Revolucionando asientos de vehículo con tecnología de bobinado de filamento 3D

La sostenibilidad y la responsabilidad ambiental son cada vez más factores impulsores de las tendencias tecnológicas en la industria automotriz. Los vehículos de baja energía y bajas emisiones se han convertido en una prioridad para el sector automotriz internacional, y las tendencias hacia tecnologías de transporte alternativas como la electromovilidad y la movilidad aérea urbana (UAM) ganan impulso. Los OEM buscan materiales y procesos emergentes como habilitadores para estos modos de viaje prospectivos, pero el cambio en el sector automotriz suele ser lento. Para que nuevos materiales y procesos sean adoptados plenamente, no solo deben ser cualificados, deben ser rentables y permitir producción de alto volumen.

Asiento ultraligero

El concepto de asiento Ultraleichtbausitz (ULBS) se desarrolló mediante una colaboración entre múltiples empresas usando una combinación de tecnologías. El prototipo de asiento híbrido metal-compuesto ultraligero resultante se desarrolló, desde el diseño hasta la fabricación, en solo siete meses, mediante un enfoque de diseño impulsado por simulación, métodos de gestión de proyectos ágiles y estrecha cooperación e integración de sistemas entre las empresas involucradas.

Construyendo un mejor asiento

El estudio de viabilidad del asiento ultraligero ULBS se desarrolló mediante una colaboración entre múltiples empresas usando una combinación de tecnologías. La visión del proyecto era, en palabras del grupo, «crear un concepto de asiento ultraligero, destacado en el mercado en términos de optimización de peso». Las empresas iniciadoras csi entwicklungstechnik GmbH (csi, Neckarsulm, Alemania), Alba Tooling & Engineering (Forstau, Austria) y Automotive Management Consulting (AMC, Penzberg, Alemania) desarrollaron el prototipo del concepto de asiento en colaboración con Covestro (Leverkusen, Alemania), LBK Fertigung (Friedberg, Alemania), Robert Hofmann (Lichtenfels, Alemania) y 3D|CORE (Herford, Alemania).

El proyecto colaborativo resultó en un prototipo de asiento con un peso de poco más de 10 kg, que incluye cojín, estructura portante, insertos funcionales y la consola de asiento que permite su montaje en un vehículo. El asiento es un 20 % más ligero que asientos ligeros comparables en el mercado, muchos de ellos de posventa. Según el líder del proyecto ULBS, Stefan Herrmann, responsable de diseño ligero en CSI, actualmente no hay asientos competidores en el mercado que pesen menos de 12 kg.

«Sin embargo, una comparación directa a menudo no es manzanas con manzanas, porque los asientos de posventa a menudo no incluyen la consola de asiento en la definición de peso», dice Herrmann. «Además, el confort del ULBS es mucho mayor comparado con asientos de peso similar. Los asientos existentes suelen ser tipo cubo, que son aún más ligeros pero no tan cómodos, o asientos superdeportivos tradicionales, que tienen mucho más peso».

El ULBS presenta varias tecnologías innovadoras, de las cuales la estructura esquelética de fibra continua basada en la tecnología de proceso xFK en 3D juega el papel más destacado. (Véase «Bobinado de filamento, reinventado» para más sobre xFK en 3D y otras tecnologías de bobinado de filamento). La importancia fundamental de la tecnología premiada para la deposición de fibra continua radica en su libertad de diseño, en la colocación de fibra optimizada por simulación y material exactamente en la dirección de carga, así como en la aplicación simple, rentable y sin residuos de material de fibra. Para la transferencia de carga en esta estructura de marco, se han usado piezas impresas en 3D. En áreas con las cargas más altas, como los anclajes del respaldo, el asiento usa estructuras impresas en 3D de acero inoxidable con alta resistencia y alto módulo. En áreas menos cargadas, se usa impresión 3D de aluminio.

csi entwicklungstechnik, una empresa de ingeniería especializada en estructuras de carrocería en blanco (BIW) de vehículos, así como interiores y exteriores automotrices con áreas de negocio que incluyen polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) y fabricación aditiva, supervisó y coordinó el proyecto basado en la idea iniciada por AMC. csi proporcionó el estilado, superficies, concepto, simulación, ingeniería de diseño y gestión de proyecto.

«csi fue responsable de los paquetes de trabajo en el dominio de la cadena de proceso digital —estilado, diseño de ingeniería, diseño de superficies, simulación CAE, simulación de topología, simulación de validación y confirmación virtual del proyecto», explica Herrmann.

Destaca que lo que hace notable al proyecto ULBS no es solo el uso de materiales y métodos de fabricación innovadores, sino el desarrollo de una pieza compleja que comprende nuevos diseños de componentes en un corto plazo de siete meses mediante estrecha colaboración entre socios.

Bobinando un marco

Gran parte de la reducción de peso en el proyecto ULBS resulta de la tecnología de bobinado de fibra xFK en 3D de AMC, una tecnología de compuestos de fibra altamente flexible, configurable, rentable y sostenible para bobinar componentes.

xFK en 3D ya se ha usado para una variedad de productos y aplicaciones para diversas industrias y segmentos de mercado. SGL Group (Wiesbaden, Alemania) exhibió varias piezas automotrices y de bicicleta fabricadas con esta tecnología en la feria internacional de compuestos JEC World 2018. Una de las piezas expuestas, un plato de cadena de fibra de carbono para bicicleta desarrollado por AMC, reduce el peso hasta un 70 % comparado con una versión de aluminio.

El proceso xFK en 3D bobina estructuras portantes de manera sin residuos usando fibras continuas impregnadas con resina termoestable. Una fibra continua saturada con resina epoxi se bobina alrededor de un accesorio de posicionamiento, o bujes de bobinado, permitiendo que las fibras se dispongan específicamente para adaptarse a las cargas y funciones deseadas de cada pieza.

«Un gran beneficio de xFK en 3D es la eliminación de puntos débiles respecto a la transferencia e introducción de carga en estructuras», dice Herrmann. Explica que los puntos débiles a menudo no están en el continuo de la estructura, sino en las áreas donde las cargas se introducen en la estructura, especialmente donde componentes vecinos se conectan a la estructura. La tecnología xFK en 3D permite transferencias de carga a través de conexiones y permite que las fibras se alineen según las funciones y casos de carga deseados del componente, y se fabriquen en tres dimensiones.

El proceso de bobinado de filamento ofrece beneficios adicionales. El proceso ayuda a minimizar el desperdicio de material —menos del 1 % de la fibra continua se desperdicia.

csi reconoció las fortalezas de xFK en 3D y diseñó el marco del asiento ULBS para ser construido bajo la consultoría del Dr. Clause Georg Bayreuther, responsable de tecnología de AMC.

«Trabajando con ingenieros de csi, consultores de AMC y expertos en utillaje de Alba desarrollaron este concepto y estructura para el marco del asiento para ser fabricado usando el proceso xFK en 3D», dice Peter Fassbaender, consultor tecnológico e iniciador de la tecnología xFK en 3D.

Alba fabricó el utillaje para el marco de asiento CFRP y proporcionó apoyo de ingeniería. Además, aunque el marco del asiento se bobinó con fibra de carbono, las fibras naturales o de basalto también son buenos candidatos.

Una estructura de material híbrido

Además del marco, el prototipo ULBS incluye varias otras innovaciones. Alba, que suministró el utillaje, también suministró el utillaje, ingeniería y fabricación para el cuerpo de espuma del asiento y ejecutó el montaje del asiento. Una esterilla de fibra cubre el marco CFRP del asiento, que luego se cubre con una cubierta de espuma PUR impresa en 3D. El área del cojín del asiento está hecha de espuma tradicional.

Una mayor reducción de peso se logró mediante el uso de 3D|CORE, un material de núcleo de refuerzo intralaminar (IRC), en la estructura del panel trasero del respaldo del asiento. El material es un núcleo de refuerzo intralaminar (IRC) —un núcleo sándwich estructural que comprende cuerpos de núcleo de espuma de poliestireno extruido (XPS) y tereftalato de polietileno (PET) en un patrón de panal integrado. Durante la producción de piezas compuestas, la estructura de panal se rellena con resina, resultando en alta resistencia intralaminar. El 3D|Core se ensambla entre dos capas de fibra de vidrio para crear un preformado, que se infunde con resina epoxi termoplástica usando moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VA-RTM).

Covestro suministró su adhesivo Dispercoll como aglutinante para las esterillas de fibra, así como el cojín de respaldo impreso en 3D. Según Herrmann, las propiedades mecánicas de Dispercoll proporcionan buena resistencia a la abrasión, lo que es importante porque el contacto superficial entre el cojín y el marco puede someter la esterilla a desgaste con el tiempo.

«Si tienes una sola fibra continua, cuando la pones en un textil, obtienes micro-movimientos entre las piezas duras de CFRP y las esterillas. Los componentes del marco del asiento pueden rozar contra el textil y destruirlo», explica Herrmann.

Los asientos tradicionales suelen tener una superficie de apoyo mayor para el acolchado, y no tienen este problema. Con xFK en 3D, sin embargo, hay una superficie de contacto menor debido a la estructura del marco.

«Cuando las estructuras xFK en 3D empujan contra la tela de fibra, debes tener un aglutinante específico y duradero; esto es lo que Dispercoll proporciona en este contexto», añade Herrmann.

Covestro también suministró lo que se dice que es el primer cojín impreso en 3D del mundo. Mientras que la espuma convencional e intensiva en utillaje se usa típicamente en respaldos de asientos, el uso de cojines de respaldo impresos en 3D, hechos de TPU (poliuretano termoplástico), aumenta aún más la flexibilidad y adaptabilidad del asiento ULBS en cuanto a estética, opciones de integración funcional y confort.

Un asiento para el futuro

El proyecto ULBS logra varios objetivos. El concepto resultante, aunque aún no está en el mercado, tiene el potencial de servir a numerosos mercados de nicho como hipercoches, taxis aéreos, vehículos ultraligeros, micromovilidad, helicópteros, multicópteros y aviación. Aunque admitidamente más caro que asientos de producción en serie, el ULBS demuestra varias tecnologías que minimizan residuos, reduciendo así costes de material. En comparación con otras tecnologías de fibra de carbono, xFK en 3D produce una cantidad muy baja de residuos. De hecho, todo el proyecto apunta a usar recursos mínimos y solo el mínimo necesario de material. El ULBS también ofrece la posibilidad de usar recursos renovables y sostenibles como fibras naturales en la estructura del marco, cojines y textiles.

Pero más importante, el proyecto demuestra cómo las empresas pueden minimizar el tiempo de comercialización trabajando juntas a través de procedimientos de coordinación cortos y ágiles. También es un buen ejemplo de uso de design thinking para llevar con éxito un producto de la idea a prototipo de hardware enfocándose en los requisitos funcionales y mirando hacia aplicaciones futuras y objetivos de sostenibilidad.