Refuerzos compuestos en estructuras de carrocería de vehículos

Aunque los compuestos han hecho algunas incursiones en estructuras de carrocería en blanco (BIW) automotrices, el uso de materiales en esta área del vehículo ha estado dominado durante mucho tiempo por el acero y, más recientemente, el aluminio. Debido a esto, los fabricantes de automóviles dependen en gran medida de la soldadura y sujetadores mecánicos como pernos y tornillos para unir estructuras metálicas. Aunque generalmente robustas, las uniones soldadas y sujetadores pueden fallar. Tampoco hacen mucho para mejorar la rigidez (sin aumentar indebidamente la masa) o para mitigar ruido/vibración/aspereza (NVH) o energía de choque que pasa a través de un vehículo. Una forma de enfrentar estos retos es reforzar juntas y cavidades del BIW con compuestos acoplados con adhesivos estructurales.

Soluciones compuestas para carrocería (CBS)

Un ejemplo de tal solución es una clase de materiales/tecnologías llamada soluciones compuestas para carrocería (CBS). Estos incluyen insertos estructurales 3D para reforzar estructuras primarias del vehículo que combinan elementos del BIW u otras subestructuras del vehículo, soportes termoplásticos (con refuerzo de fibra continua o discontinua) y adhesivos estructurales espumantes activados por calor. Los elementos CBS se instalan en la sección de carrocería temprano en la construcción del vehículo, antes de la aplicación del recubrimiento electroforético de prevención de óxido (E-coat).

Los componentes CBS se producen típicamente en un proceso de sobremoldeo por inyección 2K donde el soporte —incorporando lengüetas de soldadura o encajes a presión para unir temporalmente el CBS a componentes metálicos del BIW— se sobremoldea selectivamente con adhesivo expansible y posiblemente un sellador adicional (en proceso 3K) para funcionalidad añadida. El adhesivo sin curar, seco al tacto (basado en química epoxi personalizada) puede moldearse en formas complejas, pero permite la cobertura de E-coat de elementos metálicos manteniendo un hueco entre superficies de compuesto y metal antes de la expansión inducida por calor durante el curado en horno post-E-coat. A medida que la espuma se expande, los huecos se sellan entre el soporte y componentes circundantes, bloqueándolos juntos en una "macro-estructura" tipo caja que mejora propiedades mecánicas, particularmente bajo cargas altas y dinámicas.

Cuando se incorporan temprano en el diseño del vehículo, los módulos CBS son opciones eficientes en masa y coste para aumentar rigidez local y global del BIW y mejorar seguridad y confort de pasajeros a menor masa. También permiten coste neutro o menor versus soluciones totalmente metálicas más pesadas. Inicialmente usados solo en automoción, una cartera creciente de materiales de soporte y adhesivo ha ampliado los usos de CBS, cuyos aspectos destacados siguen.

Diseñados para retos de rendimiento

La tecnología CBS fue desarrollada y comercializada por L&L Products Inc. (Romeo, Míchigan, EE. UU.). Con una larga historia como proveedor automotriz de sellantes, contramedidas acústicas y refuerzos para mejorar el rendimiento del BIW, L&L desarrolló la tecnología para ayudar a clientes a mejorar seguridad de pasajeros y cumplir requisitos de choque automotriz más estrictos a menor coste y peso mientras mejoran procesamiento y ensamblaje durante la construcción del vehículo.

Entre 1995 y 2004, CORE Products, una joint venture entre L&L y Gurit Essex (Wattwil, Suiza), fue responsable del desarrollo temprano de aplicaciones y fabricación de CBS. L&L eventualmente adquirió todos los activos de CORE, que ahora opera como L&L Products Europe.

L&L trabajó estrechamente con sus proveedores de materiales durante el desarrollo inicial y expansión subsiguiente de la tecnología CBS. Una de esas empresas, Lanxess AG (Colonia, Alemania), ha proporcionado durante mucho tiempo materiales de soporte compuestos y soporte de caracterización y simulación de materiales a L&L en Europa.

CBS en aplicación

Además de los beneficios ya mencionados, la tecnología CBS proporciona mejor transición de trayectoria de carga, gestión de carga multiaxial y absorción de energía; mayor estabilidad de sección (resistencia a colapso o intrusión); menor NVH; y dinámica de conducción y rendimiento de choque mejorados a cargas más altas. Además, ofrece tiempos de implementación más rápidos durante diseño/rediseño del vehículo y no requiere cambios en la secuencia de ensamblaje en la sección de carrocería. Porque la tecnología CBS facilita el control de transferencia de energía a través de estructuras de carrocería mientras minimiza deformación y/o intrusión, es ideal para aplicaciones diseñadas para resistir choque frontal, lateral o trasero o aplastamiento de techo para proteger mejor ocupantes, compartimentos de pasajeros y baterías. También es útil para estructuras que deben pasar protocolos desafiantes como los test de choque frontal de solape pequeño del Insurance Institute for Highway Safety (IIHS, Arlington, Virginia, EE. UU.).

"La versatilidad de diseño de la tecnología CBS ayuda a simplificar el ensamblaje en áreas con condiciones complejas o de difícil acceso", explica Nuria Ignés, gerente de ingeniería de productos estructurales, L&L Products Reinforce en L&L Products EMEA (Altorf, Francia). "Por ejemplo, usar tecnología CBS en puertas y otros cierres no solo reduce peso y aumenta rigidez, sino que puede simplificar la fabricación de puertas si se integra temprano en el proceso de diseño. Gracias a herramientas CAE y décadas de experiencia, más la combinación de soporte y espuma, que proporciona una unión robusta al BIW una vez curado, podemos usar la cantidad correcta del material correcto en el lugar correcto para equilibrar rigidez con masa y coste o absorción de energía con acústica y coste."

"Un aspecto realmente interesante de la tecnología CBS es su naturaleza 'bio-mimética'", añade Peter Cate, gerente de marketing estratégico global de L&L. "Así como los puntales de refuerzo celulares en el centro de los huesos son el método más eficiente en masa de la naturaleza para añadir rigidez y gestionar cargas en estructuras huecas, una vez que el adhesivo se expande, las unidades CBS refuerzan cavidades de carrocería del vehículo de la misma manera, ayudando a ingenieros a optimizar rigidez estructural a la masa más baja."

"Al aumentar la rigidez local y general y distribuir cargas más eficazmente a través de una estructura, los refuerzos CBS son soluciones a medida para abordar problemas localizados de rigidez y fatiga del metal sin añadir masa", continúa Pal Swaminathan, gerente de desarrollo de negocio, Tepex Automotive, Lanxess Corp. (Pittsburgh, Pensilvania, EE. UU.). "Mejoras NVH también son comunes cuando la tecnología CBS se integra en estructuras de carrocería. De nuevo, análisis de ingeniería cuidadoso permite desarrollo y optimización de soluciones por ubicación para equilibrar características de conducción y manejo."

Aplicaciones tempranas

Una aplicación automotriz temprana de la tecnología CBS en los sedanes Citroën C4 Picasso 2006 del entonces Grupo PSA involucró nueve unidades para reforzar pilares A y B y el travesaño trasero. Los elementos de refuerzo redujeron 12 kilogramos del peso del vehículo mientras mejoraban la seguridad de ocupantes. El material negro es el compuesto Lanxess, el rojo es la espuma epoxi de L&L y el plateado es una porción de la estructura metálica del cuerpo a la que se une el elemento CBS.

La primera aplicación comercial automotriz de L&L de CBS fue en 1998; para 2002 la tecnología ganaba aceptación en el mercado. Un buen ejemplo temprano se implementó en sedanes Citroën C4 Picasso 2006 del Grupo PSA (París, Francia – ahora Stellantis N.V., Ámsterdam, Países Bajos). Nueve componentes CBS —en secciones inferiores de pilares A, secciones inferiores y superiores de pilares B, y en el travesaño sobre el eje trasero— redujeron la masa del vehículo en 12 kilogramos versus opciones metálicas. Algunos insertos CBS aumentaron selectivamente la capacidad de carga y minimizaron la intrusión en el compartimento de pasajeros durante impacto, mejorando seguridad de ocupantes. Otros mejoraron el rendimiento NVH del BIW. Todos los soportes fueron moldeados por inyección de vidrio corto al 35% en peso/poliamida 6 (PA6). Unidades CBS similares se usaron en furgonetas Ford Transit 2012 de Ford Motor Co. (Dearborn, Míchigan, EE. UU.).

Nuevas opciones de soporte y espuma

Con los años, L&L y sus proveedores han expandido la tecnología CBS con nuevas formulaciones de espuma, una gama más amplia de resinas de soporte y refuerzos y aplicando el concepto a diferentes estructuras.

Por ejemplo, la mayoría de soportes CBS para aplicaciones de choque se ingenian usando PA6 reforzado con vidrio al 30% en peso estabilizado al calor porque se necesita un equilibrio entre rigidez y ductilidad dentro de una forma 3D compleja. Dos de estos soportes se usaron en miembros longitudinales frontales para una plataforma importante de vehículo eléctrico (VE) donde, según reportes, no solo simplificaron el ensamblaje (reduciendo conteo de piezas) sino que también redujeron la intrusión de choque en el tabique de motor en un 20%.

Para requisitos de impacto más altos, ahora hay soportes híbridos disponibles, como los que refuerzan pilares A en el deportivo Porsche 911 Carrera Cabriolet 2019 de carrocería mayormente aluminio de Porsche AG (Stuttgart, Alemania). Al ser descapotable, rigidizar el marco sin techo era crítico para proteger pasajeros en caso de vuelco. Para mantener vehículos ligeros y ágiles, Porsche reemplazó barras antivuelco tubulares de acero pesado con insertos CBS en los pilares A. Las carcasas de pilares se produjeron en acero de alta resistencia, que fueron estabilizadas y rigidizadas por insertos CBS dentro de cada pilar. El cuerpo principal del soporte fue organosheet moldeado por compresión (47% vol. tejido twill vidrio/PA6), que se precalentó, preformó, luego se sobremoldeó por inyección con nervios (30% vidrio corto/PA6/6). El lado del organosheet lleva el adhesivo expansivo L-5235 de L&L. No solo esta tecnología híbrida cumplió todos los objetivos de rendimiento y peso (que la opción de acero tubular según reportes no), sino que redujo la masa del vehículo en 5,4 kilogramos, facilitando el ensamblaje y reduciendo el centro de gravedad del vehículo, lo que mejoró la dinámica de conducción.

Para aplicaciones donde un proceso de horno no está disponible para activar el adhesivo expansivo, o donde se necesita soporte adicional en la tienda de pintura, L&L dice que está trabajando en otras soluciones de curado ambiente.

Varias tecnologías relacionadas basadas en CBS también se han desarrollado. Próxima a tener su primera aplicación comercial, el sistema compuesto continuo (CCS) de L&L combina soportes pultrudados reforzados con fibra de vidrio o carbono —ej. poliuretano (PUR) con o sin tejidos así como rovings— con sellantes o adhesivos estructurales formulados a medida. Los elementos CCS, que también pueden incorporar partes CBS y componentes metálicos, mejoran rigidez y resistencia de estructuras de sección transversal constante a menor masa (típicamente 75% menos que acero y 30% menos que aluminio). Son resistentes a corrosión, no conductores/aislantes eléctricos, ofrecen bajo coeficiente de expansión térmica lineal (CLTE) y proporcionan gestión de energía altamente predecible, haciéndolos ideales para reforzar miembros estructurales en vehículos monocasco o secciones de bastidor para vehículos de bastidor sobre carrocería, además de bastidores de baterías para VE.

Los refuerzos de panel compuestos comprenden adhesivos estructurales expansivos auto-adherentes co-extruidos con refuerzo de fibra de vidrio que se aplican a superficies de paneles metálicos formados en la sección de carrocería. El sistema no solo mejora rigidez (reduciendo ondulación y pandeo) de paneles grandes/relativamente sin soporte, sino que también mejora NVH debido a mayor momento de inercia. Además, ofrece oportunidades para reducir calibre de paneles para menor masa y coste. Aplicaciones comerciales incluyen paneles de puerta, techo y suelo automotrices, capós, guardabarros, portones traseros y portones; aplicaciones potenciales incluyen carcasas de baterías.

Los refuerzos de panal presentan epoxi ligero —en forma de pasta para aplicación manual o líquido de baja viscosidad para bombeo automático— que, una vez curado, puede mecanizarse o lijarse. Estos están diseñados para estabilizar núcleos de panal, predominantemente en ubicaciones estratégicas en interiores de aviones, por ejemplo, sin añadir masa excesiva. Otros usos incluyen mejora de bordes (sellado/refuerzo de bordes de paneles compuestos), unión de inserciones y refuerzo local donde se instalan bisagras/inserciones metálicas en paneles compuestos.

Qué depara el futuro

Desde su primera patente en 1999, L&L ha presentado numerosas invenciones para la tecnología CBS. Dada la amplia gama de opciones de soporte y adhesivo ahora disponibles dentro de esta familia de productos, no es sorprendente que las aplicaciones se hayan expandido más allá de automoción a camiones y aeroespacial. ¿Qué sigue?

"A lo largo de los años, los productos CBS han evolucionado para servir nuevos requisitos de aplicación que combinan funciones", añade Ignés. "Por ejemplo, lo que empezó como solo un refuerzo estructural ha evolucionado a no solo rigidizar sino también mejorar funciones acústicas o aumentar absorción de energía. Dada la suite de propiedades altamente deseables que ofrece la tecnología CBS, esperamos no solo ver crecer el uso automotriz, sino crecimiento en otras industrias también."