Revolucionando el diseño de portones traseros: Prueba de filamento enrollado modificado

Los portones traseros automotrices, o puertas de acceso trasero, han estado transicionando lentamente de metales a compuestos durante décadas. Aunque no fue hasta 2013 que el primer portón trasero totalmente plástico/compuesto, sin estructura de soporte metálica, se comercializó, la mayoría de portones traseros hoy aún cuentan con este componente de soporte sobre el que se fijan pieles exteriores y paneles interiores, particularmente en SUVs y CUVs más grandes y pesados con puertas traseras más grandes.

Sin embargo, lo que bien puede ser la próxima evolución en portones traseros compuestos debutó en 2019 en el Toyota Supra deportivo de Toyota Motor Corp. (Toyota City, Japón). Un marco compuesto enrollado por filamento reemplazó un marco metálico y se dice que ofrece mayor rigidez y resistencia a menor peso que estructuras metálicas tradicionales, con mayor flexibilidad de diseño, especialmente en espacios de empaquetado ajustados. Reportadamente, el proceso de enrollado de filamento se ha modificado tanto que, a medida que crece el interés y proliferan las aplicaciones, puede cumplir los objetivos de velocidad y coste de producción de vehículos de mayor volumen. Así es como el diseño y la tecnología llegaron a ser.

Fabricación trilateral

Magna International Inc. (Aurora, Ontario, Canadá) es un integrador Tier 1 en Norteamérica, pero en Europa, su subsidiaria Magna Steyr AG & Co. KG (Graz, Austria) también diseña y ensambla coches completos para OEMs que necesitan capacidad de fabricación extra.

Recientemente, Magna participó en un interesante programa que involucra a los fabricantes Toyota y BMW AG (Múnich, Alemania), que han trabajado cooperativamente en proyectos de diseño y fabricación desde 2013. Para su último esfuerzo, Toyota buscaba revivir su placa Supra y se asoció con BMW para proporcionar diseño y puesta a punto para el vehículo y un coche hermano, el 2-plazas Z4 de BMW. Los dos vehículos comparten motor, suspensión y sistemas de dirección. Magna Steyr ensamblaría ambos coches en Graz, así como suministraría al Supra asientos, paneles de carrocería, cerraduras de puertas y portones traseros. Aunque hay mucha innovación en ambos coches, el portón trasero incorporado en el Supra es donde la innovación en diseño de compuestos es más aparente.

Manchester de Bohemia

Años antes de la participación de Magna con el Supra del año modelo 2020, su operación en Liberec, República Checa, había estado explorando tecnologías para marcos espaciales compuestos para varias aplicaciones potenciales. Por suerte, la zona tiene una rica tradición como centro textil líder y fue conocida una vez como "el Manchester de Bohemia". El equipo de Liberec buscaba una arquitectura tecnológica que soportara altas cargas, redujera la masa total, mantuviera tolerancias dimensionales ajustadas y pudiera producirse en un proceso con alta repetibilidad y reproducibilidad (R&R) para cumplir las demandas de rendimiento y fabricación de fabricantes europeos.

"Concluimos que necesitábamos un producto termoestable con alta estabilidad térmica y dimensional", recuerda Riad Chaaya, director global de línea de producto - portones traseros compuestos de Magna. "También sabíamos que necesitábamos una forma cerrada con la capacidad de producir secciones transversales de formas y espesores variables —necesario para optimizar rendimiento mecánico, espacio de empaquetado, masa y coste— que pudiera producirse en un proceso capaz de hacer 150.000 piezas anualmente. Miramos muchas tecnologías, incluyendo moldeo por soplado, trenzado y enrollado de filamento, pero ninguna encajaba del todo. Después de muchos ensayos, seleccionamos el enrollado de filamento como la mejor coincidencia para lo que queríamos, ya que nos daba control de orientaciones y números de filamentos para extraer el mayor módulo al menor peso".

A pesar de muchos beneficios, había preocupación de que el enrollado de filamento pudiera ser demasiado lento para producción automotriz convencional. Además, el equipo necesitaba un método para comenzar y terminar el proceso de enrollado para crear un marco de forma cerrada. Afortunadamente, mientras el equipo no tenía historial con enrollado de filamento, el legado de fabricación textil de Liberec significaba que la comunidad local estaba llena de expertos en cordones y enrollado de filamentos.

"Por suerte para nosotros, estos expertos tenían la pasión para resucitar su saber hacer tradicional para ayudarnos a aplicarlo de nuevas formas para satisfacer necesidades automotrices de alto volumen", añade Dr.-Ing. Josef Půta, líder de tecnología Magna Exteriors - República Checa.

"Como el enrollado de filamento tradicional era demasiado lento para nuestras necesidades, nosotros y nuestros socios miramos muchas formas de hacerlo correr más rápido", recuerda Lukáš Strouhal, jefe de industrialización, Magna Liberec. "Consideramos formas de acelerar cada paso del proceso así como hacer las cosas de manera bastante diferente. Aunque no podemos decir mucho sobre cómo lo hicimos, podemos decir que logramos enormes mejoras en velocidad, de modo que nuestro proceso modificado pudiera volverse 'digno de automoción'".

Magna y sus socios exploraron muchos sistemas de resina, incluyendo epoxi, poliuretano (PUR) y una mezcla PUR/éster vinílico, más una variedad de refuerzos, de vidrio a carbono a fibras de basalto. El sistema final presenta PUR y fibras de vidrio, que ofrecieron el mejor equilibrio de eficiencia de fibra, rendimiento, coste y velocidad de producción.

El marco espacial genérico de filamento enrollado de Magna se produce en tres pasos, cada uno cuidadosamente optimizado para velocidad. Primero, un núcleo celular rígido de PUR se produce via moldeo por inyección de reacción (RIM); segundo, ese núcleo, que funciona como mandril, se enrolla con fibra de vidrio; y tercero, esa estructura enrollada se infunde con PUR y se consolida en el proceso de moldeo por transferencia de resina de alta presión (HP-RTM). Se toma cuidado para asegurar que el núcleo no colapse durante infusión/consolidación. Půta explica que mucho trabajo fue en especificar los tipos de cordones, aprestos y resinas usados —requiriendo trabajo cercano con proveedores en modificaciones de materiales— así como determinar el número de enrollados y orientación de filamentos en cada capa. No sorprendentemente, la empresa ha obtenido numerosas patentes cubriendo todo desde diseño y producción de núcleo, hasta la máquina de enrollado de filamento, más secretos industriales adicionales que guardan celosamente.

"Hemos hecho múltiples innovaciones en cada paso de proceso y producto", explica Strouhal. "Podrías desarmar uno de nuestros marcos, ver las formas y geometrías usadas, y aún te preguntarías por qué y cómo lo hicimos".

Aunque el equipo de Magna Liberec no había desarrollado su tecnología de marco espacial para una aplicación particular, estaban a punto de conseguir una interesante oportunidad para usarla.

Portón trasero desafiante

Magna tiene una larga historia produciendo portones traseros de vehículos de pasajeros. La compañía reportadamente construyó los primeros portones traseros todo-olefina en Norteamérica y Europa para el BMW i3 coche eléctrico urbano de 2013, y diseñó y construyó un portón trasero todo-olefina de próxima generación para los SUVs Jeep Cherokee 2019 de FCA NA LLC (Auburn Hills, Michigan, EE. UU.). Dado que la producción de portón trasero era un entregable para el programa Supra, Magna no solo recurrió al trabajo hecho en Liberec, sino también a su larga historia de conversión de estructuras de portón trasero metálicas a compuestos y plásticos.

"El portón trasero del Supra ofrecía una serie de desafíos inmediatos", recuerda Chaaya. "Primero, el espacio de empaquetado era muy limitado, significando que las tolerancias eran muy ajustadas y los valores de coeficiente de expansión térmica lineal deben gestionarse cuidadosamente para mantener los portones abriéndose y cerrando libremente. Segundo, la forma de esta puerta era aún más desafiante. Toyota no solo quería un portón trasero más ligero, sino que tenían requisitos de estilo muy específicos para cómo caía la parte trasera del vehículo. Tercero, con los volúmenes de construcción proyectados del vehículo, el utillaje para lograr esa forma en metales sería muy costoso. De hecho, concluimos que el marco del portón trasero no podía producirse en una sola pieza de metal y aún cumplir los requisitos de diseño y rendimiento de Toyota. Eso significaba que el marco espacial tenía que hacerse de compuestos y, más específicamente, compuestos termoestables".

La piel exterior sería un panel TPO reforzado con talco moldeado por inyección pintado para manejar la forma agresiva, mientras que el panel interior sería polipropileno (PP) de fibra de vidrio larga; ambos se unirían al marco con un adhesivo estructural 2K PUR. Chaaya añade que se hizo mucho trabajo para optimizar el marco espacial y completar el portón trasero para cumplir requisitos de carga torsional. Un desafío temprano fue encontrar una forma de simular con precisión las propiedades del material para lograr correlación precisa entre resultados predichos versus medidos.

"Fue una dura lucha para conseguir buena correlación con nuestros modelos de material, ya que teníamos que simular cada capa de enrollado e incorporar forma, radios y los propios requisitos de enrollado", añade. "Aunque empezamos estando fuera en 20%, después de mucho ajuste y determinando la mejor forma de mejorar nuestra rigidez, nuestras predicciones finales fueron muy cercanas. En un marco tan grande, también logramos mantener tolerancias dimensionales a 1 milímetro".

Múltiples beneficios

El marco final en forma de dona presenta diámetros y espesores de pared variables a lo largo, pero tiene un diámetro nominal de 50-60 milímetros. Excepto un pequeño soporte en la esquina, y fijaciones duras como cerraduras y bisagras, más lámina para poner a tierra las antenas integradas, todo el marco —que mide 104 x 111 centímetros— es enteramente compuesto. Incluso los soportes "oreja", usados para conectar el panel de acabado interior a la mitad inferior del portón son compuestos y fabricados via HP-RTM. Aunque el marco compuesto es 10% más ligero que un marco metálico comparable, los efectos de descomposición de masa significan que el portón trasero completo es ~20-25% más ligero que uno metálico. Los portones más ligeros requieren menos esfuerzo para que los consumidores abran/cierren, son más fáciles para un trabajador instalar durante el ensamblaje del vehículo, ahorran combustible durante la vida útil del vehículo y proporcionan lo que Strouhal describe como "un sonido sólido asombroso" cuando el portón cierra. El sistema compuesto también eliminó pasos como doblar bordes y puntos de soldadura/uniones requeridos con portones metálicos.

Chaaya insinúa que su empresa tiene otro gran proyecto de automoción con filamento enrollado en marcha. También dice que Magna ve otros usos para la tecnología más allá de portones traseros. "Puertas, tapas de maletero, capós, FEMs (módulos frontales) e incluso vehículos autónomos —como un bus que comprende un marco envuelto en vidrio— podrían usar tal marco espacial", añade. "Y ni siquiera tendría que estar oculto. Si usáramos tejido de fibra de carbono, sería un signo de prestigio dejar esa hermosa superficie expuesta y no esconder el marco por dentro".