車/五座）和長（貨車/房車/七座）車型。該團隊設(shè)計的各個方面現(xiàn)已獲得三項專利。
為了保持工具成本的可控性，該團隊優(yōu)化了模具設(shè)計，允許左右導(dǎo)軌的頂部和底部、前橫梁，以及連接到后部GR-PP橫梁的三個粘接界面（分別模塑）在每個循環(huán)中生產(chǎn)。另一個節(jié)省成本的步驟是AARK-Shapers使用模塊化塊（插入/移除以運行長軌和短軌版本）而不是昂貴的工具滑塊。要在大型系列工具中模制所有八個GR-SMA / ABS組件，這需要一個夾緊力為1,500 kN的注塑機。選擇超聲波焊接連接頂部和底部導(dǎo)軌，并設(shè)計和制造了一個特殊的裝配夾具。
原型設(shè)計和測試階段使團隊能夠完成軌道設(shè)計，預(yù)測生產(chǎn)挑戰(zhàn)并確保零件通過雷諾的驗證測試，其中包括：
◆10000個生命周期的耐久性測試。
◆在-20℃至110℃的溫度范圍內(nèi)，95%相對濕度（RH）下進行三軸振動測試。
◆溫度循環(huán)從85℃到-20℃到50℃，95%相對濕度（RH）下到110℃。
◆粘接后的剝離強度和剪切強度。
◆雷諾NVH的駕駛噪音測試。
◆翻轉(zhuǎn)“螺旋”測試。
◆在23℃下的卷簾操作速度至少為75毫米/秒。
“將擠壓鋁導(dǎo)軌轉(zhuǎn)換成天窗卷簾的塑料解決方案的想法最初是Webasto想到的，并且已經(jīng)獲得專利很長一段時間了。”Webasto研發(fā)部門的Jacques Vivien解釋說，他是設(shè)計成本的行業(yè)專家。“然而，直到最近，都沒有工程塑料能達到這項功能的嚴(yán)格要求。”候選材料必須滿足尺寸精度要求；穩(wěn)定性好，耐溫度和濕度變化；能保持剛度和滑動能力；表現(xiàn)出優(yōu)異的粘合性；做到所有這些并保持成本競爭力。
超出預(yù)期
經(jīng)過兩年多的生產(chǎn)和銷售，復(fù)合導(dǎo)軌的性能達到了預(yù)期的水平，并在OEM和客戶層面都獲可以看到許多優(yōu)勢。例如，ARRK-Shapers的巧妙工具已經(jīng)從該計劃中削減了大量成本。Webasto的設(shè)計比傳統(tǒng)的鋁制組件具有更大的功能集成，并且選擇注塑成型可在單次注塑中創(chuàng)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從而消除了硬件和模具后加工，同時降低了成本。僅軌道生產(chǎn)就從七步減少到兩步。
在雷諾的裝配廠，包括卷簾在內(nèi)的新的天窗系統(tǒng)，完全組裝和測試為一體式單元，由機器人粘合到車頂，省去了兩到三個組裝步驟，并允許重新分配操作人員，進一步降低了成本和時間。最初的系統(tǒng)成本降低了20%左右，但新模塊的零部件更少，這預(yù)計將長期降低保修成本，這可以通過雷諾公司已經(jīng)看到的更低的百萬分之一（PPM）缺陷零件和更高的質(zhì)量來表明。另一個好處是Z軸元件堆疊減少了13 mm，因為整個模塊直接粘接到白車身（BIW）屋頂結(jié)構(gòu)而不是傳統(tǒng)的兩到三步工藝將導(dǎo)軌用螺釘固定在BIW上，然后將模塊固定在導(dǎo)軌上。這不僅為工人提供了更多的裝配線空間，而且在車輛使用期間也為更高的車輛乘客提供更多的頂部空間。另一個細微的改進是，在遮陽操作期間不需要潤滑脂并且降低了噪音/振動/粗糙度（NVH）。與鋁一樣，復(fù)合材料導(dǎo)軌完全可回收利用，但最初生產(chǎn)它們所需的能量較少，并且在車輛使用壽命結(jié)束時需要回收利用。（文章來源于網(wǎng)絡(luò)）
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