Chevrolet Silverado 2019: Soportes de parachoques termoplásticos ligeros mejoran el rendimiento

Las pickups Chevrolet Silverado del año modelo (MY) 2019 de GM lucen una nueva aplicación estructural de compuestos en una ubicación oculta pero muy efectiva: en los lados izquierdo y derecho delanteros detrás del parachoques de acero. El soporte híbrido compuesto termoplástico/metal reduce masa, logra rendimiento equivalente o mejor en pruebas modales, de tensión, fatiga y choque en espacio de paquete limitado, reduce corrosión y riesgos de garantía y permite una consolidación significativa de piezas. Todo el crédito de la foto: General Motors Co.

No es fácil ser un ingeniero de diseño OEM trabajando en programas de pickups de tamaño completo. Por un lado, quieres hacer estos vehículos lo más seguros, equipados y eficientes en combustible posible. Por el otro, tus clientes, particularmente los de las industrias de construcción y agricultura, exigen sus vehículos duramente cada día y tienen ciertas ideas sobre lo que es y no es un material duradero. Conocen y confían en el acero. ¿Compuestos? Quizás no tanto.

Cuando Chris Heo, ingeniero líder de liberación de diseño para pickups de tamaño completo en General Motors Co. (GM, Detroit, Míchigan, EE. UU.), y su equipo comenzaron a trabajar en la última generación de pickups Chevrolet Silverado, discutieron qué aplicaciones podrían convertir de metal a compuestos para reducir la masa del vehículo.

Para el año modelo 2019, la decisión ya se había tomado de mantener las barras de impacto de parachoques estilizadas, parachoques de acero estampado con superficies A-side estilizadas y acabados (ya sea cromado o pintura color carrocería) en la parte delantera y trasera del vehículo. Debido a la forma impulsada por el estilo y la masa de las cubiertas de acero, tales parachoques típicamente requieren uno o más soportes de refuerzo de acero para unir el parachoques al bastidor del vehículo y cumplir los requisitos de durabilidad del parachoques, daño al vehículo, rendimiento en choque y empaquetado de GM. En este caso, un par de soportes envolvió las esquinas izquierda y derecha del parachoques. Los miembros del equipo se preguntaron si podían convertir estos estampados pesados, complejos y multipieza en algo más ligero sin sacrificar rendimiento o durabilidad.

“Discutimos formas de mantener la piel metálica del parachoques pero convertir componentes ocultos a materiales ligeros”, recuerda Heo. “Sabíamos que esto sería un reto porque necesitas soportes robustos para sostener una pieza pesada como un parachoques, y tanto parachoques como soportes deben funcionar durante la vida del vehículo. Además, estos soportes son clave para pasar exigentes pruebas de choque contra barrera descentrada y, incluso en metales, son pruebas difíciles de superar”.

 

Los primeros en intentarlo

Sin inmutarse por el reto, el equipo de GM se puso manos a la obra y pronto incorporó al proveedor de parachoques designado del vehículo, Flex-N-Gate Corp. (FNG, Urbana, Illinois, EE. UU.). Inicialmente, mientras el estilo exterior del vehículo aún se finalizaba, el equipo conjunto pasó un año investigando opciones en la industria y discutiendo enfoques que podrían funcionar. “Estábamos esperando el momento adecuado porque, dependiendo del estilo final, eso podría cambiar el diseño que usáramos y el enfoque que tomáramos”, explica Heo.

“Sabíamos que otra empresa había convertido un soporte muy pequeño, uno que no era estructural, a compuesto en uno de sus parachoques de camioneta, así que eso nos dio un punto de partida”, añade Steve Perucca, gerente del grupo de ingeniería I+D plásticos/metales de FNG. FNG ya tenía mucha experiencia convirtiendo piezas estructurales de metal a compuestos termoplásticos en vehículos de pasajeros, y eso dio al equipo la confianza para avanzar.

 

Consideraciones de diseño

A medida que el diseño exterior se consolidaba en la pickup, el equipo combinado comenzó su propio trabajo de diseño en los soportes con una lista de deseos y necesidades. Los soportes de referencia estaban estampados en acero de alta resistencia/baja aleación (HSLA), seleccionado por sus mejores propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión mejorada frente al acero al carbono. Los soportes tenían un espesor nominal de 3 milímetros y cada uno pesaba 4,362 kilogramos. Primero, los soportes compuestos necesitaban encajar en aproximadamente el mismo espacio de paquete, que era limitado detrás del parachoques. Así, se necesitaba un material con resistencia suficiente para que el espesor de la pieza no aumentara significativamente.

Segundo, los parachoques delanteros típicamente envuelven las esquinas delanteras del vehículo para lograr las señales de estilo que el estudio de diseño quiere. Sin embargo, como están sujetos al bastidor por los rígidos soportes de acero, durante eventos de choque a alta velocidad, el parachoques puede aplastarse hacia dentro en la rueda, afectando negativamente la orientación de la rueda y bloqueando la dirección. Para proteger la rueda en el lado impactado el mayor tiempo posible, es deseable que los soportes del parachoques se desprendan durante el impacto.  Por otro lado, para evitar problemas de garantía, el parachoques debe permanecer unido durante el uso normal durante la vida del vehículo. Por tanto, el equipo tuvo que determinar cómo equilibrar estas necesidades contrapuestas.

Otro problema que el equipo quería abordar era que, debido a las limitaciones de conformabilidad del acero, los soportes de referencia no podían moldearse para sostener las luces antiniebla del vehículo, lo que requería el uso de otro par de soportes metálicos pesados. Si era posible, el equipo quería consolidar el soporte de las luces antiniebla en el soporte compuesto.

Además, era importante evitar un punto de pellizco del mazo de cables al pasar a través del soporte para evitar que los mazos y cables se desgastaran y rompieran, lo que provocaría cortocircuitos en funciones importantes como faros y ventiladores. Evitar esos proporcionando un orificio en los soportes metálicos por donde pasaran los cables llevó a una operación de punzonado adicional, que añadía más costes de utillaje debido a limitaciones en la libertad de diseño. Por tanto, era deseable intentar abordar este problema en el soporte compuesto. Por supuesto, también era importante evitar tener que hacer cambios en el montaje del vehículo para usar soportes compuestos. Y, como suele ocurrir en aplicaciones automotrices, los soportes compuestos serían, idealmente, más ligeros y menos caros que los de referencia metálicos. Una última preocupación era si los modelos CAE disponibles actualmente podían predecir con precisión la fatiga de alto ciclo/durabilidad en un termoplástico reforzado con fibra discontinua.

 

Enfoque híbrido

Con su lista de deseos en mano, el equipo se puso manos a la obra. Una decisión temprana fue seleccionar el material a usar, concretamente uno con el que FNG ya tenía experiencia y que tenía aprobaciones de GM. Eligieron un polipropileno de fibra de vidrio larga (LFT-PP) negro con fracción de peso de fibra (FWF) del 40% de Lotte Chemical (Seúl, Corea del Sur) llamado Supran PP1340 GMW15890P. Como los soportes no están expuestos a la luz solar y están lo suficientemente lejos del calor del motor, el polímero olefínico resistente ofrecería un rendimiento térmico adecuado. El grado de alta fluidez, moldeable por inyección, tenía un índice de fluidez de fusión (MFI) de 40, asegurando un buen llenado de geometría compleja sin necesidad de añadir entradas extra; entradas extra crean líneas de soldadura más débiles que el material circundante y deben evitarse en una pieza estructural, especialmente una que debe pasar pruebas de choque.

Para equilibrar las necesidades contrapuestas de durabilidad a largo plazo con alto rendimiento en choque, el equipo tomó un enfoque híbrido y dividió el soporte. La parte que unía el parachoques al bastidor permanecería en acero HSLA, pero la parte exterior se convertiría a compuesto. Este enfoque permitiría mayor libertad de diseño para consolidar piezas, reducir masa e incorporar las luces antiniebla, pero la parte compuesta se diseñaría para desprenderse en un choque lateral a alta velocidad para asegurar que la orientación de la rueda permaneciera longitudinal el mayor tiempo posible para ayudar a mantener la capacidad de dirección. Para cumplir todos los requisitos de GM, se añadieron algunas inserciones metálicas al lado compuesto del soporte, junto con tres casquillos, que permiten ajuste durante el montaje. Los diseñadores encontraron que el material no tenía problemas para permitir que la pata del soporte (los extremos curvos mostrados en el diseño CAE compuesto/marrón) se extendiera para abarcar la luz antiniebla, eliminando la necesidad de un soporte separado en esa ubicación (Fig. 1).

A medida que el proyecto avanzaba, y se producían y probaban piezas físicas, el equipo se alegró de saber que sus modelos CAE eran bastante precisos. “Inicialmente, nos preguntábamos si podríamos simular la pieza correctamente, dado que intentábamos predecir fatiga de alto ciclo, en términos de durabilidad, y alta carga G, en modelado de choque”, señala Heo. “Sorprendentemente, la correlación entre resultados predichos y medidos en pruebas de vibración fueron cercanos, incluso en choque”. El diseño final del soporte se completó en menos de seis meses. Mide aproximadamente 41 x 46 centímetros, tiene un espesor de pared nominal de 3 milímetros y presenta nervaduras para mejores propiedades mecánicas.

El utillaje fue producido por Integrity Tool & Mold Inc. (Oldcastle, Ontario, Canadá) y presentaba un molde apilado 2+2 bien ventilado con dos cavidades/placa y dos entradas directas (canales fríos) con compuertas de válvula secuencial que produce cuatro piezas/ciclo debido al alto volumen de construcción de la plataforma Silverado. La división Ventra Evart de FNG es el moldeador. Tiempo de ciclo botón a botón de 60 segundos.

 

Logros significativos

En su primer uso comercial, el enfoque híbrido de GM en el soporte estructural del parachoques (Fig. 2) aportó numerosos beneficios. Primero, logró rendimiento equivalente o superior en pruebas modales, de tensión, fatiga y choque (ver tabla a continuación).

 Diseño 

 10 Gx

 20 Gx

1^a Frecuencia de modo (Hz)

Desplazamiento máximo (mm)

Tensión máxima (MPa)

Desplazamiento máximo (mm) 

Tensión máxima (MPa) 

 Soporte híbrido acero/compuesto

 2,00

213

3,97

381

31,7

Soporte de referencia todo acero

 2,36

259

4,45

480

30,1

No solo el soporte compuesto híbrido con inserciones metálicas redujo masa, sino que su geometría adaptada mejoró tanto el rendimiento de tensión como el modal.

Segundo, la libertad de diseño de los compuestos permitió un estilo más agresivo en un espacio de paquete relativamente pequeño. Tercero, la masa del par de soportes híbridos se redujo 2,5 kilogramos/vehículo frente al de referencia. Y gracias a efectos de descomposición de masa, las esquinas de parachoques más ligeras permitieron reducir el calibre en el soporte de montaje del parachoques y otros componentes, por lo que la masa total del sistema de parachoques delantero se redujo 7,3 kilogramos frente al modelo 2016 saliente.

Además, el riesgo de corrosión y los costes de garantía se redujeron ya que el soporte compuesto no se oxida. La reducción de masa beneficia a los consumidores al contribuir a una mejor economía de combustible o permitir transportar una carga útil más pesada sin superar los límites legales de carga en carretera.

En base a precio por pieza, el soporte híbrido fue neutro, debido al coste añadido del molde de inyección. En base al coste del sistema, hubo ahorros gracias a la capacidad de reducir el calibre de componentes adicionales, aunque los ahorros reales son difíciles de cuantificar. El soporte lleva en producción más de tres años sin problemas.

Para el próximo Silverado, el equipo de Heo planea seguir usando soportes híbridos en el parachoques delantero, pero ya ha desafiado a los miembros del equipo a empezar a pensar en cómo tomar un enfoque híbrido en los soportes del parachoques trasero. Eso se complica porque los parachoques traseros contienen características de asistencia para escalones en las esquinas para permitir a la gente subir/bajar de la caja de la pickup más fácil y seguro. Además, más componentes (como sensores de aviso de retroceso) se empaquetan detrás de la piel de acero, reduciendo el espacio de paquete.

“Seguiremos usando un enfoque de ingeniería inteligente de analizar problemas, averiguar cómo se usan los productos y cuáles son sus requisitos funcionales y luego ampliar los límites”, concluye Heo.