Cubiertas compuestas híbridas: protección de vanguardia para electrónica ultra-fina

SABIC demostró en un estudio reciente que una cubierta de 1 milímetro de espesor podría cumplir todas las especificaciones de rendimiento relevantes para ordenadores portátiles o tabletas muy finas. Fuente, todas las imágenes | SABIC

La electrónica de consumo es un mercado dinámico con ciclos bastante cortos entre generaciones de productos. Desde sus smartphones, smartwatches, tabletas y portátiles, los consumidores quieren velocidades de operación más rápidas, baterías de mayor duración, mayor durabilidad y más características a menor coste y peso. Para satisfacer la demanda del consumidor, los OEM piden a proveedores materiales con alta estética y libertad de diseño, excelente resistencia al impacto y alta rigidez —que connota calidad en este mercado— a bajo peso y secciones de pared delgadas. También quieren métodos de procesamiento rentables y altamente repetibles que satisfagan la demanda de producción global en decenas de millones de unidades anuales. Estas presiones han empujado al mercado primero a metales ligeros para cubiertas/carcasas y marcos, y ahora lo impulsan hacia soluciones metal/compuesto y totalmente compuestas.

Caso de prueba

Desde 2012, SABIC ha realizado una serie de inversiones para desarrollar sus propias cintas compuestas termoplásticas reforzadas con fibra unidireccional (UD) (ver "Evolución hacia refuerzos de fibra continua"), que extendieron la competencia central de la empresa en inyección de fibra corta y termoplásticos de fibra larga (LFT), y permitieron a SABIC expandirse hacia compuestos termoplásticos de mayor rendimiento. En 2015, la empresa compró participación mayoritaria en el fabricante de cintas Fiber Reinforced Thermoplastics B.V. (FRT, Lelystad, Países Bajos) y en 2017 se asoció y se convirtió en inversor minoritario en Airborne (La Haya, Países Bajos), un fabricante de máquinas y desarrollador de líneas de procesamiento de compuestos.

A medida que SABIC y Airborne diseñaban y construían tecnología para producir rápida y rentablemente laminados net-shape de alta calidad a partir de cintas compuestas termoplásticas sobremoldeadas con compuestos reforzados con fibra discontinua, el equipo comenzó a buscar un caso de prueba. Este demostrador sería una herramienta de marketing importante para probar conceptos de diseño para laminados compuestos termoplásticos producidos a partir de cintas compuestas sobremoldeadas con compuestos de fibra discontinua. También sería importante probar herramientas de ingeniería predictiva que el equipo había desarrollado para ambas tecnologías de materiales y mostrar el proceso de fabricación de alta velocidad que evoluciona en los Países Bajos.

"Decidimos especializarnos en aplicaciones de electrónica de consumo", explica Gino Francato, líder global de compuestos de SABIC. "Ese mercado es muy interesante porque hay una ambición real de moverse hacia materiales ligeros para hacer nuestros móviles y portátiles más ligeros y finos. Y como hacen millones y millones de ellos, decidimos aceptar el reto que este mercado ofrecía."

"Decidimos empezar con algo que fuera razonablemente complejo pero no demasiado complejo", explica Scott Davis, científico de personal de tecnología de aplicación global de SABIC. La cubierta superior de un portátil muy fino o incluso una tableta —que el equipo esperaba que eventualmente se tradujera a componentes de smartphone— parecía un buen lugar para empezar. "Estábamos trabajando con una geometría general simple, un rectángulo, que aún tenía que mantener alta estética y ofrecer mucha complejidad en su lado B, incluyendo características de fijación", continúa Davis. "Teníamos que mantener la cubierta muy fina, pero aún cumplir requisitos de deflexión desafiantes comunes en la industria. Y, por supuesto, teníamos que entregar un producto muy consistente vía un proceso de fabricación nuevo y complejo."

Como no estaban trabajando con un diseño de cliente real, y solo estaban creando la cubierta protectora para una pantalla, usaron geometría genérica. De hecho, Davis señala, cuando empezaron a cortar utillaje de inyección para desarrollo interno, ni siquiera estaban seguros de si harían una cubierta de tableta o portátil, así que la cubierta se diseñó para funcionar para ambas. "Había muchos retos para tener una solución compuesta lista para producción de alto volumen", añade Davis. "De hecho, había mucho pasando simultáneamente —desarrollo de cinta, desarrollo de laminado y desarrollo de proceso— y no podíamos esperar a que todas esas cosas se finalizaran para comenzar nuestro utillaje, que es como terminamos con ese diseño." Con el diseño básico completo, el equipo se centró en otros detalles, como la mejor forma de gatear, qué tipos de solapes se necesitaban entre inserto de laminado y compuesto de sobremoldeo, cómo manejar la colocación automatizada dentro del molde, cómo lidiar con la discrepancia del coeficiente de expansión térmica lineal (CLTE o CTE) entre los dos compuestos y cómo crear una pieza fácilmente repetible.

Cumpliendo requisitos desafiantes

El objetivo era desarrollar una cubierta superior de 1 milímetro de espesor que proporcione alta rigidez y pase todos los requisitos de rendimiento y estética —especialmente la prueba de deflexión en punto central aplicada regularmente a cubiertas de portátiles para evaluar las cargas requeridas para dañar la pantalla subyacente. Los requisitos de carga/deflexión varían por OEM, dispositivo y modelo, pero típicamente no más de 3-5 milímetros de deflexión son permitidos bajo 40-120 Newtons de presión —una situación que simula las cargas ejercidas por un dedo o codo presionado en la cubierta mientras un usuario humano se levanta. En muchas industrias, la estrategia para pasar tales pruebas sería aumentar el espesor de sección, pero este mercado valora diseños más finos que liberan espacio para baterías más grandes y otros componentes sin aumentar el tamaño o peso del dispositivo. Por tanto, el equipo necesitaba usar una estrategia de diseño diferente para prevenir daño a la pantalla —específicamente seleccionando materiales más rígidos (vía inserto de laminado) y usando geometría (por ejemplo, nervaduras vía sobremoldeo por inyección). Pero primero, tenían que especificar materiales.

Uno de estos materiales, policarbonato (PC), ya se usa ampliamente en esta industria para cubiertas y otros componentes, debido a su excelente estética y alta resistencia al impacto. Las mayores debilidades del polímero son resistencia química y rayado superficial, pero el recubrimiento, pintura o combinaciones de ambos aplicados a la mayoría de cubiertas generalmente superan estos problemas potenciales.

"Como los ordenadores ultraligeros son tan finos, el espacio de paquete dentro está en una prima real, así que deflexiones y mecánicos se vuelven realmente críticos", señala Francato. "Aunque querrías usar vidrio [refuerzo] desde una perspectiva de coste, tuvimos que usar fibra de carbono para conseguir la rigidez que necesitábamos." Como resultado, todos los laminados basados en cinta evaluados fueron variaciones de policarbonato reforzado con fibra de carbono —grados entonces en desarrollo con la filial de SABIC, FRT.

SABIC ha desarrollado modelos predictivos para simular tipo y arquitectura de laminado (con y sin compuestos de sobremoldeo) vs. rendimiento de pieza moldeada y reporta que se ha logrado una fuerte correlación entre predicciones y resultados experimentales. Se dice que las herramientas de ingeniería predictiva aceleran el desarrollo de materiales.

El compuesto de sobremoldeo requería un enfoque diferente. Inicialmente, la estrategia era usar un compuesto LFT de fibra más larga, pero por varias razones —incluyendo altos requisitos estéticos, tamaño de pieza y estrategia de gateo— compuestos de fibra corta cumplían mejor los requisitos del proyecto. Otro tema era el tipo de fibra a usar. "Los compuestos de inyección de fibra de carbono corta son realmente difíciles de trabajar y aún conseguir alta estética", continúa Francato, "así que para nuestro material de sobremoldeo, miramos grados reforzados con fibra de vidrio corta." La filial LNP Engineering Plastics, Inc. (Exton, Pensilvania, EE. UU.) de SABIC ofrece muchos grados de fibra de vidrio/PC con buena estética y rigidez que son populares entre OEMs de dispositivos, así que el equipo se centró en esos.

Aunque el PC totalmente amorfo es menos propenso a deformación que polímeros semi-cristalinos, aún el equipo se preocupaba por diferencias de CLTE entre las cintas de fibra de carbono UD altamente reforzadas y anisotrópicas y los grados de sobremoldeo de fibra de vidrio corta más isotrópicos y discontinuos a cargas de fibra más bajas. "En paredes tan finas, hay muy poco margen de error, así que las ligeras diferencias en CLT eran cosas que teníamos que considerar cuidadosamente", explica Davis. "Y eso ni siquiera toca todos los problemas normales que te preocupan cuando moldeas por inyección, como ubicaciones de gate, patrones de llenado, presiones de empaquetado y líneas de soldadura. Todos estos factores fueron simulados y verificados con pruebas físicas."

Una vez elegidos los materiales, los ingenieros de SABIC realizaron múltiples iteraciones de llenado de molde, análisis estructural y simulación de deformación para evaluar colocación de laminado, geometría y combinaciones de materiales para optimizar rigidez para la prueba de carga/deflexión, más otros requisitos de rendimiento y coste. La empresa dice que ha desarrollado herramientas de modelado de compuestos completas y precisas (disponibles para clientes y corriendo en códigos estructurales y de procesamiento comunes) que pueden modelar y simular rápidamente arquitectura de laminado, composición de compuesto de sobremoldeo y varias opciones de procesamiento y utillaje versus rendimiento de pieza moldeada. Se dice que estas herramientas logran una fuerte correlación entre predicciones y rendimiento medido y son ideales para acelerar desarrollo de materiales personalizados.

Listo para el primer plano

SABIC ha desarrollado modelos predictivos para simular tipo y arquitectura de laminado (con y sin compuestos de sobremoldeo) vs. rendimiento de pieza moldeada e informa que se ha logrado una fuerte correlación entre predicciones y resultados experimentales. Las herramientas de ingeniería predictiva se dice que aceleran el desarrollo de materiales.

Lado frontal de la cubierta final de portátil/tableta, producida usando un inserto de laminado basado en cinta de policarbonato reforzado con fibra de carbono sobremoldeado con compuesto de copolímero de policarbonato/fibra de vidrio corta THERMOCOMP D452, una combinación que cumplió todos los requisitos mecánicos y estéticos relevantes en una pieza de 1 milímetro de espesor.

El demostrador final presenta un inserto de laminado producido a partir de siete capas de cintas UDMAX de desarrollo de fibra de carbono/PC (fracción de volumen de fibra 55%), luego consolidado, recortado, preformado y recortado de nuevo a net-shape final, antes de ser sobremoldeado por inyección con compuesto de fibra de vidrio corta/policarbonato-copolímero THERMOCOMP D452 al 40% en peso de fibra (un grado optimizado para alto flujo y alta estética y ya ampliamente usado en este segmento). La combinación produce una cubierta con alta rigidez y resistencia a baja masa y espesor de sección mientras incluye numerosos detalles de diseño 3D, características de fijación y buena estética, aprovechando lo mejor de cada material. La cubierta reportadamente pasó todas las pruebas industriales requeridas y actualmente está siendo evaluada por OEMs de dispositivos.

Lado trasero de la cubierta terminada.

El trabajo entre Airborne y SABIC también ha dado frutos para los objetivos de mercado de electrónica de consumo de SABIC. La asociación se anunció en 2018, y este año se ha proporcionado más detalle sobre lo que ambas empresas llaman su Línea de Fabricación de Compuestos Digital, que puede producir cuatro insertos de laminado net-shape consolidados a partir de cintas compuestas termoplásticas por minuto o 1,5 millones de laminados por año desde una sola línea de producción. Se dice que el sistema es flexible (en términos de arquitectura de colocación y materiales) y rápido. A partir de 2020, Airborne usará la línea para fabricar laminados para uso comercial en electrónica de consumo, convirtiéndose en un recurso que ambas empresas esperan aumentará enormemente la penetración de compuestos termoplásticos en este segmento altamente competitivo y rápido.