Production system of composite side panel for urban city …562082/FULLTEXT01.pdf5 Master of Science...

88
Production system of composite side panel for urban city car LISA NÄÄS Master of Science Thesis Stockholm, Sweden 2011

Transcript of Production system of composite side panel for urban city …562082/FULLTEXT01.pdf5 Master of Science...

Production system of composite side panel for urban city car

LISA NÄÄS

Master of Science Thesis Stockholm, Sweden 2011

2

3

Production system of composite side panel for urban city car 

Lisa Nääs 

Master of Science Thesis MMK 2011:069 {IDE 080} KTH Industrial Engineering and Management 

Machine Design SE‐100 44  STOCKHOLM

4

5

 

 

 

  Master of Science Thesis MMK 2011:069 {IDE 080} 

 

Production system of composite side panel for urban city car 

     

    Lisa Nääs 

Approved 

 

Examiner 

Carl Michael Johannesson 

Supervisor 

Anna Hedlund Åström   Commissioner 

Team H2politO 

Contact person 

Massimiliana Carello 

Abstract 

A  theoretical  study of possible production  systems  for  future production of a  side panel made of composite material and belonging  to an urban  city  car has been  carried out. The  study has  taken place within Team H2politO at the Polytechnic University of Turin in Italy. Three different production volumes have been analyzed considering dimensional  limits, economy, production rate, machinery, material  and  environment.  These  have  been  set  to  1 000,  10 000  and  100 000  components/year. Previous studies within the field have been analyzed, combined and used as a basis in order to arrive at an appropriate choice of production methodology regarding the different production volumes. A comparison with production methods  for  the  side panel  if  it would have been manufactured with aluminum  has  been  made  and  the  profitability  of  composite  production  has  been  evaluated. Production‐ and material data have been collected from the software CES EduPack and revised based on study visits and interviews. The side panel has thereafter been edited and dimensioned  in terms of  recommendations  for  optimization  of  a  future  production.  Modeling  has  been  made  using Autodesk  Alias  Design,  Photoshop  and  Edraw  Max.  Furthermore,  overview  plan  drawings  of production plants have been made.  

The study has given results  in terms of recommendations and requirement specifications for future projects within  the  field. For continued studies about  the profitability of composite production, an accurate  study  about  different  composite  materials  including  tests  of  material  characteristics  is suggested.  A  detailed  plan  of  the  production  plant with  exact  dimensions  and  technical  data  for optimization of production time is also recommended. In addition to this, it is essential to develop a better  assembly  system  between  the  side  panel  and  the  roof  panel  as  well  as  investigate  the possibility  of  a  more  profitable  production  method  for  medium‐  to  large  scale  production  of composite details.  

6

7

 

 

 

  Examensarbete  MMK 2011:069 {IDE 080} 

 

Produktionssystem av komposit sidopanel på en stadsbil 

     

    Lisa Nääs 

Godkänt 

 

Examinator 

Carl Michael Johannesson 

Handledare 

Anna Hedlund Åström 

  Uppdragsgivare 

Team H2politO 

Kontaktperson 

Massimiliana Carello 

Sammanfattning 

En  teoretisk  studie  av  möjliga  produktionssystem  för  framtida  produktion  av  en  sidopanel  i kompositmaterial på en stadsbil har utförsts. Studien har ägt rum  inom Team H2politO på Tekniska Högskolan  i  Turin  i  Italien.  Tre  olika  produktionsvolymer  har  analyserats  med  avseende  på dimensionsgränser, ekonomi, produktionstid, maskineri, material och miljö. Dessa har valts till 1 000, 10 000  respektive  100 000  komponenter/år.  Tidigare  studier  inom  ämnet  har  analyserats, kombinerats och använts som underlag för att komma fram till lämpligt val av produktionsmetod för de  olika  produktionsvolymerna.  En  jämförelse med  produktionsmetoder  för  sidopanelen  om  den skulle  ha  varit  tillverkad  i  aluminium  har  gjorts  och  lönsamheten  av  komposittillverkning  för komponenten har utvärderats. Produktions‐ och materialdata har hämtats ur datorprogrammet CES EduPack samt reviderats utifrån studiebesök och  intervjuer. Sidopanelen har därefter med hjälp av rekommendationer  anpassats  och  dimensionerats  för  att  optimera  en  framtida  produktion. Modellering  har  skett  i  datorprogrammet  Autodesk  Alias  Design,  Photoshop  och  Edraw  Max. Ytterligare har översiktsritningar på produktionsanläggningar gjorts. 

Studien har gett  resultat  i  form av  rekommendationer och kravspecifikationer  för  framtida projekt inom  området.  För  fortsatta  studier  inom  lönsamheten  av  kompositproduktion  föreslås  en noggrannare analys av olika kompositmaterial samt tester av materialegenskaper. En detaljritning av produktionsanläggningen med mer exakta mått och tekniska data  för optimering av produktionstid rekommenderas  också. Utöver  dessa  förslag,  är  det  nödvändigt  att  utveckla  en  bättre  lösning  på montering mellan sidopanelen och takpanelen samt en mer lönsam produktionsmetod för medel‐ till massproduktion av kompositdetaljer.   

 

8

   

9

Table of Contents 

Chapter 1.  Introduction and Background .................................................................................... 11 

1.1.  A Short Introduction to Team H2politO ................................................................................ 11 

1.2.  Purpose .................................................................................................................................. 13 

1.3.  Method .................................................................................................................................. 14 

Chapter 2.  Case Study of the Prototype Production of the Side Panel ....................................... 17 

2.1.  Background ............................................................................................................................ 17 

2.2.  Prototype Production ............................................................................................................ 18 

2.3.  Summary and Observations .................................................................................................. 23 

2.4.  Recommendations................................................................................................................. 23 

2.5.  Conclusion ............................................................................................................................. 23 

Chapter 3.  Case Study of the Design of the Side Panel ............................................................... 25 

3.1.  Background ............................................................................................................................ 25 

3.2.  Dimensional Limits ................................................................................................................ 26 

3.3.  Manufacturing and Assembly ................................................................................................ 27 

3.4.  Aero Dynamics ....................................................................................................................... 30 

3.5.  Overall Summary and Conclusion ......................................................................................... 32 

Chapter 4.  Bench Marking – an Introduction to Composite Production Systems ...................... 33 

4.1.  Background ............................................................................................................................ 33 

4.2.  Flax Fiber ............................................................................................................................... 33 

4.3.  Composite Production ........................................................................................................... 34 

4.4.  Recommendations and Conclusion ....................................................................................... 41 

Chapter 5.  Composite Production with respect to the Side Panel .............................................. 43 

5.1.  Background ............................................................................................................................ 43 

5.2.  Dimensional Limits ................................................................................................................ 43 

5.3.  Economical Characteristics .................................................................................................... 47 

5.4.  Production Rate ..................................................................................................................... 51 

5.5.  Overall Summary and Conclusion ......................................................................................... 52 

Chapter 6.  Metal Production with Respect to the Composite Production of the Side Panel ..... 54 

6.1.  Background ............................................................................................................................ 54 

6.2.  An Introduction to Aluminum Production ............................................................................. 54 

6.3.  Dimensional Limits ................................................................................................................ 55 

6.4.  Economical Characteristics .................................................................................................... 56 

6.5.  Production Rate ..................................................................................................................... 58 

10

6.6.  Overall Summary and Conclusion ......................................................................................... 58 

Chapter 7.  Proposal of Medium to Large Scale Composite Production of the Side Panel .......... 60 

7.1.  Background ............................................................................................................................ 60 

7.2.  Machinery, Equipment and Plant Lay‐out ............................................................................. 60 

7.3.  Manufacturers ....................................................................................................................... 63 

7.4.  Environment and Life Cycle ................................................................................................... 66 

7.5.  Overall Summary and Conclusion ......................................................................................... 67 

Chapter 8.  Recommended Future Projects and Requirement Specifications ............................. 68 

8.1.  Assembly System ................................................................................................................... 68 

8.2.  Material Study ....................................................................................................................... 68 

8.3.  Plant Lay‐out .......................................................................................................................... 69 

8.4.  Recycling ................................................................................................................................ 70 

Chapter 9.  Discussion and Conclusions ....................................................................................... 72 

Bibliography ........................................................................................................................................... 74 

Appendix 1 – Interviews ........................................................................................................................ 76 

Appendix 2 – Data Sheet of FlaxPreg .................................................................................................... 80 

Appendix 3 – Data Sheet of Aluminum ................................................................................................. 82 

Appendix 4 – Physical Attributes ........................................................................................................... 84 

Appendix 5 – Economical attributes ..................................................................................................... 86 

Appendix 6 – Press Data Sheet, Dieffenbacher ..................................................................................... 88 

    

11

Chapter 1. Introduction and Background A theoretical study of possible production systems for future composite production of the side panel of  an  urban  city  car  is  under  development  at  the  Polytechnic  University  of  Turin  in  Italy.  The development takes place as part of a student project were students within different fields of study amplify and improve different parts of the car that at the end affiliate a manufacturing base for the entire car. A prototype of the car is built and the results are analyzed and tested for improvement.  

This master  thesis  took  place within  Team  H2politO,  subdivision  XAM  ‐  a  team whose  aim  is  to improve the performance of the low energy consumption urban city vehicle XAM that is illustrated in Figure 1.1. 

 Figure 1.1. XAM ‐ a low energy consumption vehicle1 

1.1. A Short Introduction to Team H2politO Team H2politO was founded in 2007 by 13 engineering students within different fields of expertise at the Polytechnic University of Turin by the help of Eng. Cozzari and the Faculty Advisor Eng. Carello. In 2011,  the  number  of  team members  had  increased  to  approximately  45  students  [1].  Figure  1.2 illustrates part of the team outside of the Polytechnic University of Turin in July 2011.  

Figure 1.2. The team H2PolitO outside of the Polytechnic University of Turin

The team  is divided  into two subdivisions – XAM and  IDRA – whose prototype data  is  listed on the following page [2]. 

1 Figure from report: Team H2politO, Urban Concept 534: Technical Innovation Award, page 2 [2011.06.22] 2 Figure from website: Facebook, Team H2politO, URL: http://www.facebook.com [2011‐08‐15] 

12

XAM – Figure 1.1 – is a prototype of an urban vehicle with low energy consumption  • Length: 2800 mm 

• Height: 1280 mm 

• Width: 1300 mm 

• Mass: 190 kg 

• Power: 1 kW 

• Propulsion: parallel hybrid 

• Storage energy type: Ultra cap 

• Motor: internal combustion engine + electric motor 

• Body: natural fiber composites – FlaxPreg (epoxy resin and flax fiber) 

• Human interface: embedded system + LCD screen 

IDRA – Figure 1.3 – is a prototype of a competition vehicle with low energy consumption • Propulsion: hydrogen fuel cell (1 kW) 

• Motor: one brushed electric motor (200 W) 

• Transmission: cogwheels with direct engaging 

• Electronics: digital engine control 

• Tank: hydrogen cylinder (200 bars) 

• Body: carbon fiber monocoque 

• Mass: 38 kg 

 Figure 1.3. IDRA3 

 “The  Team  work  and  the  prototypes  can  be  considered  as  a  business  laboratory  in  which  it  is necessary  to  have  the  right  balance  of  technical  and  managerial  capabilities.  Therefore,  within H2politO, the technological competencies concerning the prototypes/products and the organizational skills are both developed.” [3]  

Figure  1.4  shows  the  different  areas  of  expertise  (educational  paths)  vs.  the  management  and organization of Team H2politO for the development of the innovative prototypes XAM and IDRA. 

3 Figure from website: Politecnico di Torino, Idra, URL: http://srvh2polito.polito.it/en/prototypes.html [2011.06.22] 

Figure 1.4.

1.2. The  purpmethods opossibilitymetal proof the desrespect to

• D

• M

• Ae

The smallthrough atook  placcomponen

• D

• Ec

• Pr

After  the chosen. Aout were s

4 Figure from 

. The different a

Purposeose  of  the  tof the side pay with respectduction systesign of the sido: 

imensional lim

Manufacturing

ero dynamics

 scale produc case study. Tce  in  2011. nts/year – we

imensional lim

conomical cha

roduction rat

analysis,  posA proposal of subsequently

website: Politecni

areas of expertisfor the develop

e thesis  was  toanel of the out to the manuems for car code panel wer

mits 

g and assemb

ction – up  toThis was baseA  possible 

ere on the oth

mits 

aracteristics 

ssible  producmachinery, ey to be compl

ico di Torino, Team

se (educational pment of the inn

o  investigateuter body of tual method usomponent prre thereafter 

ly 

o 1 000 comped on the mamedium  to

her hand ana

ction  systemsequipment aneted conside

m H2politO, URL: h

13

paths) vs. the mnovative protot

e  the  possibithe urban citysed for its prooduction. Somto be given i

ponents/year anufacturing oo  large  scallyzed with re

s  for mediumnd manufacturing the life c

http://srvh2polito

management andtypes XAM and I

ility  of  differy car XAM anototype prodme recommen order to fa

– of  the sideof the protote  productiospect to: 

m  to  large  scurers of thesecycle of the si

.polito.it/en/team

d organization oIDRA4 

rent  composnd compare auction as welendations for cilitate the p

e panel was  type of the sidn  –  10 000 

cale  productioe including a de panel.  

m/who‐we‐are.htm

of Team H2politO

site  productiond analyze thll as to possibimprovemen

production wi

to be analyzede panel whicand  100 00

on were  to  bbasic plant la

ml [2011.06.22] 

 O 

on his ble nts th 

ed ch 00 

be ay‐

14

The  considered material  for  the  side  panel  in  all  of  the  above mentioned  analysis  of  composite material production was  kept  the  same  as  the material used  for  the prototype production of  the urban city car XAM. The reason was to be able to compare the medium to mass scale production to the already made small scale production. The material was:  

• FlaxPreg – thermosetting epoxy resin reinforced with flax fiber.  

A study of a possible metal production system was made for the purpose of getting an overview of the  differences  and  similarities  of metal  production  compared  to  composite  production.  For  the study of possible metal production  systems,  the material was  chosen  after  a  recommendation by Professor Settineri [4] and thereby set to:  

• Aluminum Al 2024.  

Additional reasons  for choosing Al 2024  is  its properties of high damage tolerance and  low density making it a popular alloy for automotive and aerospace production. 

1.3. Method The project methodology was carried out in steps, the different steps being presented and explained below. After every step a conclusion and recommendations were to be presented. 

Step 1: Case Study – Prototype Production of the Side Panel of XAM   a) Case study of the prototype production system used for the production of the side panel of 

XAM in 2011, also considering its surface finish through interviews and a study visit. b) A  theoretical material  study of  the physical and mechanical  characteristics of  the material 

used for the production of the side panel through literature research. c) Design study of the side panel through interviews. 

Step 2: Bench Marking – Production Systems a) To do a bench marking of possible composite production systems for future medium to large 

scale production of the side panel in the course of literature studies. b) To do a general bench marking of possible production systems for the current production of 

aluminum  car  components  including a  study of  the  characteristics of  the material Al 2024 through literature studies. 

Step 3: Choose Suitable Systems for Different Production Volumes considering a) Dimensional limits b) Economical characteristics c) Production rate 

Step 4: Investigate the Producibility of the Side Panel of XAM a) Investigation of  the producibility of  the  side panel with  respect  to  the  chosen production 

systems and give recommendations of possible changes  in design of the side panel of XAM for facilitating its future production. 

b) Choosing possible material, machinery and equipment manufacturers  for the production of the side panel through literature studies and recommendations by team members. 

c) Considering the life cycle of the side panel. 

Step 5: Ma) An

m

When havwere givepresentat

Figure  1.5showing  tsimultaneprocessesanalysis an

5 Producer: LisEdraw Max: v

Metal Producnalyze the ch

methods and c

ving carried on. Documention of the pro

5  gives  an  ovthat  the benceously  but  se  for  investigand recommen

sa Nääs. Student –version Professiona

ction hosen systemcompare poss

out all of the tation was keoject was held

verview  of  thch marking oparately  in oating  the prondations to th

Figure 1.5. O

 

– Design and Prodal 5.2, 2010 

s for compossible advantag

steps 1 – 5, pt throughoud the 20th of D

he methodolof  the procesorder  to  lateroducibility of he design of t

Overview of the 

uct Realization. KT

15

site productioges and disad

recommendaut the projectDecember 20

logy  of  the  pss  and  the  car  be  tied  togthe  side panthe side pane

methodology u

TH Royal Institute 

on with respedvantages.  

ations for futu and a report011 at KTH Ro

project  in  thease  study of gether when nel. Thereafteel were made

used for the thes

of Technology [20

ect to the me

ure studies at was writtenoyal Institute 

e  form  of  a the  side panchoosing  theer,  the proce. 

sis5 

011], Software use

etal productio

nd conclusio. To concludeof Technolog

block  diagranel were made  best  suitabess design, co

ed to create Figure

on 

ns e a gy.   

am de ble ost 

e: 

16

 

Chap

A  case  stunderstanprocedureproductiocomponenwith respe

2.1. The body products oautoclave interview company,

The entireand assemput the inwill not bmanufactu

6 PhotographeProduct RealiEdraw Max: v7 Producer: LisEdraw Max: v

pter 2.

udy  of  the  pnding  of  proe  with  recomn  is  here  dents/year. Theect to the tim

Backgroof  the protoof composite molding andwith  one  o go to the firs

e production mbly – accordterest of the e additionallyuring of the m

er: Roozbeh Hashezation. KTH Royal version Professionasa Nääs. Student –version Professiona

Case Pane

production  ofototype  compmmendationsfined  as  a  sme process usedme of product

Figure 2

ound otype of  the materials. Thd  is describedof  the  emplost interview in

process  canding to Figurestudy on they analyzed. Tmold) and sur

Figure 2.2. A b

emi. Student – AutInstitute of Technal 5.2, 2010 – Design and Prodal 5.2, 2010 

 Study of el f  the  side  paposite  produ  for  future mall  scale  prd for the prodion and numb

2.1. The side pa

urban vehiclhe method usd below baseoyees  [5].  Fon Appendix 1

 be divided  ie 2.2. After a e production –The productiorface finishing

block diagram o

tomotive Engineenology, Software u

uct Realization. KT

17

 the Proto

anel,  Figure  2uction  as  weproduction  aroduction witduction of thber of employ

nel of XAM is m

e XAM was psed was handed on a visit or  more  info – Interviews

into  three blmeeting with– which is whon  incorporatg plus paintin

of the entire pro

ring. Politecnico dused to edit Figure

TH Royal Institute 

otype Pro

2.1  (red),  ofell  as  to  getand  studies  wth  a  producte side panel oyees.  

marked in red6 

produced at d lay‐up followto EXP  the 1ormation  abo. 

ocks – mold h Professor Chy the mold mtes surface prg/wrapping o

ocess of product

di Torino, Editor: Li: Adobe Photosho

of Technology [20

duction o

XAM was mt  a  documenwithin  the  aion  volume  oof XAM in 20

EXP, a  compwed by vacuu1st of  July 201out  the  inter

manufacturiCozzari [6] it wmanufacturingreparation ofof the final pie

tion7 

isa Nääs. Student –op Elements: Versi

011], Software use

 of the Side

made  to  get  antation  of  threa.  Prototypof  up  to  1 0011 is describe

pany producinum bagging an11  including arview  and  th

ng, productiowas decided g and assembf the mold (nece.  

– Design and on 6.0, 2000 and 

ed to create Figure

an he pe 00 ed 

ng nd an he 

on to bly ot 

e: 

18

The main reason for choosing to put the focus of the study on the production of the side panel as a means of analysis throughout this project was the representative composition of the side panel. The production system of the side panel could be applied to the future production of many other body parts  because  of  its  representative  design.  The  design  of  the  side  panel  and  thereby  also  the production  system share  similarity with many other body parts. Amongst others  these  include  the roof panel, the front hood as well as some components of the door panels and interior design.  

Before choosing the side panel, the focus was put first on the front hood, then on the door panel and finally  on  the  aluminum  chassis  of  the  vehicle.  All  of  these were  iteratively  excluded  because  of different  reasons. The  shape of  the  front hood was  too  simple  for being  sure of  the possibility of applying  the  production  systems  found  for proposed  future production  to other parts of  the  car, while  the composition of  the door panel was  found  to be too complex. The door panel  is made of many different parts of complex designs where each part might require  its own analysis and study. The chassis was excluded on the basis of being made of aluminum  instead of composite materials. Before considering a change of material of the chassis, a material study with mechanical tests has to be done considering the desired properties of a car frame regarding the security. 

2.2. Prototype Production Each  step  of  the  production  of  the  side  panel  and  the  surface  finish  of  the  final  product  is  here explained in more detail including the time taken and the number of employees needed. 

Step 1: Mold Preparation  What?   ‐  The  surface  of  the mold was  finished  and  a  “release  painting” was 

sprayed  onto  the  mold.  See  Figure  2.3  for  an  example  of  surface finishing of a mold  

Why?   ‐ To facilitate the detachment of the final component from the mold Time needed    ‐ 8 hours Employees    ‐ 1 person Method    ‐ Manual Equipment/material  ‐ Sandpaper, rasp, filler and release paint  

Figure 2.3. Surface finishing at EXP8 

   

8 Photographer: Francesco Avesio. Student – Industrial Design. Politecnico di Torino [2011] 

19

Step 2: Lamination (Hand lay‐up) What?   ‐ A matrix brushing  (resin + gel coat  lay‐up) of  fiber was manually put 

onto the mold. Simultaneously, linen cloths were cut in accordance with the  shape  of  the  side  panel.  Figure  2.4  shows  an  example  of matrix brushing and linen cloth cutting for the production of the front hood of XAM 

Why?   ‐  To  create  different  fiber  structures  (unidirectional  or  bidirectional) layer by  layer  in order  to achieve  the desired mechanical and physical characteristics of the side panel 

Time needed    ‐ 6 hours Employees    ‐ 4 people Method    ‐ Manual Equipment/material  ‐ Scissors, linen cloths, resin and gel coat 

Figure 2.4. Matrix brushing and linen cloth cutting of the front hood of XAM9 

Step 3: Preparation for Autoclave Treatment 1 What?   ‐ The  top  layer of  the  fiber and  resin was  covered with a breather  (a 

plastic  film with holes)  and  an  absorbent.  Figure 2.5  shows breathers with different characteristics at EXP 

Why?   ‐  The breather  allows  the  excess of  resin out  for  absorption  to  avoid discontinuities in the section thickness of the component ‐The absorbent takes up the excess of resin to facilitate the separation of the final component from the vacuum bag 

Time needed    ‐ 0.5 hours Employees    ‐ 4 people Method    ‐ Manual Equipment/material  ‐ Scissors, breather and absorbent 

9 Photographer: Andrea Serra. Student – Industrial Design. Politecnico di Torino [2011] 

20

Figure 2.5. Examples of breathers with different structures and hole dimensions at EXP10 

Step 4: Preparation for Autoclave Treatment 2 What?   ‐ A vacuum bag is sealed around the component together with its mold 

and air is extracted through one or more valves by the help of a vacuum pump. Figure 2.6 shows a vacuum bag closed around a component 

Why?   ‐ To create a vacuum around the component for initiating the curing of the resin 

Time needed    ‐ 1 hour Employees    ‐ 2 people Method    ‐ Manual Equipment/material  ‐ Vacuum bag, vacuum pump 

Figure 2.6. A vacuum bag closed around a component. The white part being an absorber11 

Step 5: Polarization 1 – Room Temperature Curing What?   ‐  The piece  that  is now  inside of  the  vacuum bag was put  to  cure  in 

room temperature (20‐25 °C)   Why?   ‐ For the purpose of the polarization of the component Time needed    ‐ 35 hours Employees    ‐ 0 people Method    ‐ Automatic Equipment/material  ‐ No equipment needed 

10 Photographer: Lisa Nääs. Student – Design and Product Realization. KTH Royal Institute of Technology [2011] 11 Photographer: Andrea Serra. Student – Industrial Design. Politecnico di Torino [2011]

21

Step 6: Polarization 2 ‐ Autoclave Treatment  What?   ‐  The  component  –  covered  with  a  vacuum  bag  –  is  put  into  the 

autoclave  where  the  temperature  and  pressure  are  controlled  and vacuum kept. The autoclave at EXP is shown in Figure 2.7 

Why?   ‐ For the polarization of the component Time needed    ‐ 3 hours Employees    ‐ 0 people Method    ‐ Automatic Equipment/material  ‐ Autoclave  

Figure 2.7. The autoclave at EXP that was used for curing process of the side panel12 

Step 7: Extraction What?   ‐ The piece  is taken out  from the vacuum bag and separated  from the 

mold as shown in Figure 2.8.   Why?   ‐ To receive the final component Time needed    ‐ 1 hour Employees    ‐ 4 people Method    ‐ Manual Equipment/material  ‐ Scissors and tools for separating the component from the mold 

Figure 2.8. The piece is extracted from the mold13   

12 Photographer: Lisa Nääs. Student – Design and Product Realization. KTH Royal Institute of Technology [2011] 13 Photographer: Francesco Avesio. Student – Industrial Design. Politecnico di Torino [2011] 

22

Step 8: Surface Finishing   What?   ‐ The piece was grinded and filled. In Figure 2.9 one can see the surface 

finish of one component of the body of XAM Why?   ‐ To obtain the wanted surface Time needed    ‐ 8 hours Employees    ‐ 2 people Method    ‐ Manual Equipment/material  ‐ Sand paper, rasp, sander and filler  

Figure 2.9. Surface finishing of a component at EXP14 

Step 9: Wrapping  What?   ‐ The outer surface of piece was wrapped  Why?   ‐ To obtain the wanted surface color and design  Time needed    ‐ 8 hours Employees    ‐ 2 people Method    ‐ Manual Equipment/material  ‐ Wrapping paper 

The total time taken to produce the side panel of XAM was approximately 70 hours. In Figure 2.1015, a Gantt chart gives an overview of the time taken and the number of employees needed for each of the step included in the production process.  

14 Photographer: Andrea Serra. Student – Industrial Design. Politecnico di Torino [2011] 15 Producer: Lisa Nääs. Student – Design and Product Realization. KTH Royal Institute of Technology, Software used to create table: Microsoft Office Excel: version, 2007 

23

2.3. Summary and Observations A small scale production of the side panel, as the one explained  in this chapter,  is time consuming and  thereby  out  of  question  for medium  to  large  scale  production.  An  overview  shows  that  the method is mostly manual except for the polarization step where the autoclave is used for curing. This step does not require any employees. Lamination, autoclave treatment 1 and extraction of the side panel  from  the mold  are  the  three  steps  requiring  the  largest  number  of  employees  with  four employees/operation.  Two  employees/operation  are  needed  during  the  second  preparation  for autoclave  treatment, surface  finishing and wrapping while  the mold preparation only  involves one employee.  Step 5  (polarization 1)  takes  the  longest amount of  time with a  span of 35 hours. The fastest operation is the first autoclave treatment lasting 0.5 hours.  

All equipment used for the manual steps of this prototype production can be obtained at  low costs and  include  simple  tools  such  as  sandpaper,  rasps,  scissors  and  a  vacuum  pump.  The  automated second polarization  step however,  requires  the usage of an autoclave which  results  in  the highest investment throughout the entire process.  

2.4. Recommendations Decreasing or entirely excluding the first polarization step (room temperature curing)  is possible by using  the autoclave  for all of  the curing process. This would  increase  the  second polarization  step from  3  hours  to  12  hours  but  eliminate  the  first  polarization  and  thereby  decrease  the  total production time by 26 hours.   

Experimenting  with  the  amount  of  people  at  each  of  the  stations  of  the  production  line  is  of importance for optimizing the production rate of future prototype production. This could be done by decreasing or  increasing  the  number  of  employees  at  each  station  studying  how  the  time  of  the operation  changes  in  relation  to  the  number  of workers  and  thereby make  a  suitable  design  of production line for the wanted purpose.  

2.5. Conclusion To document the process of prototype production of the side panel, facilitates the understanding of the procedure and makes  it possible  to  come with  recommendations  for  future  studies  regarding 

Figure 2.10. A Gantt chart showing the time taken for each step and the amount of people required. The x‐axis shows the time taken in hours while the y‐axis shows the different steps from 1‐9 

24

small scale composite production. Underlining the knowledge of the time taken and the number of employees needed for each of the production step gives an advantage for future studies about how to  optimize  the  production  line  and  increase  the  production  rate.  Experiments  can  be made  by changing the parameter of number of workers and studying how the time per operation  is affected by this change. This documentation applies only to the prototype composite production of the side panel. For a more general study about small scale composite production, research would have to be done at a variety of different production plants manufacturing different kinds of components.     

25

Chapter 3. Case Study of the Design of the Side Panel A case study of the design of the side panel was made for the purpose of finding possible solutions and recommendations  for  improvements  in design as well as  for  facilitating  future production. The fields covered were dimensional limits, manufacturing, aero dynamical restrictions and assembly.  

3.1. Background The  side panel of XAM was designed by Andrea Serra  [7] and Francesco Avesio  [8],  two  industrial design students within Team H2politO. An interview with Andrea Serra took place in order to find out more about the thoughts behind the design, eventual experienced problems during the production process, critical parts and unchangeable parts. For more details about the questions asked during the interview,  go  to  the  second  interview  in Appendix  1  –  Interviews.  In  Figure  3.1,  one  can  see  the position of the side panels (dark blue) in relation to the other parts of the vehicle.

 

Figure 3.1. Parts for assembly of XAM16 

16 Figure from report: Carello, Massimiliana and Airale, Andrea. Urban Concept 534: Technical Innovation Award. Team H2politO [2011] 

3.2. One essenproductiodimension

• Se

• W

• M

• Do

SummarAccordingend of  thDifficultiethicknesse

The  seconcould not with the sconsequedifferentia

17 Producer: LAutodesk Alia

Dimensintial factor fon  is  to  knowns. The dimen

ection thickne

Weight: 5 kg 

Maximum heig

oor dimensio

ry and Obseg to Andrea Se productions in the parties.  

nd main probreach the edsame structuntly made of ations of mec

Lisa Nääs. Student as Design: version 

ional Limior the possibilw  its  approxnsions of imp

ess: 2 mm 

ght x maximu

ons, height x l

Figure 3.2

ervations erra, one of tn process whng occurred 

blem was  thedge of the shral  layers as merely epox

chanical mate

– Design and Prod2012 

its lity of improvimate  dimenortance can b

m length: 130

ength: 780 x 

2. Approximate 

the main proen  the  side pbecause of ti

e  fragility of  sarpest cornethe rest of thxy resin withoerial propertie

duct Realization. K

26

ving the designsions  and  thbe seen in Fig

00 x 2200 mm

1100 mm2  

dimensions of t

blems causedpanel was  toight release a

sharp cornerrs due to smhe componenout any reinfoes within the 

KTH Royal Institute

gn of the sidehe  eventual gure 3.2 and i

m2  

the side panel17

d by the dimeo be parted  fangles, non‐p

s. Some of  tall dimensionnt. The edgesorcement of fpiece, see Fig

e of Technology [2

e panel for facproblems  ren the list belo

 

ensions occurfrom  the mollanar shapes 

he  layers of ns and therebs of the sharpflax fiber resugure 3.3. 

2011], Software us

cilitating futulated  to  theow.  

rred during thld after  curinand small wa

flax  fiber cloby not fill thep corners weulting in cruc

sed to create Figur

re se 

he ng. all 

th em re ial 

re: 

RecommA  recommchange wifiber cloth

The radiusdetailed sproductio

3.3. Another  imthe  assempreferablysimple mainvestmen

All of the roof panebumper. Tspoiler an

18 Producer: LEdraw Max: v19 PhotographProduct Realiand Edraw Ma

Figure 3.3.

mendations mended  solutill both assist h to reach eac

s of the rountudy about tn of the side 

Manufacmportant  facmbly  of  the y be kept as anufacturing nt of the equi

colored partsl, a left side dThe roof pand the doors (

Figu

Lisa Nääs. Student version Professionaher: Roozbeh Hashzation. KTH Royal ax: version Profes

. The layers of F

tion  of  the  pin the produch part of the

nding dependhe fiber clothpanel is need

cturing anctor when waside  panel  tsimple as poand  a  simplipment and th

s in Figure 3.4door with leftel and the wleft side, righ

ure 3.4. The neig

– Design and Prodal 5.2, 2010 and Phemi. Student – AuInstitute of Technsional 5.2, 2010 

FlaxPreg cannot 

problem withction step of e mold cavity 

s on the charhs and the chded before de

nd Assembanting to facito  its  neighbssible withoue manufactuhe mold.  

4 are neighbot side window

windows are mht side and rea

ghboring parts t

duct Realization. Kaint: version 2000utomotive Engineenology [2011]. Soft

27

reach the edges

h  the  sharp  cextracting ththereby decr

racteristics anharacteristics eciding a fina

bly litate the proboring  parts. ut failing to fring usually 

oring parts to w, a spoiler, amade out of ar door) are m

to the side pane

KTH Royal Institute0 ering. Politecnico dtware used to edit

s of corners that

corners  is  tohe side panel reasing the fra

nd compositiof the specifl radius of the

oduction  is thThe  shape 

ulfill  its purpdecreases  th

the side pana rear door wtransparent made of flax f

el shown in blue 

e of Technology [2

di Torino. Editor: Lt Figure: Adobe Ph

t are too sharp1

increase  thefrom its moldagility of the 

on of the fibefic compositioe rounded co

he manufactuof  the  comose. A simplee production

el and consiswith rear windlexan while tfiber and epo

and red19 

2011], Software us

Lisa Nääs Student hotoshop Elements

18 

eir  radius.  Thd and allow thsharp corner

ers [9]. A moon used for thrners. 

uring  itself anponent  shoue shape mean  time  and  th

st of a fender,dow and a rethe  fender, thoxy resin.  

sed to create Figur

– Design and s: Version 6.0, 200

his he s.  

ore he 

nd uld ns he 

, a ear he 

re: 

00 

28

For  the  assembly  it  is  also  essential  to  know  more  about  the  properties  of  these  neighboring components. The external body parts can be divided into three groups shown in different colors as in Figure 3.5 where the moving parts are represented in green, the fixed parts bounded to the chassis are shown in blue and the dismountable parts threaded to the chassis are illustrated in red [10]. The side panel belongs to the blue group being a fixed part bounded to the chassis. The position of the side panel in relationship with the car chassis is further illustrated in Figure 3.6 on the following page. The blue  side panel  in  a)  is  attached  to  the  aluminum  chassis  in  c).  The  green door  in  a)  can be removed as shown in b) and is attached to the side panel.  

 

Figure 3.5. The external components of XAM20   

20 Figure from report: Carello, Massimiliana and Airale, Andrea. Urban Concept 534: Technical Innovation Award. Team H2politO [2011] 

29

 

 

Figure 3.6. The placement of the side panel with respect to the car chassis21 

21 Figure from report: Carello, Massimiliana and Airale, Andrea. Urban Concept 534: Technical Innovation Award. Team H2politO [2011] 

a) 

b) 

c) 

SummarMost of nregarding Figure 3.7result of inbe divided

RecommFinding  acomplexitAnother swith corre

A  study whow the aof a detaifor future 

3.4. When desto be takeTeam H2pmore aboabout the

The wheeinside as which cansurface sheven entewheel is n

22 Producer: LAutodesk Alia

ry and Obseneighboring pthe producti

7, making thencreasing thed in parts eve

Figu

mendations n  alternativety  of  the masolution is to esponding ho

within  the areassembly of thled plan showimprovemen

Aero Dysigning a sideen into considpolitO  interestout how the d questions as

l of XAM is alillustrated  in n  lead to an  ihape. In a perering  the whenot necessary

Lisa Nääs. Student as Design: version 

ervations parts and  theion process. Te production e cost of moldry time a new

ure 3.7. The shap

e  way  of  fasnufacturing. add fasteningles in the side

ea of producthe side panelwing the assents.  

ynamics e panel of a caderation. An ited  in aero ddesign of thesked during th

ligned to the Figure 3.8. Tncrease of kirfect case, theel  arch.  In  t due to the lo

– Design and Prod2012 and Edraw M

e assembly oThe upper pacomplex by fd manufacturw piece is to b

pe of the side pa

stening  the An  example g plugs that ce panel for as

tion complex in relation toembly of the e

ar, the aero dnterview withdynamics [11] side panel ohe interview, 

external bouThe purpose inetic energye air would fthe  case of Xow speed of t

duct Realization. KMax: version Profe

30

f  these  to  thart of the sideforcing the mring and the tbe parted from

anel makes the 

roof  panel  tis  to  attach 

could be diressembly.  

xity  is  recommo the roof panentire car wo

dynamical resh the master ] took place tof XAM  is relasee the third

undary of the is to avoid oy [12]. This  is flow past the XAM, a  compthe car.   

KTH Royal Instituteessional 5.2, 2010

he  side panele panel howe

mold to be matime of produm the mold a

manufacturing 

to  the  side the  roof  pactly included 

mended  for  rnel could be iould also be o

strictions comstudent Roozthe 1st of Novated to aero d interview in

fender and sr decrease thpossible by awheel and s

plete eliminat

e of Technology [2

l did not  cauever is curvedade of two pauction since tafter curing.  

complex22 

panel  couldnel  by  the  hin the struct

receiving a dimproved. A dof interest as 

mbined with azbeh Hashemvember  in ordynamics. FoAppendix 1 –

side panel, or he vortex aroavoiding suddide panel smtion of air  flo

2011], Software us

se any  troubd for assembarts. This hashe mold has 

  decrease  thhelp  of  screwure of the ro

etailed plan documentatioa ground wo

aesthetics havmi, a member der to find oor more deta– Interviews.

maybe slightound the wheden changes oothly withoow around  th

sed to create Figur

ble ly, s a to 

he ws. oof 

of on ork 

ve of ut ils 

tly eel in ut he 

re: 

In additiospoon shaarch  instebehind anthe air vol

23 Producer: LVehicle Aero 24 Producer: LAutodesk Alia

n the fender ape  is causedead of  lettingnd around thlume in the w

Figure 3.

Lisa Nääs. Student Dynamics, ChapteLisa Nääs. Student as Design: version 

Figure 3.8. 

is designed id when  the  rg  it  flow paste wheels  in awheel compar

9. The lokary is 

– Design and Prod

er 2, lecture slide b– Design and Prod2012 and Edraw M

The arrows sho

n order to avoundings havt  the  side of accordance wrtment in diso

added to reduc

duct Realization. Kby Professor Paoloduct Realization. KMax: version Profe

31

ow how we want

void “spoon” ve  too big ofthe wheel. A

with Figure 3.ordered moti

ce the air volum

KTH Royal Instituteo Massai, PolytechKTH Royal Instituteessional 5.2, 2010

t the air to flow

shape that cf a  radius  leaA  smooth  lok.9. The purpoon [12]. 

e in the wheel c

e of Technology [2nic University of Te of Technology [2

w23 

can create meding  the air kary  (wheel ose  is once a

compartment24 

2011]. Hand sketchTurin. 2011]. Software us

ess and drag.into  the whearch)  is placegain to redu

h inspired by Land 

sed to create Figur

 A eel ed ce 

re: 

32

Summary and Observations The most  important part of the side panel  in terms of aero dynamics  is the wheel arch. Other than that the side panel does not have any major  influence of the total aero dynamics of the vehicle as long as  its shape  is continuous and smooth avoiding drastic changes. Being part of a city car with a low maximum speed, the current design of the side panel has not experienced any major difficulties in terms of aero dynamics.   

Recommendations There is always room for improvements regardless of the essentialness of these. One advice of how to improve the aero dynamics further could be to add a brake cooling duct to the frontal wheel arch passing through it to the rear wheel arch. This would be done to decrease the air volume around the wheels further in order to not loose kinetic energy when the speed of the car increases. This is not an essentially important change because of the current speed limits of XAM, but might be necessary for future development of the car if  it will be able to drive faster in the future. Another possibility with similar results would be to add a sill below the side panel. For an exact shape and design of a possible sill or brake cooling duct, a deeper study within the field would have to be made.   

3.5. Overall Summary and Conclusion To have an understanding of  the different  factors behind  the design of  the  side panel  is essential when looking for improvements. The recommendations are given for the possibility of continuing the development of the side panel  for  future production. The problems were spotted so that solutions could be found. It is important to know that the recommendations are given as a brief foundation for creating ideas for future detail studies.  

The sharp corners have caused problems during the production of the side panel that can easily be decreased  by  increasing  the  radius  of  the  sharp  corners.  It  is  shown  that  the  manufacturing methodology and the assembly of the side panel to the neighboring components are closely related. By studying the assembly for improvement, the manufacturing costs and time can decrease. The goal is to make the mold for small scale production in one piece instead of two.  

When  it comes to aero dynamics, many solutions exist.   The question  is  if these  improvements are necessary  in the case of an urban city car with a  low maximum speed. Further studies within these fields are recommended for more details within all of these areas.  

 

Chap

A bench mcommon analysis. Sin short. Tsystems. Sa side panwill be sta

4.1. Ten of the

• Co

• Au

• Ha

• Fi

• Re

• Bu

• Pu

• Sh

• Va

• Va

4.2. The matereinforcedof XAM  isproductiosame comthough, a the most of a side p

The  side order: 

FlaxPreg iphoto shothird phot

pter 4.

marking  reprproduction  sSome specificThe purpose Some of the snel even thouated in Chapte

Backgroe most comm

ompression m

utoclave mold

and lay‐up/ s

lament windi

esin transfer 

ulk molding c

ultrusion 

heet molding 

acuum and p

acuum assiste

Flax Fiberial  used  ford with flax fibs made of thisn  (small  scal

mponent,  it  isbench markisuitable mecpanel. 

panel of  the 

s made of 50ows the naturto illustrates t

BenPro

resenting  a  gsystems  for cations of theof the benchsystems will lugh introduceer 5.     

ound only used pro

molding 

ding 

pray lay‐up 

ing  

molding (RTM

compound (BM

compound (S

ressure bag m

ed resin trans

er r  the  producber. The purpos material. Inle  productions  favorable tong about diffhanical and p

prototype o

• • • •

0% thermosetral flax fiber cthe cloth whe

nch Markiduction Sgeneral overvcomposite  me specific comh marking waater on be shed here. The m

oduction met

M) 

MC molding)/

SMC molding

molding 

sfer molding 

ction  of  the ose of choosin order to don)  and  possibo keep the saferent materiphysical chara

of XAM  is  com

1st lay

2nd la

3rd la

4th la

tting epoxy recloth, the secen gel coat ha

33

ing – an InSystems view  of  the mmanufacturingmposite mates to get a gehown to not bmotivation of

thods [13] for

/ Dough mold

g) 

(VARTM) 

side  panel  ising flax fiber  a comparisoble  future meame materialals has to be acteristics wi

mposed of  4 

yer: FlaxPreg 

ayer: FlaxPreg

yer: FlaxPreg

yer: FlaxPreg

esin and 50%cond one the as been appli

ntroducti

methodologieg  was  carrieerial used (flaneral  idea abbe suitable fof why to keep

r composite p

ding compoun

s  FlaxPreg  –was that the on between tedium  to  larl.   For  futuremade in ordeth respect to

layers of  Fla

UD180, Unid

g BL200, 0/90

g BL200, 0/90 

 UD180, Unid

% flax fiber facloth provideed resulting i

on to Com

es of  some od  out  for  cox fiber) are about the curreor the purposp or eliminate

production inc

nd (DMC mol

thermosettinside panel ofhe already mrge  scale  pro developmener to choose ao the needed 

axPreg put  in

directional, 18

0 Balanced, 20

Balanced, 20

directional, 18

brics. In Figured with epoxn a black colo

mposite 

f  today’s moomparison  analso  introduceent productiose of producine each metho

clude: 

ding) 

ng  epoxy  resf the prototypmade prototypduction  of  thnt of  this studa material wicharacteristi

n  the  followin

80 g/m2 

00 g/m2 

00 g/m2 

80 g/m2 

re 4.1, the firy resin and thor. 

ost nd ed on ng od 

sin pe pe he dy th ics 

ng 

rst he 

34

Figure 4.1. Flax fiber cloth with epoxy resin and then gel coat providing a black color25 

The mechanical properties of the FlaxPreg are: 

• Density ρ: 1.45 kg/m3 

• Tensile strength σ: 330 MPa (traction) 

• Young’s modulus E: 35 GPa (traction) 

For more specific technical data about FlaxPreg, see Appendix 2 – Data Sheet of FlaxPreg [14].  

4.3. Composite Production The  composite  production  methods  are  presented  in  short  throughout  this  chapter  by  briefly explaining the different steps of each method. 

Compression molding For large scale production, compression molding is economically effective. One steel die is capable of producing up to 200 000 components so even  if expensive  in  itself, a production volume exceeding 10 000 parts would pay for the die. The method is applied to simple shape production and commonly used for thermosetting short fiber filled composites (25 mm). In compression molding, the following simplified methodology is used [15] and Figure 4.2 illustrates the process.  

Step 1: Mold Preparation The surface of the mold is finished and heated. 

Step 2: Polymer Placed in Mold Granules or  a  tablet of polymer  (most  commonly  thermoset  resin  and  hardener)  is placed  in  the heated mold. 

Step 3: Closure of Mold The mold is closed with a pressure big enough to make the polymer fill the mold cavity. 

Step 4: Polarization The polymer is left inside of the closed mold for curing. 

Step 5: Extraction After opening the mold, the cured component is removed for surface finishing. 

Step 6: Surface Finishing and Painting The surface of the component is finished and then painted. 

25 Photographer: Lisa Nääs Student – Design and Product Realization. KTH Royal Institute of Technology [2011] 

Bulk MoBMC/  DMmanufactumethods  fcast  iron fibers (25 [13].  

Step 1: MThe surfac

Step 2: PoA preformplaced in t

Step 3: ClThe mold the shape

Step 4: PoSteam,  elinitiate th

Step 5: ExAfter open

Step 6: SuThe surfac

26 Hand sketchFigure: Adobe

lding CompMC  molding uring of compfor  large scalor  steel. Usumm) random

Mold Preparace of the mol

olymer Placem of polymerthe heated m

losure of Mois closed wit of the mold 

olarization ectricity or he curing of th

xtraction ning the mold

urface Finishce of the com

h by: Lisa Nääs. Ste Photoshop Elem

pound (BMCis  a  kind  of ponents of smle productionually  thermopmly orientated

ation d is finished a

ed in Mold r  (most  commmold. 

old th a pressure cavity. 

hot oil heats he resin. 

d, the cured c

hing and Painmponent is fin

udent – Design anents: Version 6.0, 

Figure 4.2. Com

C), Dough Mcompressio

mall to mediun of compositplastic  resinsd [15]. BMC/ 

and heated.

monly  therm

ranging betw

the mold  to

component is

nting ished and the

nd Product Realiza2000 and Edraw M

35

mpression mold

Molding Comn  molding  aum size. It is ote products. s  are  used wDMC molding

oset  resin,  re

ween 0.5 and

o  a  temperatu

s removed for

en painted. 

tion. KTH Royal InMax: version Profe

ding26 

mpound (Dand  a  producone of the moThe mold  is ith  a  reinforcg is carried ou

einforcement

 15 MPa and

ure  of  appro

r surface finis

nstitute of Technolessional 5.2, 2010

DMC) ction  systemost cost effectusually madecement of  25ut following t

t,  catalyst  an

d the polymer

oximately  150

shing. 

logy [2011]. Softw

m  used  for  thtive productioe of aluminum5‐70%  of  shohe steps belo

nd hardener) 

r fills and tak

0°C  in order 

ware used to edit 

he on m, ort ow 

is 

es 

to 

36

Sheet Molding Compound (SMC Molding) SMC molding is also a form of compression molding but where the production rates are smaller and the  cost  per  unit  is  less  than  that  of  the  compression molding  due  to  the  use  of  sheet molding compounds. With today’s technology, the production rate can go down to no more than 60 seconds per  unit  produced  [15].  Only  components  of  sheet  shape  can  be  manufactured  with  this methodology. Epoxy resin reinforced with  long fibers (25‐75 mm)  is common. SMC molding follows the simplified methodology explained in steps below [13].  

Step 1: Mold Preparation The surface of the mold is finished and heated. 

Step 2: Mold Placed in Press The mold is placed into a heated press. 

Step 3: Polymer Placed in Mold A  sheet molding compound  (most  commonly a premix of  thermoset  resin,  reinforcement, catalyst and additives) is placed in the mold. 

Step 4: Closure of Mold and Polarization The mold  is closed and  the panel  is  formed and cured due  to an applied pressure of 3‐7 Mpa and heat. 

Step 5: Extraction After opening the mold, the cured component is removed for surface finishing. 

Step 6: Surface Finishing and Painting The surface of the component is finished and then painted. 

Resin transfer molding (RTM) Resin  transfer molding  is  an  effective method  for  producing  complex  shapes.  The  system most commonly uses a thermosetting resin reinforced with 25‐30% of filament cloth. As it is a closed mold system,  the  contact between employees and damaging  chemicals  is  less  than  in  the  case of open mold systems. The following steps and Figure 4.3 illustrate how resin transfer molding is carried out [13]. 

Step 1: Mold Preparation The  surface  of  the mold  is  finished  and  the mold  is  closed  around  a  reinforcement  +  inserts  or fittings. 

Step 2: Injection A  low  viscosity  resin  (thermosetting)  is  injected with  a pressure of  approximately 2 MPa  into  the closed mold through mixing heads and  injection points.  In the mixing heads, the resin  is combined with a hardener. Due to the low pressure, the tools can be used for a long time and at a low cost. 

Step 3: Polarization The polymer is left inside of the closed mold for curing in room temperature. 

   

Step 4: ExThe mold 

Step 5: SuThe surfac

AutoclavAutoclave

Step 1: MThe  surfafacilitating

Step 2: LaA matrix blay‐up. 

Step 3: PrA breathethe excess

Step 4: PoThe compto extract 

Step 5: ExThe piece 

27 Hand sketchFigure: Adobe

xtraction is opened an

urface Finishce of the com

ve molding e molding is li

Mold Preparace  of  the mg the extracti

amination brushing of re

reparation fer (film of pors resin. The la

olarization ponent is placthe air to cre

xtraction is taken out f

h by: Lisa Nääs. Ste Photoshop Elem

d the cured c

hing and Painmponent is fin

mited to simp

ation mold  is  finishon of the com

esin and reinf

for Autoclaveous plastic) aaminate (with

ced in an autoeate a vacuum

from the vacu

udent – Design anents: Version 6.0, 

component re

nting ished and the

Figure 4.3. Res

ple shapes an

ed  and  “relemponent from

forcement is 

e Treatmentand an absorbh breather an

oclave wherem around the

uum bag and

nd Product Realiza2000 and Edraw M

37

emoved. 

en painted. 

in transfer mold

nd follows the

ease  paint”  im the mold. 

manually put

t bent are put od absorbent)

e air pumps a laminate und

 separated fr

tion. KTH Royal InMax: version Profe

ding27

e subsequent

is  sprayed  o

t onto the mo

on top of the  is then cover

are connectedder a pressur

om the mold

nstitute of Technolessional 5.2, 2010

 steps [13].  

nto  the mol

old through s

laminate in ored in a plast

d to the plastre of 0.55 MP

logy [2011]. Softw

d  in  order  f

spray‐ or han

order to absoic bag. 

tic bag in orda. 

ware used to edit 

for 

d‐

rb 

er 

Step 6: SuThe surfac

Hand layHand/  spproductiothat  the  rillustrated

Step 1: MThe surfac

Step 2: ReThe open 

Step 3: ReWhen the

Step 4: BrA new layspray gun

Step 5: PoThe comp

Step 6: ExThe comp

Step 7: SuThe surfac

28 Hand sketchFigure: Adobe

urface Finishce of the com

y­up/ Sprayray  lay‐up  isn of  large sizrest of  the  tod in Figure 4.4

Mold Preparace of the mol

esin Coat mold is cove

einforcemene resin is cure

rush or Spraer of resin is . Steps 2‐4 ar

olarization ponent is left 

xtraction ponent is sepa

urface Finishce of the com

h by: Lisa Nääs. Ste Photoshop Elem

hing and Painmponent is fin

y lay­up s  a  manual  pze parts. Theooling  can be4 [13]. 

ation d is finished. 

red in a layer

nt d, a layer of r

ay Gun placed to covre repeated u

in the open m

arated from t

hing and Painmponent is fin

udent – Design anents: Version 6.0, 

nting ished and the

production m mold  is usue  achieved  at

 of resin that

reinforcemen

ver all of the ntil the want

mold for curin

he mold. 

nting ished and the

Figure 4.4

nd Product Realiza2000 and Edraw M

38

en painted. 

method mainally made of t  a  very  low 

 is left to cure

nt is manually

fibers of the ted section th

ng. 

en painted. 

 

4. Hand lay‐up28

tion. KTH Royal InMax: version Profe

nly  used  for wood, plastecost.  It  is  fu

e. 

 placed on to

reinforcemenhickness of th

nstitute of Technolessional 5.2, 2010

prototyping er or metal aurther explain

op of the coat

nt by the use e component

logy [2011]. Softw

or  small  scaand other  thaned below  an

t of resin. 

of a brush ort is reached.

ware used to edit 

ale an nd 

r a 

FilamenFilament wof steel or

Step 1: WReinforcemandrel u

Step 2: CuThe comp

Step 3: ExThe comp

Step 4: SuThe surfac

PultrusiThe  shapeextraction

Step 1: StSteel form

Step 2: PuFibers or shape. 

Step 3: CuThe last d

Step 4: CuThe mater

29 Hand sketchFigure: Adobe

t winding winding is a pr plastics. The

Winding ment in the funtil the want

uring ponent is left o

xtraction ponent is rem

urface Finishce of the com

ion e  of  pultrusion system is re

teel Formingming dies are 

ulling fabrics +  res

uring ie is heated in

utting rial is cut into

h by: Lisa Nääs. Ste Photoshop Elem

production mee process is he

form of rovinted section th

on the mandr

oved from th

hing and Painmponent is fin

on  depends quired due to

g Dies put in a desir

sin are pulled

n order to init

o desired leng

udent – Design anents: Version 6.0, 

ethod producere introduce

g or tape is imhickness of th

rel until cured

he mandrel. 

nting ished and the

Figure 4.5. F

on  the  crosso excess mate

red order. 

d  through  the

tiate curing o

gths. 

nd Product Realiza2000 and Edraw M

39

cing symmetred in short an

mpregnated whe component

d. 

en painted. 

Filament windin

s  section  of  terials and che

e  steel  formi

of the materia

tion. KTH Royal InMax: version Profe

rical shapes. Tnd illustrated 

with resin ant is achieved.

g29 

the  die whichemicals [13], s

ng dies  in or

al. 

nstitute of Technolessional 5.2, 2010

The mandrel in Figure 4.5 

d winded aro. 

h  is made  ofsee Figure 4.6

rder  to achie

logy [2011]. Softw

is mainly mad[13].  

ound a rotatin

f  steel. A  goo6. 

ve  the desire

ware used to edit 

de 

ng 

od 

ed 

Step 5: SuThe surfac

VacuumIn vacuumpreferably

Step 1: MThe  surfafacilitating

Step 2: LaA matrix blay‐up. 

Step 3: VaA breathethe excess

Step 4: PoAir  pumpslaminate u

Step 5: ExThe piece 

Step 6: SuThe surfac

30 Hand sketchFigure: Adobe

urface Finishce of the com

 and pressum and pressuy simple [13].

Mold Preparace  of  the mg the extracti

amination brushing of r

Vacuum Bag er (film of pors resin. The la

olarization s  are  connecunder pressu

xtraction is taken out f

urface Finishce of the com

h by: Lisa Nääs. Ste Photoshop Elem

hing and Painmponent is fin

ure bag moure bag mold 

ation mold  is  finishon of the com

esin and rein

ous plastic) aaminate (with

cted  to  the bre and cure t

from the vacu

hing and Painmponent is fin

udent – Design anents: Version 6.0, 

nting ished and the

Figure 4.

olding ing a mold m

ed  and  “relemponent from

nforcement  is

and an absorbh breather an

bag  in order he componen

uum bag and

nting ished and the

nd Product Realiza2000 and Edraw M

40

en painted. 

.6. Pultrusion30

made of epox

ease  paint”  im the mold. 

s manually pu

bent are put od absorbent)

to  extract  thnt. 

 separated fr

en painted. 

tion. KTH Royal InMax: version Profe

xy or metal  i

is  sprayed  o

ut onto the m

on top of the  is then cover

he  air  and  cr

om the mold

nstitute of Technolessional 5.2, 2010

is used and  t

nto  the mol

mold through

laminate in ored in a vacuu

eate  a  vacuu

logy [2011]. Softw

the  shapes a

d  in  order  f

 spray or han

order to absoum bag. 

um  around  th

ware used to edit 

re 

for 

nd 

rb 

he 

41

Vacuum assisted resin transfer molding (VARTM) Complex shapes are here possible and the process  is economic for small scale production volumes. The method of VARTM is introduced in steps below [15].  

Step 1: Mold Preparation The surface of the mold is finished. 

Step 2: Reinforcement Placed in Mold The reinforcement (dry woven fabric) is put in the mold. 

Step 3: Peel Ply Peel ply covers the reinforcement. 

Step 4: Vacuum Bag The mold plus the reinforcement and the peel ply is covered with a vacuum bag. 

Step 5: Release of Excess Resin Excess resin  is extracted when vacuum  is created around the component (by the help of a breather and an absorbent). 

Step 6: Curing The component is cured. 

Step 7: Extraction The vacuum bag is opened and the component separated from the mold. 

Step 8: Surface Finishing and Painting The surface of the component is finished and painted. 

4.4. Recommendations and Conclusion These  methods  are  all  found  in  the  software  CES  EduPack  2011  [13]  which  presents  basic descriptions and data. It is important to remember that current technology of the methodologies are constantly improving and might develop into new methods even more suitable for the application of the side panel  in the near future. This  is why this chapter might be  in need of modifications before the  actual  medium  to  large  scale  production  of  the  side  panel  is  transferred  from  theory  into practice.  

 

42

 

43

Chapter 5. Composite Production with respect to the Side Panel 

The different production systems  for composite production are evaluated with  respect  to  the  side panel  of  XAM  and  its  future  medium  to  large  scale  production  in  terms  of  dimensional  limits, economical  characteristics  and production  rates. All data  are  approximate  values  achieved by  the help  of  the  software  CES  EduPack  2011  [13]  and  the  graphs  are made  thereafter.  For  numerical values, see Appendix 4 – Physical Attributes and Appendix 5 – Economical attributes. The costs were converted from Swedish crowns to Euros by the help of Forex Currency Converter [16]. 

5.1. Background The main idea and purpose behind these comparisons was to get a deeper insight into whether the different factors could be applied to the production of the side panel or not and thereafter, on the basis of the results, eliminate or keep the production methods for further analysis.  

5.2. Dimensional Limits A general analysis of  some of  the dimensional  limits  ‐  including  the possible mass  range,  range of section thickness, roughness and shape ‐ of the 10 composite methods was done with respect to the physical characteristics and dimensional  limits of  the side panel. The purpose was  to understand  if the dimensional limits of the side panel would be applicable to all of the chosen production systems. 

Mass Range The mass of  the  side panel  is approximately 5 kg and can be considered a  small or medium  sized component. Table 5.1 shows the recommended mass range in kg for a component produced with the 10 composite methods that were introduced in Chapter 4. 

Table 5.1. The recommended mass range of a component produced using different methods31

  Mass Range [kg] 

  min max

Compression molding  0.1 20

Autoclave molding  0.8 2000

Hand/spray lay‐up  1 6000

Filament winding  0.01 3000

RTM  0.8 50

BMC/DMC molding  0.03 50Pultrusion  0.1 200SMC molding 0.03 50Vacuum bag molding  0.8 2000VARTM  0.5 600

Having this data as a reference, all of the mentioned production systems would be applicable for the future production of the side panel. For a mass up to 20 kg, any of the production methods can be used. When  exceeding  50  kg  however,  compression molding,  RTM,  BMC/DMC molding  and  SMC molding  are no  longer  recommended because of  the  large  compression  force  required  for bigger components.  Products with  a mass  larger  than  1000  kg  are  recommended  to  be  produced with  31 Producer: Lisa Nääs. Student – Design and Product Realization. KTH Royal Institute of Technology, Software used to create table: Microsoft Office Excel: version, 2007 

44

autoclave molding, hand/spray  lay‐up,  filament winding, vacuum bag molding or a combination of these. Components produced with these methods do not necessarily have to be of a high mass, but the mass range is a lot bigger for them than for the other production methods. 

Section Thickness The  side  panel  has  a  section  thickness  of  approximately  2  mm.  The  recommended  section thicknesses in mm for giving a result with good mechanical characteristics for the different composite production methods are illustrated in Table 5.2. 

Table 5.2. The recommended range of section thickness of a component produced using different methods32

  Range of section thickness [mm] 

  min max

Compression molding  1.5 25

Autoclave molding  2 30

Hand/spray lay‐up 2 10

Filament winding  2 25

RTM  2 6

BMC/DMC molding 1.5 25

Pultrusion  3 15

SMC molding  1.5 25Vacuum bag molding  2 6VARTM  1 20

For the purpose of keeping the recommended mechanical characteristics of the side panel, all of the above mentioned production  systems  could be used  for  its  future production.  It  is noted  that  the maximum  recommended  section  thickness  for  composite  production  is  30  mm  (in  the  case  of autoclave molding), while the minimum is 1 mm (VARTM). Having a larger section thickness requires more material  than  necessary  resulting  in  higher  costs  of  both material  supply  and  production process. For a section thickness below 1 mm, the mechanical properties might become too low. The smallest  range of section  thickness  is  that  for RTM and vacuum bag molding, while  the method of autoclave molding has the possibility of creating products with a greater range of section thickness compared to all of the other mentioned composite production methods.  

Surface Roughness The  surface  quality  of  the  side  panel  must  be  of  Class‐A  in  accordance  with  high  quality  car production. A Class‐A surface is usually a surface that the customer can see, and can thereby include both the exterior and the interior surfaces of a car. 

According  to  the  company Design  Engine  [18]  a Class‐A  surface  is  a  surface  following  the  criteria listed below (quoted): 

32 Producer: Lisa Nääs. Student – Design and Product Realization. KTH Royal Institute of Technology, Software used to create table: Microsoft Office Excel: version, 2007 

45

• The  fillets: generally  for Class‐A, the requirement  is continuous curvature and uniform flow of flow lines from fillet to parent surface with a value of 0.005 mm or better (position 0.001 mm and tangency to about 0.016°).  

• The  flow  of  the  highlight  lines:  the  lines  should  form  a  uniform  family  of  lines,  gradually widening or narrowing but in general never pinching in and out. 

• The control points should form a very ordered structure: again varying in angle from one row to the next in a gradual manner (this will yield the good highlights required). 

• For a Class‐A model the fillet boundary should be edited and moved to form a gentle line and then re‐matched into the base surface.  

• Matched ISO‐parameters in U & V direction are also a good representation of Class‐A.  

• The  draft  angle,  symmetry,  gaps  and  matching  of  surfaces  should  apply  to  parent  or reference surfaces. 

There  is nothing stated about the values of surface roughness  for a Class‐A surface. The  lower  the possible surface roughness of a production method however, the easier it is to create a result with a surface of high quality. Table 5.3 thereby shows the roughness in µm of a component produced using composite manufacturing methods.  

Table 5.3. The range of roughness in µm of the surface of a component produced using different production methods33 

  Roughness [µm] 

  min max

Compression molding  0.2 1.6

Autoclave molding  0.5 3.2

Hand/spray lay‐up  0.5 3.2

Filament winding  0.5 1.6

RTM  0.25 1.6

BMC/DMC molding  0.3 1.6

Pultrusion 0.3 1.6

SMC molding  0.3 1.6Vacuum bag molding 0.5 3.2VARTM  1 2.4

All  of  the mentioned  production methods  have  the possibility  of  generating  a  component with  a surface of low roughness (≤ 1 µm) and thus also the possibility of creating a surface quality of Class‐A [17]. None of them have to be excluded with respect to the surface roughness of the side panel. 

Shape It is essential to know the different groups of shape that a certain production method can create for understanding if it could be relevant to the future production of the side panel. In Figure 5.1, one can see  these  different  groups  –  prismatic,  sheet  and  3‐D  shapes  –  in  the  form  of  a  block  diagram inspired by a similar diagram in Materials engineering, science, processing and design [18].  

33 Producer: Lisa Nääs. Student – Design and Product Realization. KTH Royal Institute of Technology, Software used to create table: Microsoft Office Excel: version, 2007 

The curreproductiohave to beshapes tha

 

PRODUCT

ION SYSTEM 

CommoAutmoHanSprFilawinResmoBMmoPultSMmoVacpremoVacresimo

With  the methods eexcluded, procedure 34 Producer: LMax: version 35 Producer: LMicrosoft Off

nt shape of tn methods we found for tat each of the

mpression lding toclave lding nd lay‐up/ ray lay‐up ament  nding sin transfer lding (RTM)

MC (DMC) lding trusion C  lding cuum and essure bag lding  cuum assistedin transfer lding VARTM

restriction oexcept for filanot  because

e of a non‐sym Lisa Nääs. StudentProfessional 5.2, 2Lisa Nääs. Student fice Excel: version,

Figure 5

the side panewith the oppohe planning oe production 

Table 5.4.

Circular prismatic

 

 

X  

 

 

f dished  sheeament windine  of  the  commmetric shap  – Design and Prod2010 – Design and Prod 2007 

5.1. Different sha

el belongs to ortunity of fulof the future system can m

. Possible shape

c Non‐

circular prismatic

 

 

X  

 

et or  solid 3ng which is thmplexity  of  tpe. Of the rem

duct Realization. K

duct Realization. K

46

apes divided up

the group offilling at leasproduction omanufacture.

es for each prod

S

Flat shee 

 

 

X X 

X

‐D,  the  side hereby excluthe  shape  bumaining meth

KTH Royal Institute

KTH Royal Institute

p into groups34

f dished sheet one of thosof the side pa

uction system35

SHAPEet Dished 

sheet 

X  

X  

X  

 

X  

 

X  X  

X  

panel  can beded from theut  because  ohods, compre

e of Technology, S

e of Technology, S

et or solid 3‐Dse two characanel. Table 5.4

Solid 3D 

 

 

 

X  

 

 

e produced ue list. Pultrusiof  the  compession moldin

Software used to c

oftware used to c

D which  is whcterized grou4 identifies th

D  Hollow3D 

 

X  

 

using  all of  thion can also bplicated  cuttinng and RTM a

create Figure: Edra

reate table: 

 

hy ps he 

he be ng re 

aw 

47

the two that have the possibility of producing a component with a shape of both dished sheet and solid 3‐D while BMC/DMC molding is more fit for solid 3‐D shapes than for dished sheets.  Autoclave molding,  hand/spray  lay‐up,  SMC molding,  vacuum  and  pressure  bag molding  as well  as  vacuum assisted RTM are all methods in which a dished sheet is to prefer in front of a solid 3‐D shape.  

Summary and Observations The recommended mass range, section thickness and surface roughness of the composite production methods are all within the boundaries of the dimensional limits of the side panel. Up to a mass of 20 kg, the side panel can still be produced regardless of the production method. The section thickness is not  recommended  to be  less  than 2 mm due  to  the dimensional  limits of  the equipment, but also because of the difficulty of parting the cured component from the mold as explained  in Chapter 3. The surface roughness needed for achieving a Class‐A surface quality can be attained using all of the declared composite methods. The limitations in terms of the shape of the side panel exclude filament winding and pultrusion from the list of possible manufacturing methods for future production. 

Recommendations The recommendation given regarding the dimensional limits of the side panel  is to not consider the two excluded methods for future production of the side panel.

5.3. Economical Characteristics A general analysis of some of the economical characteristics ‐ including the labor intensity, economic batch size, capital cost and tool life ‐ of the 10 composite methods was done with respect to the side panel.  The  purpose  was  to  get  an  overview  of  the  most  fundamental  economic  factors  for understanding which methods might be suitable for a future production of the side panel. 

Table 5.5 shows  the  relative  ranking of what  is considered  to be  low, medium, high and very high costs of production systems. The costs taken in account are approximate and consist of tooling cost, equipment cost and labor intensity. All of the definitions of the economic terms used in this chapter can be found in Appendix 5 – Economical attributes [13]. 

Table 5.5. The relative ranking corresponding to the costs36 

Relative ranking 

Tooling cost[€] 

Equipment cost,[€] 

Labor intensity [hours/unit] 

Low  < 700  < 7∙103 < 0.1 Medium  700 – 7∙103 7∙103 – 7∙104 0.1 – 30 High  7∙103 – 7∙104 7∙104 – 7∙105 30 – 300 Very high  > 7∙104  > 7∙105  > 300 

Labor Intensity The labor intensity identifies if a production system requires a lot of employees which also indicates how much manual work versus automatic work  is needed. Usually when the  labor  intensity  is high, the process is predominantly manual while low labor intensity indicates that a greater portion of the process is automatic. Table 5.6 shows the labor intensity for different composite production systems. The ranking is made in accordance with Table 5.5.  

36 Producer: Lisa Nääs. Student – Design and Product Realization. KTH Royal Institute of Technology, Software used to create table: Microsoft Office Excel: version, 2007 

48

Table 5.6. The labor intensity of different composite production systems37 

  Labor intensity 

Compression molding LowAutoclave molding  High Hand/spray lay‐up  High RTM  High BMC/DMC molding MediumSMC molding  Medium Vacuum bag molding  Medium VARTM  Medium 

The only method with  low  labor  intensity  is  compression molding, while all of  the other methods have  a medium  to  high  labor  intensity.  Autoclave molding,  hand/spray  lay‐up  and  resin  transfer molding are the methods requiring the highest labor intensity.  

Economic Batch Size The economic batch size gives an idea about the approximate production volume that would have to be manufactured to make a process economically  imperishable. A summary of the economic batch size  is  listed  below  in  terms  of  different  scales  of  production  for  profitability  of  the  different composite methods and the economic batch sizes in units are shown in Table 5.7.  

Table 5.7. The economic batch size in units of different composite production systems38 

  Economic batch size [units] 

Compression molding  500‐2∙106 Autoclave molding  1‐500 Hand/spray lay‐up  1‐500 RTM  1∙103‐1∙106

BMC/DMC molding  5∙103‐1∙106 SMC molding  5∙103‐1∙106 Vacuum bag molding  1‐1∙103 VARTM 10‐500

Small scale production (≤ 1 000 pieces/year) • Compression molding 

• Autoclave molding 

• Hand lay‐up/ spray lay‐up 

• RTM 

• Vacuum and pressure bag molding 

• VARTM 

   

37 Producer: Lisa Nääs. Student – Design and Product Realization. KTH Royal Institute of Technology, Software used to create table: Microsoft Office Excel: version, 2007 38 Producer: Lisa Nääs. Student – Design and Product Realization. KTH Royal Institute of Technology, Software used to create table: Microsoft Office Excel: version, 2007

49

Medium scale production (10 000 pieces/year) • Compression molding 

• Resin transfer molding (RTM) 

• BMC/DMC molding 

• SMC molding 

Large scale production (100 000 pieces/year) • Compression molding 

• RTM 

• BMC/DMC molding 

• SMC molding 

Compression molding and RTM are economically suitable for all of the different production volumes while BMC/DMC molding and SMC molding are fit for medium to large scale production. Other than compression molding  and  RTM;  autoclave molding,  hand/spray  lay‐up,  vacuum  and  pressure  bag molding  and  vacuum  assisted  resin  transfer molding  are  able  to produce  an  economic  batch  size within  the  limits  of  small  scale  production  only.  The  remaining methods  of  interest  for  a  future medium  to  large  scale  composite  production  are  thereby  compression molding,  RTM,  BMC/DMC molding and SMC molding. 

Capital Cost Tool  and  equipment  cost make  up  the  capital  cost  of  a  production  system.  Table  5.8  shows  the capital cost in 1 000 € for the different systems.  

Table 5.8. The capital cost of the different production systems39 

             Capital cost [1 000 €]   min maxCompression molding 

11.8 70.6 High

Autoclave molding  47 588 MediumHand/spray lay‐up 0.058 0.588 LowRTM  5.88 35.3 Medium/highBMC/DMC molding 

0.353 353 Medium

SMC molding  35.3 353 MediumVacuum bag molding 

23.6 588 Low/medium

VARTM  0.588 11.8 Low/medium

The methods with  highest  capital  cost  are  autoclave molding,  filament winding  and  vacuum  and pressure bag molding indicating that an autoclave has a high cost. The methods with low capital cost are hand/spray lay‐up, RTM and VARTM which all have an economic batch size within the limits of a small scale production while the labor intensity is medium to high causing higher employment costs.  

39 Producer: Lisa Nääs. Student – Design and Product Realization. KTH Royal Institute of Technology, Software used to create table: Microsoft Office Excel: version, 2007 

50

Tool Life Table 5.9 shows the tool life in units produced before the tool is torn out and has to be replaced or repaired.  

Table 5.9. The tool life in units for the different production systems40 

  Tool life [units] min max

Compression molding  2 000 200 000Autoclave molding  99 100Hand/spray lay‐up 200 1 000Filament winding 1 000 10 000RTM  500 5 000BMC/DMC molding  100 000 200 000Vacuum bag molding  1 040 17 800VARTM  100 1 000

The  tools  used  in  compression  molding  and  BMC/DMC  molding  have  a  life  of  up  to  200 000 units/tool.  These  two methods  can  thereby  be  used  for  a mass  scale  production  being  able  to produce more than 100 000 units/tool. On the other hand, if using methods with low capital cost the economic benefits might still be able to cover large scale production since a change of tool does not result  in a big  investment  for  the production  company. The  tool  life of  filament winding and SMC molding  falls  in the category of medium scale production while autoclave molding, hand/spray  lay‐up, vacuum bag molding and VARTM all go within the  limits of medium scale production. The RTM method have tools with a tool life of 5 000 units/tool leaving it somewhere in between a small scale and a medium scale production before changing tool, but since the capital cost of the tools is low, it can easily be replaced and a higher scale production is possible.  

Summary and Observations It is essential to know the combination of  labor  intensity, economic batch size, capital cost and tool life  in order to get an understanding of where to place the different production volumes for future production.  Labor  intensity,  capital  cost, economic batch  size  and  tool  life  are  all  factors  that  are related  to each other. The economic batch  size depends on  the  combination of  the  level of  labor intensity, capital cost and tool life. The economically most profitable combination for all production volumes would be a low labor intensity, low capital cost and long tool life resulting in a wide range of economic batch  size. The worst case would be having a high  labor  intensity, high  capital cost and short tool life making it almost impossible to reach an economic batch size.  

When the economic batch size  lies within a small scale production volume,  it can be seen that the labor  intensity  in  five  out  of  six  cases  (autoclave molding,  hand/spray  lay‐up,  RTM,  VARTM  and vacuum  and  pressure  bag molding)  is medium  to  high  while  the  capital  cost  for  four  of  these methods are  low to medium, the exception being RTM with a medium to high capital cost. The  last method within the group of small scale production based on the economic batch size is compression molding which  goes  against  the  other methods with  a  high  capital  cost  and  low  labor  intensity. Another  difference  of  compression  molding  in  comparison  with  four  of  the  other  small  scale production methods  based  on  economic  batch  size  is  that  it  is  also  considered  to  lie  within  its 

40 Producer: Lisa Nääs. Student – Design and Product Realization. KTH Royal Institute of Technology, Software used to create table: Microsoft Office Excel: version, 2007

51

economic  batch  size  for  medium  and  large  scale  production.  The  RTM  production  also  has  an economic batch size ranging from small to medium and large scale production. The tool life for four out of the six small scale production methods  is 1 000 units/tool or  less. The exceptions once again being compression molding and RTM with tool lives of up to 200 000 units/tool and 5 000 units/tool respectively.    

There  are  four  methods  within  the  range  of  medium  to  large  scale  production  regarding  the economic batch size. These are compression molding, RTM, BMC/DMC molding and SMC molding. The labor intensity of these are spread and range between low to medium and high, while the capital cost for all of them range from medium to high. The shortest tool lives are those of RTM with 5 000 units/tool  and  SMC molding with  a  tool  life  of  17 500  units/tool.  The  compression molding  and BMC/DMC molding on the other hand have tool lives of 200 000 units/tool.   

Recommendations A study based on tests made by a test group within the study team of H2politO  is recommended  in order  to clarify  if  the data  in  this chapter  is up  to date and  reliable. All data used  in  this  report  is based on a theoretical literature study and a real life test is needed. An example of test would be to interview composite production companies for accurate figures and numbers of small, medium and large scale production and compare the results achieved with the theoretical results in this chapter. 

5.4. Production Rate In order to find a suitable production system for different production volumes, the production rate is of great importance. In accordance with a basic calculation below, a year was considered to contain 47 working weeks. With  this  in mind, an  approximate production  rate  for each of  the production system can be given.  

Calculating the units produced/year: 1 year → 52 weeks → 5 weeks of vacation   

                                   → 47 working weeks → 40 hours/week → 1880 hours/year 

units/year = (hours/year) ∙ (units/hour) 

Knowing the production rate  in units/hour, the production rate  in units/year  is easily achieved and shown in Table 5.10.   

Table 5.10. The production rate in units produced per year of 10 different production systems41 

  Production rate [units/year] 

PRODUCT

ION SYSTEM 

Compression molding  18800‐188000 

Autoclave molding  94‐1880 Hand lay‐up/ Spray lay‐up  188‐940 Resin transfer molding (RTM)  9400‐37600 BMC (DMC) molding  22560‐112800 SMC molding  22560‐112800 

Vacuum and pressure bag molding   94‐1880 

Vacuum assisted resin transfer molding VARTM 376‐940 

41 Producer: Lisa Nääs. Student – Design and Product Realization. KTH Royal Institute of Technology, Software used to create table: Microsoft Office Excel: version, 2007

52

The production volumes are divided  into small, medium and  large scale production and by knowing the approximate possible range of production rate for the different methods it was possible to divide them up into the three groups of production volume/year.  

Small scale production (≤ 1 000 pieces/year) • Autoclave molding 

• Hand/spray lay‐up 

• Vacuum and pressure bag molding 

• VARTM 

Medium scale production (10 000 pieces/year) • RTM 

• BMC/DMC molding 

• SMC molding 

Large scale production (100 000 pieces/year) • Compression molding 

• BMC/DMC molding 

• SMC molding 

Recommendations Like  in the case of the economical characteristics of composite production systems with respect to the future production of the side panel, the data used for the analysis of the production rate would have to be double checked through practical tests or interviews. This is necessary for getting a more reliable and complete analysis regarding the matter of optimizing the future production of the side panel.  

5.5. Overall Summary and Conclusion A combination of the observations made  for the dimensional  limits, economical characteristics and production rate makes it possible to eliminate certain production methods while keeping others. The ones that are  left for small scale production are autoclave molding, hand/spray  lay‐up, vacuum and pressure bag molding and vacuum assisted resin transfer molding. BMC/DMC and SMC molding can be used for both medium and  large scale production, while RTM  is recommended for only medium scale production and compression molding for large scale production. In total there are four possible methods  for  a  future medium  to  large  scale  production.  Table  5.11  gives  an  overview  of  all  the different aspects discussed throughout this chapter. 

   

53

Table 5.11. Overview of the different aspects to consider when choosing a composite production system for the manufacturing of the side panel42 

 

 

42 Producer: Lisa Nääs. Student – Design and Product Realization. KTH Royal Institute of Technology, Software used to create table: Microsoft Office Excel: version, 2007 

54

Chapter 6. Metal Production with Respect to the Composite Production of the Side Panel 

The future production of the side panel of XAM is meant to be produced in composite materials, but in order to get a good result  it  is  important to know more about today’s most common production method for body parts. The most commonly used metal (specifically aluminum) production method for car body parts is forging. The dimensional limits, economical characteristics and production rates of metal production are here being generally analyzed with  respect  to  the production of  the  side panel.  The  results  are  compared  to  the  composite  production  results  from  Chapter  5  listing advantages  and  disadvantages  of  both  in  order  to  get  an  understanding  of  how  composite production differs from metal production. 

6.1. Background The  main  idea  behind  this  analysis  was  to  get  a  deeper  insight  into  the  differences  between composite and metal production. The  information  received  in Chapter 5  is used and  compared  to additional information about forging methods for aluminum production. A summary of the strengths and downfalls of the two methods are given at the end of each section.   

6.2. An Introduction to Aluminum Production  The main focus of this project is laid on composite production, but it is also of interest to know some features  regarding metal production. The  reason  is  to be able  to complete a comparison between composite production and metal production on the basis of the reasonability of a future medium to large scale production of the side panel using composites rather than metal.  

Background Team  H2politO  works  to  decrease  the  damages  on  the  environment  caused  by  humanity  and therefore they strive to develop a green city car. To have a  light weight car helps to decrease both the fuel emission as well as other damaging chemical emissions during the entire life cycle of a car. If the result shows that a composite production of the side panel would not be suitable for one reason or another, the whish  is to still keep the weight of the car as  low as possible. For the case of metal production, a good option would therefore be aluminum with a lower weight in comparison to steel.  

Aluminum AL2024 For  comparison of  composite production  to metal production,  the  alloy Al 2024 was  chosen  as  a result of  a  recommendation  given by  Professor  Settineri  [4]  after  a meeting with him  the  21st of October 2011 at the Polytechnic University of Turin. For light weight metal production, the aluminum is  a  good  option  and  to  focus  on  one  specific  alloy  facilitates  future  studies within  the  field  of material choice of the side panel.  

The  composition of Al 2024  is 93.50 % Al, 4.4 % Cu, 0.6 % Mn and 1.5 % Mg  [19].  Its mechanical properties are listed below: 

• Density ρ: 27700 kg/m3 

• Tensile strength σ: 185 MPa 

• Young’s modulus E: 70‐80 GPa 

For more specific technical data about Al 2024, see Appendix 3 – Data Sheet of Aluminum. 

55

Forging For production of aluminum components,  forging  is a common method  for medium  to mass  scale production  and  this  method  will  be  used  in  this  study  for  the  comparison  with  composite manufacturing.  The  reason  for  choosing  to  use  forging  as  a  generalized  method  for  aluminum production  is that  it  is representative regarding the costs and production rates of a well‐developed metal  production method  giving  good  results.  Composite  production  is  not  as well  developed  as metal production, but the goal is to reach a similar level as that of metal production. Comparing it to forging for metal production thereby sets a high goal for the future of composite production.   

The aluminum blank is forced into shape when subjected to plastic deformation by the dies. Hot die forging differs from cold die forging since the aluminum is heated before initiating it to compression.  The mechanical characteristics of forged components are usually good because of some advantages in the way  in which the deformation  is carried out. The deformation decreases the porosity of the component and  improves the surface roughness by making  it smoother. Hot die  forging makes the aluminum re‐crystallize while cold die forging increases the strength of the final component [18]. The steps below give a basic overview of how forging is carried out. 

Step 1: Metal Placed in Die The aluminum (heated or cold) is placed in a die. 

Step 2: Closure of Die The die is closed with a pressure big enough to squeeze the aluminum to fill the die cavity. 

Step 3: Opening of Die and Extraction After opening the mold, the component is removed for surface finishing. 

Step 4: Surface Finishing and Painting The surface of the component is finished and then painted. 

Recommendations and Conclusion When doing a bench marking within the field of choosing a possible change of material for the future production of the side panel of XAM,  it would be beneficial to not only include composite materials but also different kinds of metal. This  is  recommended  in order  to gain a complete understanding and motivation of why or why not to continue the usage of composite material instead of metals.  It is also of importance to keep new production methods up to date not only for composite production, but also for metal production. 

6.3. Dimensional Limits As  in Chapter 5, the dimensional  limits  include the possible mass range, range of section thickness, roughness and shape. A general description of these with respect to aluminum production  is made and thereafter compared to composite production. The purpose was to understand the difference of aluminum and composite production of the side panel with respect to the dimensional limits. 

Mass Range With forging methods the mass range of aluminum components lies between 0.01 and 5 000 kg and can thereby be used for the production of the side panel (5 kg). For composite production, the mass of the side panel also lies within the recommended mass range and no difference is spotted between 

56

the two materials with respect to its possible mass range. On the other hand, aluminum has a higher density  than  flax  fibers,  which  would  increase  the  actual  mass  of  a  side  panel  with  identical dimensions  if  produced  in  aluminum.  This  is  not  a  problem  in  terms  of  production,  but  rather  a matter of the increase of total mass of the car.  

Section Thickness The  recommended  section  thickness of  forging  is  3  –  250 mm  indicating  that  the  current  section thickness of  the side panel  (2mm) would have  to be  increased  resulting  in an  increase of material supply and thereby also mass. To keep the section thickness small without decreasing the mechanical properties  of  the  component  is  preferable.  Regarding  the  section  thickness,  composite material thereby  has  an  advantage  in  comparison  to  aluminum  since  a  smaller  section  thickness  is  a possibility.  

Surface Roughness Forging gives a Class‐A  surface and so does all of  the composite production systems  introduced  in Chapter  4.  No  difference  concerning  the  final  result  of  surface  roughness  is  spotted  between aluminum  and  composite  production.  The  difference  is  found  in  the  step  of  surface  finishing. Finishing of all materials changes  the mechanical properties of  the surface of  the material but  the changes are different depending on the material and the method used for finishing. A detailed study within  the  field of surface  finishing of different materials  in combination with different methods  is recommended for optimization.   

Shape Forging allows non‐circular prismatic and 3‐D shapes. For the purpose of the production of the side panel, this does not cause any problems. The possible shapes of composite production systems are also suitable for the purpose of the production of the side panel.    

Summary and Observations There  is no major difference between aluminum and composite production  regarding  the possible mass range and shapes. The dimensions of the side panel lies within the limits of both for aluminum and  composite  production.  To  achieve  a  Class‐A  surface  is  also  possible  for  both  aluminum  and composite production methods. The dimensional  limit that would  result  in a major change  if using aluminum production is the section thickness. Forging methods would require an increase of section thickness from 2 mm to 3 mm resulting in an increase of mass and dimensions of the side panel. This is not desirable when wanting to produce a light weight vehicle and thereby a notable disadvantage of aluminum production.   

Recommendations The surface roughness depends on the material of the component, the production system and the method used for surface finishing. Before choosing a finite material for the future medium to mass scale production of the side panel of XAM, a study of how these factors are related to each other as well as the results of different combinations is recommended for optimization of material choice.  

6.4. Economical Characteristics The economical characteristics include labor intensity, economic batch size, capital cost and tool life. A  general  description  of  these  with  respect  to  aluminum  production  is  made  and  thereafter 

57

compared to composite production. The purpose was to understand the difference of aluminum and composite production of the side panel with respect to the economical attributes. 

Labor Intensity The  labor  intensity of  forging  is  low compared to most composite methods that have a medium to high labor intensity. The only composite production method where the labor intensity is considered low  is  that of  compression molding. The aluminum production  is  completely automated while  the composite production with  the  technology of  today would  require  some manual  controlling  steps and thereby require more personnel.  

Economic Batch Size The economic batch size of  forging reaches a value of between 1 000 and 100 000 pieces/year and can  thereby  preferably be used  for medium  to  large  scale production.  The  composite production methods with  equivalent  batch  sizes  include  compression molding,  RTM,  BMC/DMC molding  and SMC molding. The other composite production methods are not  recommended  for  the purpose of medium to large scale production. 

Capital Cost The  capital  cost  of  forging  is  high  in  comparison  to  any  composite method.  Comparing  it  to  the composite methods for medium to large scale production, the capital cost of forging is approximately 7  times  higher.  The  investment  of  a  composite  production  plant  including  all  of  the  needed machinery and equipment  is estimated to 3 400 000€ while the same for the aluminum production would be 22 200 000 €.  

Tool Life The  tools  of  forging  can  last  for  a  production  volume  of  between  1 000  and  1 000 000  units depending on the characteristics of the component. For composite medium to large scale production the maximum tool life is approximately 200 000 units (compression molding and BMC/DMC molding) while  that  for RTM  is noticeably  lower with a  tool  life of only 500 units. The equipment used  for aluminum  production  thereby  has  the  possibility  of  a  tool  life  of  5  times  the  longest  tool  life  of composite production which is a clear advantage of aluminum manufacturing.  

Summary and Observations The labor intensity of aluminum production is low compared to that of most composite production. A possible  reason  is  that  forging  is  automated  to  a  higher  extent  than  the  composite  production methods and  that  composite production  requires more manual work. The economic batch  size of forging  is high  in  comparison  to  the  composite production methods. This  is usually  related  to  the capital cost which  is a  lot higher for  forging than  for composite production  indicating that a higher volume  of  components  have  to  be  produced  in  order  for  the  production  to  be  economically beneficial. The  tool  life of  forging on  the other hand  is higher  than  that of  composite production, which is economically beneficial for the manufacturer since the need of changing tools is lower.   

Recommendations The observations give an overview that can be used for future planning of the production line of the side  panel.  An  exact  calculation  cannot  be  done  until  the  production  line  is  in  actual  use,  but  a general estimation is useful. 

58

6.5. Production Rate Forging methods  for aluminum production can manufacture up  to 1 000 000 pieces/year/hydraulic press while the fastest composite production methods are compression molding, BMC/DMC molding and SMC molding with a production rate of up to 150 000 – 180 000 pieces/year/hydraulic press. The slowest methods for composite production are hand/spray lay‐up and VARTM.  

Summary and Observations The  production  rate  of  aluminum  production  and  forging  is  five  times  greater  than  the  fastest composite production methods.  This  is  a huge difference  that makes  an  essential difference over long term production in terms of total amount of components manufactured.  

Recommendations If wanting to increase the amount of components produced/year for a composite production plant, a serial  production  plant  might  be  considered  –  hence  to  use  more  than  one  hydraulic  press simultaneously. On the other hand this would increase the capital cost of the production method as well as  the  labor  intensity  causing an  increase  in  total  cost. A  study of whether or not  composite serial production would be beneficial for the purpose of the production of the side panel of XAM  is recommended to be done and analyzed. 

6.6. Overall Summary and Conclusion It  is  important to consider all of the different factors of aluminum and composite production when comparing  the  two.  The  overview  given  throughout  this  chapter  can  be  used when  studying  the specifications of material choice for the future production of the side panel of XAM.  

 

 

59

 

Chap

This Chapscale  comenvironmealready bethe produ

7.1. Accordingthe  side productioBMC/DMCmedium ssuitable  fequipmenproductiobut merelwork that 

7.2. It  is  essenspecific prfor the samexample o

One  of  tmanufactucooperatioat Dieffeninterview steps illus

Figur

43 Producer: LMax: version 

pter 7.

pter contains mposite  proental overvieeen practiceduction method

Backgrog to the benchpanel  in  Chan. For mediuC molding  anscale productfor  large  scalnt  and manufn plant plannly to facilitatecan be used 

Machinential  to  haveroduction sysme.  Therefoof a possible p

he  possible urers  of macon with eachnbacher the 25 in Appendtrated in Figu

re 7.1. A block d

Lisa Nääs. Student Professional 5.2, 2

PropProd

a  theoreticaoduction  incew. The smalld in real life wd used for the

ound h marking in apter  5,  fourum  scale prodnd  SMC moldion, also be ule  productionfacturers  is  tning. The ideae and  introduas a basis. 

ery, Equipe  knowledge stem before re a brief oveplant lay‐out 

methods  fochinery  for  Rh other. An  in22nd of Novemix 1 – Intervieure 7.1 are inc

diagram illustrat

– Design and Prod2010 

posal of Mduction ofl  result of  thluding  possil scale producwhen the prote small scale 

Chapter 4 anr  methods  aduction  specding.  BMC/Dused for largen  only.  The to  create  an a is not to preuce  ideas  for

ment and about  the mbeing able toerview of suchis given.  

or  a  future RTM  in  Europnterview was mber 2011  inews. For the cluded. 

ting the process 

duct Realization. K

60

Medium tof the Side he productionible  materiaction is not mtotype of XAMproduction, g

nd the study oare  seen  to ifically,  thereMC moldinge scale produpurpose  of  gunderstandinesent a defini future studi

 Plant Laymachinery  ano create an uh machinery a

medium  scape  are Dieffeheld with M order to getproduction o

of medium scal

KTH Royal Institute

 Large Sc Panel n of  the  side al  manufactumentioned fuM was manufgo back to the

of compositebe  suitable  fe are  three oand  SMC m

uction. Comprgiving  exampng of  the appite solution oes within the

y­out nd  equipmennderstandingand equipme

le  productionbacher  andr. Matthias Gt more  informof the side pa

le production of

e of Technology, S

ale Comp

panel  for meurers,  machrther since thfactured. For e case study i

 production wfor  medium ptions. These

molding  can, ression moldiples  of  possibproximate neof a future proe area by pro

nt  that  are  ng of a possiblent is introduc

on  is  RTM.  Td  Shuler  [20].Graf, Technicamation withinanel of XAM u

f XAM by the us

oftware used to c

posite 

edium  to  larginery  and  ahe method han overview n 0.    

with respect to  large  scae  include RTMother  than  fing however, ble machinereeds  for  futuoduction planoviding a fram

necessary  for e plant  lay‐oced and a bas

The  two  ma.  They work al Director [2n this area (seusing RTM, th

se of RTM43 

reate Figure: Edra

ge an as of 

to ale M, for  is ry, re nt, me 

a ut sic 

ain in 

21] ee he 

The typicacase with in  accordalinear planof great im

The machare approlarge  scalconsidereproductiomethods d

For a medmachineryDieffenbasystem,  arobot, a  cnumberedof  a mediillustrated

44 Producer: LMax: version 45 Producer: LMax: version 

al plant lay‐othe mold – tance with  Fignt lay‐out is mmportance fo

hinery and eqoximately thee  productiond to be the sn. The differedecreasing th

dium to  largey and equipmcher and incl  gripper  chacooling  statiod in Figure 7.3ium  to  large d in Figure 7.3

Lisa Nääs. Student Professional 5.2, 2Lisa Nääs. Student Professional 5.2, 2

ut for RTM isthe starting pgure  7.2.  Formore commor saving time

Figure 7.2. Typ

quipment nee same as  forn.  The  plant ame. BMC/Dence being thhe total invest

e scale produment neededlude a place fnge  system, on, a  reworki3. The approxscale  compo

345 where the

– Design and Prod2010 – Design and Prod2010

s circular meapoint being mr  compressioon. Optimizing and money. 

pical plant lay o

eded for the r compressionlay‐out  and MC molding hat  for RTM tment of the 

ction of a co were  recomfor Material sa  hydraulic ping  station  anximate minimosite  producte arrows show

duct Realization. K

duct Realization. K

61

aning that it smold preparatn molding, Bg the placem 

out for RTM com

performancen molding, BMthe machineand SMC moa smaller preprincipal lay‐

mponent witmmended by Tsupply, a weipress,  a presnd a  gate‐ou

mum dimensiotion of  the  siw the directio

KTH Royal Institute

KTH Royal Institute

starts and ention and the eBMC/DMC moent of the m

mposite producti

e of an RTM cMC/DMC moery  for  theseolding can alsoess  is usually ‐out of the pr

th the dimenTechnical Dirighing cell, a ss mold,  an uut‐belt. Theseons of a produide panel  aren of the prod

e of Technology, S

e of Technology, S

nds at the samend point beolding  and  Sachinery for 

ion44 

composite prolding and SM  are  very  simo be used forneeded thanoduction plan

sions of the rector Mr. Mloading robounloading  robe  are  further uction plant fe  10m  x  15mduction line. 

oftware used to c

oftware used to c

me point, in hing de‐moldinMC molding,plant lay‐out 

roduction plaMC molding  fmilar  and  her medium scan  for the othnt. 

side panel, thatthias Graf

ot with grippinbot,  a  cleaninexplained  anfor the purpom which  is  al

reate Figure: Edra

reate Figure: Edra

his ng   a  is 

nt for re ale er 

he at ng ng nd se so 

The mach

1. M2. W3. Lo

fr4. G

pl5. Hy

ne6. Pr7. U

frfin

8. Cl9. Co10. Re11. Ga

SummarA mediumas  10 000designed t

inery and equ

Material supplWeighing cell –oading robot om 2 to 4 andripper  changaced in the mydraulic  preseeded: 4 m x ress mold – a nloading robom 8 to 9 fornished compoleaning robotooling stationeworking – suate‐out belt –

ry and Obsem to mass sca0  –  100 000 to form a pla

Figure 7.3. A

uipment are n

y – a place w– weighing thwith grippingd then from 4e  station –  cmold ss  –  presses 3 m mold made oot – robot trr cooling, thenonent.  t – cleans the n – where theurface finishin– final destina

ervations ale compositepieces/year. nt lay‐out wit

A theoretical exa

numbered fro

here the mate correct amg system – a 4 to 6. changes  the 

the  materia

of iron. Approransporting thn from 9 to 10

component oe component ng ation of final 

e production The machinth minimum d

ample of a prod

62

om 1 to 11, a

terial is storedount of materobot transpo

position of  th

al  into  its  w

oximate dimehe pressed si0 for surface 

of any excessis kept for cu

piece 

plant is possinery  and  equdimensions o

duction plant an

nd are furthe

d before proderial needed forting the ma

he material  i

anted  shape

ensions of theide panel  froreworking, a

s material uring 

ible when theuipment  needof 10m x 15m

d its total dime

er explained b

duction startsfor the produaterial from 1

in order  for 

.  Approxima

e mold: 2.4 mm 6 to 8  for nd finally from

e production ded  can  be .  

nsion of 15 m ∙ 

below.  

s  ction 1 to 2 and the

it  to be  right

te  floor  spa

m x 1.8 m cleaning, them 10 to 11 as

rate is definecombined  an

10 m 

en 

tly 

ce 

en s a 

ed nd 

RecommThe mentusing  RTMmodified equivalenthe future

7.3. All  of  theemissionsTurin,  Italwhile  the Some of tand somea simplifie

Figure 7.4.

MaterialFour layerwanted  thconsiderinresult of tused  for productio

Small Sca• 1 

46 Producer: LMax: version 

mendations ioned machinM,  compressby  adding  oce of each me production o

Manuface  manufactur  and  the  proy. All of  the equipment  ihe equipmen suggestions ed overview.  

. A map illustrat

l rs of FlaxPreghickness.  Theng the openinthe amount oproduction n volumes ar

ale Productio300 ∙ 2 200 m

Lisa Nääs. Student Professional 5.2, 2

nes and equipion molding,or  eliminatingachine and eof the side pa

cturers rers  have  beoduction  is  hmaterial useis bought at nt and machinof other man

ting the locationthe

g with epoxy e  dimensionsng  for the doof material neof  the  door re estimated [

on (≤ 1 000 pmm2  

– Design and Prod2010 

pment are su  BMC/DMCg  correspondequipment in anel. 

een  limited  thypotheticallyed  (FlaxPreg) Dieffenbachenery can be bnufacturers in

ns of the manufae production of 

resin give an s  of  one  sideoor which  is weeded. The expanel.  The 

[14]. 

pieces/year)

duct Realization. K

63

ggestions of molding  or 

ding  equipmemore depth

to  Europe  iny  decided  to is bought at er, Eppingen,bought from on Europe are 

acturing compathe side panel o

approximatee  panel  are  awhy the bougxcess materiaamount  of 

KTH Royal Institute

needed machSMC moldinent.  It  is  recobefore design

  order  to  mtake  place  iLineo –  loca, Germany  [2other manufaalso given, bu

nies of the mateof XAM46 

e section thickapproximatelght material al due to thematerial  for

e of Technology, S

hinery for futg.  The  suggeommended  tning a final p

minimize  the n  the  southeated  in Berne21] accordingacturers thanut Dieffenbac

erial and equipm

kness of 2 mmly  1  300  x  2 will be  less topening of thr  the  purpos

oftware used to c

ure productioestions  can  bto  analyze  thlant lay out f

transportatioern  suburbs ey, France  [22g  to Figure 7. Dieffenbachcher is used f

ment needed fo

m, which is th200 mm2  n

than the actuhe door can bse  of  differe

reate Figure: Edra

on be he for 

on of 2], .4. er for 

or 

he ot ual be nt 

64

• 2 layers of FlaxPreg UD180 

• 2 layers of FlaxPreg BL200 

• 1 000 pieces 

FlaxPreg UD180:   1 300 ∙ 2 200 mm2 ∙ 2 layers ∙ 1 000 pieces = 5 720 m2  → 5 000 m2 of FlaxPreg will be bought for a price of 18.60 € 

FlaxPreg BL200:  1 300 ∙ 2 200 mm2 ∙ 2 layers ∙ 1 000 pieces = 5 720 m2  → 5 000 m2 of FlaxPreg will be bought for a price of 20.21 € 

Medium Scale Production (10 000 pieces/year) • 1 300 ∙ 2 200 mm2  

• 2 layers of FlaxPreg‐E UD180 

• 2 layers of FlaxPreg‐E BL200 

• 10 000 pieces 

FlaxPreg UD180:   1 300 ∙ 2 200 mm2 ∙ 2 layers ∙ 10 000 pieces = 57 200 m2  → 10 ∙ 5 000 m2 of FlaxPreg will be bought for a price of 10 ∙ 18.60 €  

FlaxPreg BL200:  1 300 ∙ 2 200 mm2 ∙ 2 layers ∙ 10 000 pieces = 57 200 m2 → 10 ∙ 5 000 m2 of FlaxPreg will be bought for a price of 10 ∙ 20.21 € 

Large Scale Production (100 000 pieces/year) • 1 300 ∙ 2 200 mm2  

• 2 layers of FlaxPreg‐E UD180 

• 2 layers of FlaxPreg‐E BL200 

• 100 000 pieces 

FlaxPreg UD180:   1 300 ∙ 2 200 mm2 ∙ 2 layers ∙ 100 000 pieces = 572 000 m2 → 100 ∙ 5 000 m2 of FlaxPreg will be bought for a price of 100 ∙ 18.60 €  

FlaxPreg BL200:  1 300 ∙ 2 200 mm2 ∙ 2 layers ∙ 100 000 pieces = 572 000 m2 → 100 ∙ 5 000 m2 of FlaxPreg will be bought for a price of 100 ∙ 20.21 € 

The material supply consists of FlaxPreg (see Chapter 4 for more details about the material) and the chosen manufacturer is LINEO. The prices were received from the contact person Dominique Andreis from LINEO [22].  

Weighing Cell A weighing  cell  for  the purpose of measuring  the material  taken  from  the material  supply  can be bought at for instance Eilerssen Industrial Sensors in Denmark [23] or Applied Weighing, UK [24].  

Hydraulic Press, Mold, Gripper Change System and Cooling Station For choosing a suitable press, the wanted press force has to be known. Knowing the dimensions and characteristics  of  the  side  panel,  the  wanted  press  force  is  approximated  to  2 500  tons  and  a compress eco 400 is chosen from . See Figure 7.5 for an example of one of the hydraulic presses from the  Compress  Eco  Series.  The mold  is  also  recommended  to  be  bought  at  Dieffenbacher  and  is 

65

usually bought together with the press. The gripper change system, the cooling station and the gate out belt are also bought from Dieffenbaher. 

Figure 7.5. Compress Eco, Dieffenbacher47 

Robots There  are  three  robots  included  in  the  plant  lay‐out  –  a  loading  robot with  gripping  system,  an unloading  robot  and  a  cleaning  robot. Other  than  at Dieffenbacher,  these  could  be  found  at  for example  Kuka  Robotics,  ABB  and  Comau  [20].  A  comparison  between  the  advantages  and disadvantages of these different manufacturers and their products has to be done. 

Reworking Station The  reworking  station  is  manual  and  a  need  of  rasps,  sandpaper,  and  rasp  machines  are recommended. These can be bought at many companies in Turin, Italy, for example at several stores in Grugliasco shopping center. 

Security For security  reasons a protection  fence  is  recommended  for  surrounding  the machines, protecting the workers  from  injuries and accidents. This can be  found at Dieffenbacher too and  is adapted to the dimensions of the hydraulic press.   

Summary and Observations The suggested manufacturers are examples of possible places where to invest in new equipment for a possible  future medium  to  large scale manufacturing. They are given  in order  to  facilitate  future studies within the field but can easily be changed if other equivalent manufacturers are to be found. Most equipment  is seemed to be  found at Dieffenbacher, while some can be delivered  from other manufacturers as well.  

Recommendations Before choosing a definite manufacturer of the machinery and equipment, one should consider and compare cost, transportation distance and  life time of the machine/equipment  in order to optimize the choice.  

47 Figure from: Dieffenbacher. Hydraulische Pressensysteme und Direktverfahren. http://www.dieffenbacher.de/fileadmin/bilder/Sonstiges/Broschueren_PDFs/Umformtechnik/Kunststoff/BR_Kunststoff_D_SQ.pdf [2011‐11‐11] 

7.4. The  life  cdifferent pin Figure 7while the 

The matecompany equipmenThe transpmanufactuis produceperson orcar and simaterial.  

SummarThe life cymeans of the final d

RecommThe life cyof materianecessaryoptimizatiwould be 

48 Producer: LMax: version 

Environycle  of  a  carphases of the7.6. The distadistance for t

erial  is  in  thisLineo in Bernnt bought froport as a firsturers to proded, assembledr a company. de panel. Dis

ry and Obseycle is taken transport anddisposal of the

mendations ycle of the sidal, manufactuy. This could bion  after  triapossible is als

Lisa Nääs. Student Professional 5.2, 2

nment andr  –  and  theree life cycle areance of transpthe machiner

Fig

s  case  flax  fibnay, France. Tm Dieffenbact step includeduction plant.d with the reThe use  indisposal  is the 

ervations into account d transport de component

de panel is tauring, transpobe done durial  and  error. so an essenti

– Design and Prod2010 

 Life Cycleeby  also  the e material, mportation of try is approxim

ure 7.6. The life

bers  and  epoThe manufactcher  in Eppines the transp. The second st of the car cates how anend of the  li

as an approxdistance, an et and recyclin

aken into accort, use and dng the actuaA more  detaal study for th

duct Realization. K

66

e side  panel  o

manufacture, the material is

mately 680 km

e cycle of the sid

oxy  resin  in  tturing takes pngen, Germanortation of mlevel of transand sold and nd for how  lofe cycle and 

ximation of rastimation of g.  

ount but onlydisposal. For l production ailed  plan  abhe near futur

KTH Royal Institute

of  XAM  –  is transport, uses approximatm (Eppingen –

de panel48 

the  form  of place in Turin,ny (one manumaterial, machsportation hatransported ong the costuincludes recy

aw material, costumer use

y through estmore specifiof the side p

bout  the  recyre.

e of Technology, S

5  years  or  2e and disposately 950 km (B– Turin) [25]. 

FlaxPreg  ord, Italy – with ufacturer for hinery and eqappens whento the costumumer (now owycling and bu

component me and a possib

timations of pc details, a repanel and theycle  including

oftware used to c

0 000  km.  Thal as illustrateBernay – Turi

dered  from  thmachinery ansimplificationquipment fro the side panmer – a privawner) uses thurning of was

manufacturinble outcome 

possible valueal  life study en modified fg  if  and  how 

reate Figure: Edra

he ed n) 

he nd n). om nel te he ste 

ng, of 

es is 

for it 

67

7.5. Overall Summary and Conclusion The machinery, equipment and material needed for a plant lay‐out adapted to medium to large scale production of the side panel can all be  found  in Europe and  the mentioned manufacturers  include Dieffenbacher, Lineo, Kuka Robotics, ABB, Comau, Eilerssen Industrial Sensors and Applied Weighing. The life cycle of the side panel include material, manufacturing, transport, use and disposal. A future detail study within the recycling process of the side panel is recommended as a future project within Team H2politO as well as a project including a more specific plant lay‐out of the production plant.  

 

 

68

Chapter 8. Recommended Future Projects and Requirement Specifications 

This  study has  introduced  the necessity of new  areas of  study  that  could be used  as  subjects  for future  thesis  projects.  The  four major  fields  of  study  that  have  been  noted  are  the  change  of assembly system of the side panel to the chassis, a material study for possible change of composite material to use  for the body of XAM, a detailed plant  lay‐out  including European manufacturers of machinery  and  equipment  needed  and  finally  a  recycling  study  of  the  composite material  for  a closure  of  the  life  cycle  of  the  side  panel.  Proposals  of  these  projects  including  requirement specifications based on earlier chapters throughout this reports are given.   

8.1. Assembly System One of the key problems of the design of the side panel  is  its current assembly system to the roof panel.  For making  the production  less  time  consuming  and decrease  the  investment of  the press mold, a new assembly system between the side panel and the roof panel is essential. The purpose of changing assembly system is to facilitate the production of the side panel for medium to large scale composite  production  using  RTM,  compression  molding,  BMC/DMC  molding  or  SMC  molding following specific requirements and keeping the desires in mind.  

Requirements • The press mold should be made of a single upper mold and a single lower mold, hence a total 

of no more than two parts. 

• The  parting  of  the  side  panel  from  its mold  should  be  simple  (through  for  example  an increase of the corner radiuses of the current side panel). 

• The design of the side panel should not be changed to the extent that more than a maximum of two of its neighboring parts have to change. 

• The recommendations for aerodynamics should be taken into account. 

• The complexity and thereby the time of assembly should be adapted to a medium to  large scale production (10 000 – 100 000 units/year). 

Desires • The amount of material used for 1) the mold production and 2) the side panel  itself should 

be kept as low as possible.   

• The number of employees needed for assembly should be kept as low as possible. 

• The production rate should be as high as possible. 

8.2. Material Study The current material used for the production of the body of XAM is epoxy resin reinforced with flax fiber. For this study the side panel  is analyzed with respect to the mechanical properties. These will be  given  through  tests  and  compared  to  the  same  mechanical  properties  of  other  composite materials.  The  purpose  is  to  compare  different  composites  and  after  the  result  choose  the  best suitable material for the body of an urban city car considering specific requirements and desires. The different composite materials are to be chosen after a bench marking with reasonable motivations.  

   

69

Mechanical Properties for Testing • Compare  the  static  strength of  the different material  samples by  loading  through  impact, 

shock and repeated cyclic exposure.  

• Compare the fatigue of the different material samples by loading through impact, shock and repeated cyclic exposure.  

• Compare the damage tolerance of the different material samples by loading through impact, shock and repeated cyclic exposure.  

• Do tensile and compression tests.  

When having the data of the mechanical properties for the different composite materials, the results are to be compared to the theoretical mechanical properties of aluminum.  

Requirements • Motivations have  to be  given of how  the mechanical properties of  the  chosen  composite 

material fulfill reasonable values for the purpose of a car body design of an urban city car. 

• The material has to be able to leave a result with a Class‐A quality surface. 

• The section thickness should be 2 – 5 mm. 

• The total weight of the side panel should not exceed 8 kg. 

• The other dimensions of the side panel should not be changed. 

Desires • The total weight of the side panel should not exceed 5 kg.  

• The section thickness should not exceed 3 mm. 

• The curing time of the material should be kept as low as possible.  

8.3. Plant Lay­out  A detailed design of  the plant  lay‐out  for a medium  to  large  scale production of  the  side panel of XAM is necessary before putting the production into practice. The purpose of a detailed plant lay‐out is to be able to make an approximation of the investment required for a future production of the side panel including security systems for employees and assembly workers. An economic overview of the chosen manufacturers of machinery and equipment should also be made. Data sheets of the chosen machinery and equipment including tool  life, price, technical data, physical dimensions and working speeds are to be introduced for all included machinery and equipment.  

Requirements  • The  production method/s  to  be  used  are  RTM,  compression molding,  BMC/DMC molding 

and/or SMC molding. 

• The  production  plant  should  have  the  capacity  of manufacturing  a  production  volume  of minimum 10 000 – 100 000 components/year. 

• The manufacturers of the machinery and equipment needed for the design of the plant lay‐out are to be located in Europe. 

• The location of the production plant is Turin, Italy. 

• The investment should not exceed the approximated income. 

• The design of the production plant has to follow security regulations. 

   

70

Desires • The  production  line  should  be  as  automatic  as  possible,  hence minimize  the  amount  of 

manual stations. 

• The  number  of  employees  needed within  the  production  plant  should  be  kept  as  low  as possible. 

• The production rate should be kept as high as possible.  

8.4. Recycling The recycling of the composite material of the body of the car has to be considered and planned  in detail. The purpose of this study  is to make a plan of possible recycling methods for completing the life cycle of the body of XAM. What is the composition of the material? Is it recyclable? Are there any possible areas of usability for a reuse of the recycled material when the car  is being dismantled?  If yes, which are those areas? What are the energy emissions during the product life and how big is the CO2 foot prints? Is it possible to reduce these? How? 

Requirements • Requirements  for  recycling  regulations  should  be  followed  for  the  plan.  The  regulations 

should be found during the research phase of the project.  

• A detailed plan for at least two areas for reuse of the recycled material. 

Desires • Keep the CO2 footprint as low as possible. 

• Keep the energy emissions as low as possible.  

 

71

 

72

Chapter 9. Discussion and Conclusions This study has given a general  idea about possible production systems for future medium and  large scale production of the side panel as well as a description of the production system already used for small scale production. The project gives a base  for  future development and detail research within the area by recommending changes  in design, production systems to use, manufacturers and some guide lines for production plant lay‐out.  

The  case  study of  the  composite production  and design of  the  side panel  shows  that  the  current manual production method used is only suitable for prototype and small scale production because of long production  cycle  and  a  large number of employees. A  future prototype production might  go faster now that the method and its problems are known.  

Recommended changes in the design of the side panel would facilitate the production. These include an  increase  of  corner  radius  and  a  change  of  assembly  system.  A  possible  improvement  of  aero dynamics is to add a brake cooling duct to the frontal wheel arch and a sill to the lower side panel in order to decrease the air volume around the wheels so that the  loss of kinetic energy decreases. In accordance with these recommendations, a new assembly system has to be designed and developed in detail as a construction base.  

For a future medium scale composite production of the side panel, BMC/DMC molding, SMC molding and RTM are the best out of the 10 methods that were  introduced  in the beginning. These have a production  rate which  lies within  the economic batch  size  for a medium  scale production volume even  though  the  tooling  cost  and  labor  intensity  are medium  to  high.  The mass  range,  section thickness, surface roughness and shape of the side panel all lie within the range of those possible.  

The most  suitable  composite  production  systems  for  large  scale  production  of  the  side  panel  is compression molding,  BMC/DMC molding  and  SMC molding. With  these methods,  a  production volume of up to 180 000 pieces/year can be manufactured and  just  like  in the case of medium size production, all of the dimensional properties of the side panel are possible.  

The  market  and  technology  of  improved  or  new  production  methods  are  constantly  under development  and  it  is  therefore  of  great  importance  to  keep  the market  under  observation  for improvements or change in production methods. 

The machinery and equipment needed for a medium to large scale production plant include material supply, a weighing cell, a  loading  robot with gripping system, a gripper change station, a hydraulic press compress eco 400, a press mold made of iron, an unloading robot, a cleaning robot, a cooling station, a reworking station and a gate out belt. All of these can be bought at Dieffenbacher with a total  investment  is  approximately  3 400 000  €.  The  considered material  is  FlaxPreg  consisting  of epoxy resin reinforced with flax fiber and the manufacturer is Lineo. 

In  the  case  of  aluminum  production,  forging  is  a  common  method  for  medium  to  mass  scale production.  An  aluminum  production  plant  would  need  a  total  investment  of  7  times  that  of composite production, but can on the other hand manufacture up to 5 000 000 pieces/year which is approximately 27 times more than any composite production can manufacture in a year.  

A  future  continuation  of  this  theoretical  study  is  recommended  and  includes  a  study  of  possible assembly  system  between  the  side  panel  and  the  roof  panel,  a material  study,  a more  detailed 

73

production  plant  lay‐out  for more  specific  economic  analyses  and  a  study  of  possible  recycling methods  for  the  chosen material.  The  results  achieved  throughout  this  project  thereby  form  a general basis for future detail studies within the same field of study. 

 

 

74

Bibliography 

[1]   Politecnico di Torino. Team H2politO.  URL: http://areeweb.polito.it/didattica/h2polito.html [2011‐06‐22] website 

[2]   Team H2politO. Ready to be Different. Politecnico di Torino [2011] flyer  [3]  Politecnico di Torino. Team H2politO.                                                                                  

URL: http://srvh2polito.polito.it/en/team/who‐we‐are.html [2011‐06‐23] website  [4]  Settineri, Luca. Professor. Politecnico di Torino [2011‐10‐21] meeting 

[5]  Danilo. Production employee. EXP Torino [2011‐07‐01] interview  [6]   Cozzari, Giuliano. Proffessor. Politecnico di Torino [2011‐10‐10] meeting  [7]   Serra, Andrea. Student – Industrial Design. Politecnico di Torino [2011‐10‐04] 

interview  [8]   Avesio, Francesco. Student – Industrial Design. Politecnico di Torino [2011‐10‐04] 

interview preparation  [9]  Viebke, Lars. KTH‐Kista. Institutionen flr tillämpad IT. Fiberkompositlaminering. 

http://www.carbontrikes.se/komposit/Fiberkompositlaminering.pdf [2011‐10‐15] website 

 [10]   Carello, Massimiliana and Airale, Andrea. Urban Concept 534: Technical Innovation 

Award. Team H2politO [2011] article  [11]   Hashemi, Roozbeh. Student Automotive Engineering. Politecnico di Torino [2011‐11‐

15] interview  [12]   Massai, Paolo. Professor. Politecnico di Torino. Land Vehicle Aero Dynamics, Chapter 2  

[2011‐04‐10] lecture slide  

[13]   Ashby, Mike. CES EduPack 2011. Cambridge: Department of Engineering, University of Cambridge [2011] software 

[14]   Lineo. FlaxPreg. URL: http://www.lineo.eu/#!products [2011‐09‐26] website  [15]   Composites One. About Composites. URL: http://www.compositesone.com  

[2011‐09‐15] website 

[16]  Forex Bank. Currency Converter. URL: http://www.forex.se/en/ [2011‐09‐26] website 

[17]  Design Engine. A Resource for Design and Engineering. URL: http://design‐engine.com/stories/classa.htm [2011‐09‐22] website 

 

75

[18]   Ashby, Michael. Shercliff, Hugh. Cebon, David.  Materials engineering, science, processing and design. 2nd Edition [2007] book 

[19]  Efunda. Properties of Aluminum Alloys.  URL: http://www.efunda.com/materials/alloys/aluminum/properties.cfm [2011‐10‐25] website 

[20]  Fernandez Mas, Antoni and Peano, Fabio. Students. Politechnic University of Turin [2011‐11‐17] interview/meeting 

[21]  Graf, Matthias. Technical Director. Dieffenbacher [2011‐11‐22] interview 

[22]   Andreis, Dominique. Engineer. Lineo [2011] contact person of Team H2politO 

[23]  Eilersen. Industrial Sensors. URL: http://www.eilersen.com/default.asp?ContentId= {EB 954457‐3932‐4700‐9F47‐DE2E1900AD1E}&gclid=CJ_a‐5GW7q0CFagumAodm0yN6g [2011‐12‐08] website  

[24]  Applied Weighing. Load cells. URL: http://www.appliedweighing.co.uk/about_us.php [2011‐12‐08] website 

[25]  Google. Google Maps. URL: http://maps.google.se [2011] website 

 

 

76

Appendix 1 – Interviews During  the  thesis,  some  interviews  and  study  visits were made. A  summary of  the  interviews  are found in this appendix. 

Interview 1 – Production of the Side Panel at EXP Danilo at EXP:  is an expert of composite small scale production and works at  the company EXP  in Turin. At  the  company  they produce  all  sorts of prototypes made of  composite materials, mostly carbon fibers.  

Purpose: An  interview with Danilo  in combination with a study visit at the company EXP was made for the purpose of getting to know more about the production of the side panel of XAM for the case study of its production methodology.  

Questionnaire: 1. Which were the different stages of the production process used for producing the side panel 

of XAM? 2. What machinery was used? 3. How long did the production process take? 4. What materials were used? 5. How was the final side panel surface finished? 

 The answers can be found in 0.  

Interview 2 – Design of the Side Panel Andrea Serra: is a student at the Polytechnic University of Turin within the area of  industrial design and a member of the Team H2politO. In the academic year of 2010/2011, he worked with the design of the body of XAM.  

Purpose: An  interview with Andrea  Serra was  held  for  the  purpose  of  doing  a  case  study  of  the production of the side panel and the ideas of the design behind it.   

Questionnaire: What are the approximate dimensions of the side panel? Section thickness, length and width. 

1. Why was the side panel designed in the way it was? 2. Did you experience any problems during the production? If yes, what kind of problems?  3. Would you have done anything different knowing the result? In that case what and why? 4. Which parts are critical in terms of mechanical properties? Is there any brittle part that could 

need some change of design? 5. What parts cannot be changed due to assembly or similar issues? 6. How was the side panel produced? 7. How much time did each step take and how many people were needed? 8. Could the process have been made faster in any way? 9. How was the mold made? 10. Which parts are designed for assembly to the rest of the body? 

    

77

Interview 3 – Aerodynamics and Design Roozbeh Hashemi:  is a student  from  Iran currently studying his master’s course within automotive engineering at the Polytechnic University of Turin and a member of the Team H2politO. He has been working with car design during 4 years in different student projects both in Iran and Italy and knows a lot about electric and hybrid vehicles. 

Purpose: An  interview with Roozbeh Hashemi was held for the purpose of understanding the  limits of design of some critical part of the side panel for aero dynamical reasons.    

Questionnaire: 1. Which parts of  the  side panel are critical  in  terms of aero dynamics? Why are  these parts 

critical? 2. What parts of  the neighboring  components of  the  side panel  are  critical  in  terms of  aero 

dynamics? Why are these parts critical? 3. What  should  one  think  about  when  designing  a  side  panel  of  a  car  in  terms  of  aero 

dynamics? Why?  

Interview 4 – Material of the Side Panel Antoni  Fernandez Mas  and  Fabio Peano:  are  students  at  the  Polytechnic University of  Turin  and members  of  the  Team  H2politO.  In  the  team  they  work  on  a  study  about  possible  composite materials for the production of the urban vehicle XAM.  

Purpose: An  interview with Antoni  Fernandez Mas  and  Fabio  Peano was held  for  the purpose of getting a deeper understanding about flax fibers and epoxy resin.    

Questionnaire: 1. What is flax fiber? 2. What are the mechanical properties of flax fiber? 3. Where can they be bought? 4. What was the price of the material used for the production of the body of XAM? 5. From where was the material for the production of the body of XAM bought? 6. How many layers of FlaxPreg were used for the production of the side panel of XAM? 7. What are the mechanical properties of the different layers? 8. Why was this material chosen? 

 

Interview 5 – Machinery (Medium to Mass Scale Production) Dieffenbacher:  is an  internationally active group of companies that develop and manufacture press systems  and  composite  production  systems  for  the  wood  panel  industry,  the  automotive  and components industries.  

Purpose:  An  interview  with  one  of  the  Technical  Directors, Mr. Matthias  Graf was  held  for  the purpose of getting a deeper understanding about machinery and production plants.  

Side panel:  

• Section thickness: 2 mm 

• Weight: 5 kg 

• Height x length: 1,280 x 1,800 mm2  

78

• Surface quality: A‐class 

• Tolerance values: 0.2‐1 mm 

Compress Plus:  

• Press forces from 15,000 to 50,000 kN 

• Bolster sizes from 2,400 x 1,800 mm to 4,000 x 2,800 mm 

• Closing speed under load up to 80 mm/s, depending on the press force 

Compress Eco: 

• Press forces from 4,000 to 25,000 kN 

• Bolster sizes from 2,000 x 1,400 mm to 3,600 x 2,400 mm 

• Speeds under load from 18 to 40 mm/s 

Questionnaire: 1. We are doing a  theoretical study about  the composite production of a side panel of a car. 

The size of the panel  is 1,280 x 1,800 mm, section thickness 2 mm and weight 5 kg. We are looking at a production volume of 1,000; 10,000 and 100,000 pieces/year. What press series would you recommend us to “buy”? Compress Plus or Compress Eco?  

For the purpose of a production of the side panel, one of the presses from the Compress Eco series would be recommended to buy because of the cheaper price and the dimensions of the side panel.  

2. What is an approximate price of that machine?  

1,000,000 – 1,300,000 € for one press 

3. What are the physical dimensions of the press? 

The mold of the press has a dimension of approximately 2.4 m x 1.8 m, while the needed floor space in a production plant would be approximately 4 m x 3 m 

4. What  are  the  physical  dimensions  of  an  average  production  plant  for  RTM  and  SCM production of small sized products? 

For the entire production system for the production of the side panel, a floor area of 10 m x 15 m is needed 

5. Do you also sell other equipment for machine  lay‐out? For example weighing cells, gripping robot,  cooling  systems  and  safety  fences?  If  not,  do  you  have  any  recommendations  of where to buy them? 

Yes, we sell the needed equipment for an entire production system  including press pits, unwinding and rewinding of prepreg, cooling station etc. The total  investment for all of the production system for  composite production  (SMC)  is approximately 3,000,000€  for  the equipment plus 400,000€  for the press mold.   

6. We read on your web‐page about bolster size, what does it stand for? 

The bolster size indicates the size of the press table – hence the size of the maximum mold that can fit into the press.  

79

7. What is a typical production rate using your presses and processes? 

In the case of a side panel of the given dimensions, the production rate using SMC molding would be 150,000 – 180,000 pieces/year. 

8. Can the same press be used for SMC and HP‐RTM? 

The same press series with a smaller size.  

9. What is the range of curing time for different production systems? 

30 second to 5 minutes, the fasted one being LFTD and the slowest one being RTM.  

10. What is the percentage of resin in a piece made carbon fiber using different processes? 

For carbon fiber production, the percentage of resin (epoxy resin) is 25% for SMC and 40% for RTM. 

11. What are the maximum dimensions of a mold? 

4 m x 3 m. 

12. Within what range can the section thickness vary for production using your machinery? 

The most common section thickness is 1.8 mm – 3 mm but the maximum section thickness is 4 mm – 5 mm. 

13. What is the needed press force for the production of the side panel? 

2,500 tons for SMC production 

14. What would the investment of a production system for the production of the side panel if it would have been produced in aluminum? 

20,000,000 € plus 5 x 400,000 € for the presses plus 2,000,000 € for mold investment 

15. What would the production rate of aluminum production of the side panel be? 

4,000,000 – 5,000,000 pieces/year 

 

   

80

Appendix 2 – Data Sheet of FlaxPreg PrePreg made of Flax Fibers / Epoxy Resin General information LINEO FLAX PREPREG  is a  range of pre‐impregnated material based on an Epoxy Resin system and pre‐treated Flax Fibers using the LINEO patented sizing technology. This range of flax prepreg, named FLAXPREG  has  been  developed  to mainly  enhance  the  vibration  absorption  qualities  of  the  final composite parts. It also allows the development of greener material. 

Applications: High performance composite parts 

• Sporting equipment (bike frames, hockey sticks, tennis rackets, skis, baseball bats) 

• Marine, especially sailing boats 

• Transport (body panels, interiors) 

• Aerospace (secondary parts, interiors) 

Main Advantages 

• High Vibration Absorption 

• Electrical Insulation 

• CTE near 0 

• Low Density (1.3) 

• Tg from 239°F to 302°C depending on curing cycle 

• Easy and ready to use 

• Made from natural and renewable resources 

• Long Shelf life 

Use of FLAXPREG in composite design 

• Use the FLAXPLY© with a 60deg orientation for optimal vibration absorption 

• Substitute between 15 to 25% of Carbon or Glass prepreg with FLAXPLY© (Higher rate is possible depending on the mechanical constraints applied on the part) 

• Carbon or Glass prepreg should be used for exterior/interior layers ensuring the strength and the rigidity of the part 

• FLAXPLY© should be used for intermediate layers for damping properties and vibration absorption 

Properties of FLAXPREG Epoxy Formulation Curing Cycle and Tg (IEC 1006, DSC, 10 K/min) 

• 2h @ 230°F Tg = 235°F to 251°F 

• 1h @ 248°F Tg = 257°F to 273°F 

• 30min @ 266°F Tg = 260°F to 276°F 

• 1h @ 266°F Tg = 273°F to 293°F 

• 15min @ 284°F Tg = 273°F to 291°F 

• 30min @ 284°F Tg = 275°F to 293°F 

• 1h @ 284°F Tg = 275°F to 293°F 

• 15min @ 302°F Tg = 262°F to 277°F 

• 30min @ 302°F Tg = 275°F to 294°F 

   

81

FLAXPLY© Shelf Life 

• Under 40°F: 1 year 

• at 73°F: 6‐8 weeks 

• at 86°F: 3‐4 weeks 

Available range of FLAXPREG 

• 150 g/m2 UD Flax Fiber ‐ 50% resin content 

• 180 g/m2 UD Flax Fiber ‐ 50% resin content 

• 200 g/m2 Balanced Fabrics 0/90 Flax Fabrics – 50% resin content 

• 300 g/m2 Balanced Fabrics 0/90 Flax Fabrics – 50% resin content 

• 580 g/m2 Balanced Fabrics 0/90 Flax Fabrics – 50% resin content 

   

82

Appendix 3 – Data Sheet of Aluminum AL 2024 Composition 

• Al:    93,50 % 

• Cu:   4,4 % 

• Mn:   0,6 % 

• Mg:   1,5 %  Mechanical Properties 

• Density:  27700 kg/m3 

• Poisson’s ratio:  0,33 

• Elastic modulus:  70‐80 GPa 

• Tensile strength:  185 MPa 

• Yield strength:    76 MPa 

• Elongation:  20 % 

• Hardness:  47 HB500 

• Shear strength:  125 MPa 

• Fatigue strength:  90 MPa  Thermal Properties 

• Thermal expansion:               22,8∙10‐6/°C 

• Thermal conductivity:           190 W/m‐K  Electric Properties 

• Electric resistivity:               34∙10‐9Ω‐m 

 

 

83

 

84

Appendix 4 – Physical Attributes The numerical values of the physical characteristics mentioned and shown in tables in Chapter 5 are demonstrated and summarized in Table 1 below. 

Table 1. Physical attributes of each production system. 

  PHYSICAL ATTRIBUTE Mass range 

[kg] Range of section thickness [mm] 

Tolerance [mm] 

Roughness [µm] 

Surface roughness 

 

PRODUCT

ION SYSTEM 

Compression molding 

0.1‐20  1.5‐25  0.15‐1  0.2‐1.6  Very smooth 

Autoclave  molding 

0.8‐2∙103 2‐30  0.8‐1  0.5‐3.2  Very smooth 

Hand lay‐up/ Spray lay‐up 

1‐6∙103 2‐10  0.8‐2  0.5‐3.2  Very smooth 

Filament  winding 

0.01‐3∙103 2‐25  0.5‐1.6  0.5‐1.6  Very smooth 

Resin transfer molding (RTM) 

0.8‐50  2‐6  0.25‐1  0.25‐1.6  Very smooth 

BMC (DMC)  molding 

0.03‐20  1.5‐25  0.12‐1  0.3‐1.6  Very smooth 

Pultrusion  

0.1‐200  3‐15  0.25‐1  0.3‐1.6  Very smooth 

SMC molding  

0.03‐50 1.5‐25 0.2‐1 0.3‐1.6  Very smooth 

Vacuum and pressure bag molding 

0.8‐2∙103 2‐6  0.8‐1.2  0.5‐3.2  Very smooth 

Vacuum assisted resin transfer molding VARTM 

0.5‐600  1‐20  0.3‐1  1‐2.4  Very smooth 

 

85

 

The manufinal cost cost of prfrom  whicequipmenĊoh (thus wcosts.   It intensive here.  Finalicense fee

  

The cost mThink  nowmaterial cby the facas sprues,

The cost Cthat mustthe numewill be nec

where nt  is the  intetool‐set ev

ufacture of a is  the sum ooducing a coch  it  is madnt, Cc ($), in wwith units of requires  enebut more usally there is tes; this, too, w

Resour

Materi

Capital

Time:  

Energy

Inform

model   w  of  the mancosting Cm $/kctor 1/(1‐f) w risers, turnin

Ct of a set of t be wholly asrical size n ofcessary.  Thu

is the numbeeger functionvery time n e

Appendcomponent 

of those of thmponent of me.   It  involvehich the tool$/hr), in whicergy, which  issually  is  treathe cost of infwe view as a 

T

rce 

als:   i

:   cc

ole

:   c

ation:  R

nufacture  of kg.  The first cwhere f is the ngs, rejects, o

tooling – diesssigned to thef the products tooling cost

er of units tha. The term  inxceeds nt. 

dix 5 – Ecoconsumes  rehe  resources mass m entaies  the  cost  oing will be usch we includes  sometimes ted as part oformation, mcost per unit 

Table 1. Symbols

ncluding con

cost of toolingcost of equipm

overhead  raabor, adminietc. 

cost of energy

R & D or roya

a  componencontribution tscrap fractioor waste: 

s, molds, fixtue production tion run.  Toot per unit take

at a set of ton curly bracke

86

onomicalesources, eacit consumes.ils the cost Cmof  dedicated sed.   It require the cost of charged  agaf  the overheeaning that otime and lum

s, definitions an

 

sumables 

g ment 

te,  includingistration,  ren

lty payments

nt  (the  “unit to the unit con – the fracti

ures, and jigsrun of this sinoling wears oues the form 

oling can maets simply  inc

l attributeh of which h.  They are de

m ($/kg) of thtooling,  Ct  ($res time, charlabor, adminainst  a  procead and  lumpof research anmp it into the 

nd units 

Symb

Cm 

Ct Cc 

g t 

Ċoh 

Ce 

s  Ci 

of  output”) ost is that of tion of the sta

 – is what is cngle componut.  If the run

                

ke before it hcrements the 

es has an associaefined  in Tabe materials a$),  and  that rgeable at annistration, andess‐step  if  it ped  into  Ċoh, nd developmoverhead. 

ol Unit 

$/kg 

$ $ 

$/hr 

$/hr 

$/ye

weighing m the material marting materia

 

called a dedicent.  It is writn is a long one

       

has to be reptooling cost 

ated cost.  Thble 1.  Thus thand feed‐stocof  the  capit

n overhead rad general plais  very  energas we  shall dent, royalty, 

ar 

kg, made  ofmCm magnifieal that ends u

(

cated cost: ontten off againe, replaceme

            (

laced, and ‘Inby that of on

he he cks tal te nt gy do or 

f  a ed up 

(1) 

ne nst nt 

(2) 

nt’ ne 

The capitapowder pdie‐sets oborrowingsay) over equipmenload facto

this hourly

Finally the

 units p

The total s

The equatthat is indreciprocal

the reciprprocess, wthree altethe  unit  cequation (course,  thdominate

usually  dishown hemuch morcasting, an

This  cost approxima

 

al cost of equress, for examr tooling.   It g the capital which  it  is  t

nt  is used conor, L – the fra

y cost divided

ere is the ove

er hour:  

shaping cost 

tion says: thedependent of  of the produ

rocal of the pwith the shapernative procecost  is  domin(5)).  As the bhat  the  toolid  by  the  “va

ffer  in  toolinre.   Sand casre but it is alsnd the proces

model  is  buate values for

uipment, Cc, mple – can beis usual to coitself  into anto be  recoventinuously.  Tction of time

d by the rate  

rhead rate Ċo

per part, Cs, i

e cost has thref batch size anuction volume

production rape shown in Fesses: sand canated  by  thebatch size n inng  has  a  lifeariable”  costs

ng  cost  Ct andsting equipmeso much fastss is a little slo

uilt  into  the r tooling and 

 

by contrast, e used to maonvert the cap overhead byred.   The quaThat  is rarely e for which th

  at which 

oh.  It become

s the sum of 

ee essential cnd rate, a dee  (1/n), and a

ate  ( ).  TFigure 2.  It coasting, die cae  “fixed”  cosncreases, the e  that  is  greas  of material

d  productionent is cheap er.  Mold cosower.   

records  for  bequipment c

87

is rarely dedke many diffepital cost of ny dividing  it bantity Cc/twothe case, so 

he equipment

units are pro

es a cost per u

these four te

contributionsdicated cost a gross overh

The equationompares the sting, and lowsts  of  toolingcontribution ater  than  n) l,  labor,  and 

n  rate ,  caubut the procests for low pr

batch  shapinosts, and for 

icated.  A giverent componon‐dedicatedby a capital wis  then  a  costhe term  is mt is productiv

oduced: 

unit when div

erms, taking t

s – a materialper unit of phead per unit 

 describes a cost of castinw pressure cag  (the  secondof this to theuntil  it  flattother  overh

sing  their  C ess is slow.  Dressure castin

g  process  inproduction ra

ven piece of nents by instd equipment write‐off timest per hour  –modified by dve.  The cost p

 

vided by the p

  

he form: 

 

 cost per unitroduction thaof production

set of curvesng an aluminasting.  At smd  term  on  the unit cost faltens  out  at  aeads. Compe

–  n curves  tDie casting eqng are greate

  CES.   The  reate.   

equipment –talling differeand the cost e,  two, (5 year– provided  thdividing  it byper unit is the

(

production ra

                      (

            (

t of productioat varies as thn that varies 

s, one  for eacum con‐rod b

mall batch sizehe  right  of  thls (provided, a  value  that eting  process

o  intersect, quipment cosr than for san

ecords  conta

– a nt of rs, he y a en 

(3) 

te 

(4) 

(5) 

on he as 

ch by es, he of is es 

as sts nd 

ain 

Apppendix 6 – Press D

88

Data Sheett, Dieffenbbacher