ESE E2: Revolucionaria rueda de fibra de carbono de una pieza lista para alto rendimiento

Una pieza, un curado. La línea E2 de ruedas compuestas de ESE usa colocación de fibra a medida (TFP) y un proceso propietario de moldeo por transferencia de resina por compresión (RTM) para producir una rueda de fibra de carbono de una pieza. Fuente | ESE Carbon Co.

Las ruedas de fibra de carbono ofrecen una gama de beneficios al reducir la inercia rotacional y la masa combinada —conocida como masa no suspendida— de las ruedas, suspensión y otros componentes directamente conectados no soportados por la suspensión de un vehículo. Esta reducción en la inercia rotacional y masa no suspendida, que puede ser tan alta como el 50%, típicamente resulta en aceleración más rápida con menos esfuerzo, distancia de frenado reducida, manejo mejorado debido a mejor contacto con la carretera (agarre mecánico) y ruido de carretera reducido.

Pero las etiquetas de precio en ruedas de fibra de carbono —tanto híbridas como todo compuesto— las han mantenido fuera del alcance de muchos consumidores. Con las más asequibles a más de 10.000 dólares por un juego, las ruedas probablemente solo se encuentran en coches deportivos de gama muy alta y vehículos de lujo. Varias empresas de ruedas, sin embargo, reconocen el potencial de mercado para una rueda de fibra de carbono de menor precio y están trabajando para encontrar una solución. Los enfoques varían desde los materiales usados hasta la forma en que se fabrican y combinan los componentes de la rueda. Algunas combinan componentes de fibra de carbono con aluminio para una rueda híbrida. Algunas crean ruedas a partir de preimpregnado.

ESE Carbon Co. (ESE, Miami, Florida, EE. UU.) fue fundada en 2011 con el objetivo de hacer ruedas de fibra de carbono disponibles para un segmento más amplio de la población conductora. La empresa ha añadido un equipo de mecanizado CNC de precisión de cinco ejes, capacidades avanzadas de piezas estructurales compuestas, máquinas de colocación de fibra a medida y robótica para automatizar la producción. La empresa pretende lanzar su línea E2 de ruedas compuestas de fibra de carbono de una pieza y un curado en el próximo año. Pesando solo 17 libras, la rueda de ESE está diseñada para una capacidad de eje de 3.850 libras, haciéndola capaz de soportar vehículos hasta una capacidad de peso bruto vehicular de 6.800 libras. Según el CEO de ESE, Carlos Hermida, las ruedas de aluminio tradicionales capaces de manejar el mismo peso pesarían más de 30 libras.

 

Cazoleta profunda. El diseño de cinco radios del E2 se basa en una estética deportiva universal. Foto CW | Scott Francis

El E2 es un diseño de cinco radios basado en una estética deportiva universal con una cazoleta cóncava profunda. Hermida dice que la empresa se inspiró en el diseño de una rueda de aluminio de Porsche, que luego fue optimizada para fibra de carbono. La rueda usa un sistema epoxi de alta temperatura con buena claridad y ofrece soluciones de acabado personalizadas incluyendo brillo transparente, mate transparente y colores personalizados.

La rueda de fibra de carbono de ESE está al 80% de la certificación bajo la Práctica Recomendada existente de la Society of Automotive Engineers (SAE, Warrendale, Pa., EE. UU.), que se aplica a todas las ruedas fabricadas actualmente, incluyendo ruedas metálicas. Además, Hermida dice que la empresa probablemente tendrá la primera rueda de una pieza en el mercado certificada bajo una nueva práctica recomendada para ruedas compuestas, SAE J3204, que acaba de ser aprobada para publicación por la SAE. Como la práctica recomendada SAE para ruedas metálicas, esta nueva recomendación para ruedas compuestas aborda la durabilidad a través de varias pruebas de fatiga e impacto. También añade nuevos requisitos para tener en cuenta efectos ambientales únicos a los compuestos. El Dr. Michael Hayes, vicepresidente de desarrollo de producto de ESE, ha estado activamente involucrado en el grupo de trabajo para esta nueva práctica recomendada, compartiendo datos y proporcionando prototipos para pruebas de desarrollo por el comité SAE. Internamente, el equipo de ingeniería de ESE está trabajando para asegurar que el rendimiento del E2 supere las recomendaciones mínimas de SAE. Años de pruebas de prototipo y simulación basada en física han llevado al diseño actual del E2.

«Ha habido años de trabajo por el grupo de trabajo SAE para crear la práctica de rueda compuesta», dice Hermida. «Muchos de nuestros datos de prueba y conocimiento se han compartido con SAE para ayudar a llevar la práctica a la meta, y aunque la nueva práctica SAE será más rigurosa que las prácticas actuales de ruedas, la bienvenimos en nombre de la seguridad del consumidor».

Colocación de fibra a medida. La rueda de fibra de carbono de ESE se crea usando la tecnología de colocación de fibra a medida (TFP) de ZSK Stickmaschinen GmbH. Fuente | ESE Carbon Co.

Recurriendo a la colocación de fibra a medida

La rueda de ESE se crea usando tecnología de colocación de fibra a medida (TFP), que la empresa dice permite fabricación de alto volumen y ritmo rápido de componentes de fibra de carbono con buenas propiedades mecánicas. TFP funciona arreglando haces de fibra, posicionándolos donde se necesitan para el rendimiento estructural, y cosiéndolos en posición sobre una capa base compatible. El procedimiento se usa en lugar del enfoque convencional de cortar tejidos tejidos a la forma requerida. ESE usa fibra de carbono de grado industrial de Hyosung Advanced Materials (Seúl, Corea del Sur) y tecnología TFP de ZSK Stickmaschinen GmbH (ZSK, Krefeld, Alemania) para coser capas, creando preformados de forma casi neta.

«Al controlar el camino del material de fibra mientras se cose en la geometría deseada, el material solo se coloca donde se necesita en el preformado final», explica Topher Anderson Ph.D., gerente de aplicación de bordado técnico para ZSK. «Áreas de tejido que habrían que cortar en el diseño de laminado tradicional simplemente se dejan sin coser. Este proceso reduce tanto el desperdicio inicial producido al cortar tejidos tejidos a forma, como también reduce el desperdicio de post-procesamiento debido a la capacidad de adaptarse a geometrías complejas».

Originalmente trabajando con tejidos de fibra de carbono tradicionales antes de transicionar a TFP, ESE afirma que la tecnología ha permitido a la empresa reducir capas hasta en un 50%, creando un proceso de colocación simplificado y minimizando desperdicio. Según Hermida, el desperdicio de fibra de carbono se redujo de alrededor del 40% con tejidos de fibra de carbono tradicionales a menos del 10% al adoptar TFP. Además, la tecnología ha llevado a una mejor calidad de colocación, orientación de fibra optimizada y mayor flexibilidad de diseño.

Fibra de grado aeroespacial. ESE usa fibra de carbono de Hyosung Advanced Materials para el E2. Fuente | ESE Carbon Co.

«Hay mucha curvatura en nuestros radios, lo que complica las capas. Con tejidos tradicionales la orientación de tus capas de fibra de carbono está limitada», explica Hermida. «Con TFP, hay una capacidad casi ilimitada para crear patrones rectos o curvos en cualquier dirección, permitiéndote diseñar capas optimizadas para gestionar cargas y tensiones más eficazmente que con tejidos tradicionales».

Uno de los ahorros de coste más significativos para la rueda de ESE proviene de estas mejoras en la colocación. Hermida dice que antes del cambio a TFP, la colocación era un cuello de botella de fabricación para la empresa. Afirma que la reducción en capas mejora la eficiencia y reduce el tiempo de colocación en casi un 50%. Más piezas por molde pueden hacerse cada día, lo que se traduce en un impacto positivo en la inversión global de tiempo, mano de obra y equipo por rueda.

En total, ESE dice que TFP ha simplificado su proceso y contribuido a una mejor escalabilidad. Hermida dice que también hay una ventaja de coste añadida de consolidar la cadena de suministro comprando fibra en lugar de tejido.

Más información sobre colocación de fibra a medida (TFP):

• Colocación de Fibra a Medida: Superando al metal en producción en volumen
• Compuestos de eje variable abren camino a estructuras compuestas más ligeras
• Preformado se vuelve industrial: Parte 2

Rueda de fibra de carbono todo-infundida, un curado

Calor de frenado. ESE Carbon dice que Araldite de Huntsman ha mejorado las tasas de producción y aumentado la resistencia de la llanta, incluso a las temperaturas elevadas a las que las ruedas están expuestas durante el frenado. Foto CW | Scott Francis

Además de su inversión en tecnología TFP, ESE se está alejando del procesamiento en autoclave para su rueda mientras busca tasas de producción mejoradas. El E2 se produce por un proceso propietario de moldeo por transferencia de resina por compresión (RTM) usando prensas personalizadas diseñadas por el equipo de ingeniería de ESE. Hermida dice que lograr una rueda todo-infundida, un curado fue un desafío. Un componente clave de esto fue seleccionar el sistema de resina adecuado.

«Necesitábamos un sistema de baja viscosidad, alta Tg [temperatura de transición vítrea], alta claridad, curado rápido con propiedades robustas», dice Hermida.

La empresa seleccionó el Araldite de Huntsman Advanced Materials (The Woodlands, Texas, EE. UU.) para su sistema de resina epoxi. Según Huntsman, el sistema ofrece baja viscosidad para velocidades de inyección más rápidas, humectación de fibra y facilidad de procesamiento, así como flexibilidad para ajustarse a diferentes condiciones de molde y tiempos de ciclo. Con Araldite, ESE dice que es capaz de mejorar la tasa de producción y aumentar la resistencia de la llanta, incluso a temperaturas elevadas a las que las ruedas están expuestas durante el frenado.

Araldite combina alargamiento mejorado y mayor tenacidad a fractura comparado con resinas epoxi convencionales con Tg alta hasta 200 °C.

«Por el calor de frenado que se genera, ese es un componente crítico», dice Hermida.

Para reducir el tiempo en el molde, el sistema ofrece curado a temperaturas intermedias dentro del molde, seguido de post-curado opcional a temperaturas elevadas fuera del molde. El resultado es una llanta compuesta ligera con buena resistencia a la fatiga, clave para la durabilidad en ruedas expuestas a ciclos/estrés repetidos durante la operación del vehículo.

Los representantes técnicos de Huntsman trabajaron con el equipo de ingeniería de ESE para determinar qué sistema de resina epoxi encajaría en sus necesidades de producción, así como las proporciones ideales de componentes para alcanzar una vida de trabajo lo suficientemente larga para inyectar múltiples moldes de rueda antes de que el epoxi comience a gelificar. Además, la empresa proporcionó análisis de modelado de curado predictivo generado por computadora y pruebas de laboratorio para apoyar los esfuerzos de desarrollo de ESE.

 

La rueda compuesta sigue girando

Automatización. ESE está trabajando para avanzar en su automatización de tareas como recorte, automatización pick-and-place y preformado. Fuente | ESE Carbon Co.

ESE comenzará pruebas en carretera en Q1 2020. La entrega de ruedas de posventa se espera más tarde en 2020 y ESE dice que ha comenzado conversaciones con OEMs. Con el E2 listo para su debut en el mercado, la pregunta vuelve al coste. La mayoría de las ruedas de fibra de carbono en el mercado hoy son aproximadamente el coste de algunos coches asequibles.

«La fabricación de ruedas de fibra de carbono es única en muchos aspectos; mientras las tecnologías de automatización actuales nos benefician, aún se requiere una gran cantidad de personalización y desarrollo de automatización para llegar a los puntos de precio de rueda que queremos», dice Hermida.

Con su adición de TFP, ESE está dando pasos en la automatización de su proceso. Hermida dice que la empresa también ha podido automatizar el post-procesado de la rueda, y la empresa está trabajando actualmente para avanzar en su automatización de tareas como recorte, colocación robótica pick-and-place y preformado.

«Se reduce a ESE haciendo ruedas de fibra de carbono alcanzables», dice Daniel Canavan, vicepresidente de desarrollo de negocio de ESE. «Estamos trabajando diligentemente para alcanzar un punto donde las tecnologías de fibra de carbono puedan aplicarse a la población en general».

El E2 de ESE aspira a ser más que solo una rueda competitiva en el mercado. El objetivo inicial es ofrecer un juego de cuatro ruedas por menos de $9.900. Aunque esto pueda sonar caro, definitivamente es un paso en la dirección correcta, y Hermida dice que los proyectos de automatización de la empresa ayudarán a recortar costes para llegar más allá del mercado de lujo/rendimiento.

«Nuestras ambiciones van mucho más allá», dice Hermida. «Esto es solo un punto de partida. Nuestro objetivo es fijar precios que estén a distancia de golpe de ruedas de aluminio forjado». Las ruedas de aluminio forjado comparables oscilan entre 5.000 y 7.000 dólares.

«Vemos un panorama más grande de hacer esto en producción en masa», dice Canavan. «Estamos pensando en vehículos eléctricos y otros mercados donde podemos compartir eficiencia y [los usuarios] pueden experimentar los beneficios del peso no suspendido —rendimiento, velocidad y seguridad. Hay tantas ventajas para esta tecnología donde realmente podemos marcar la diferencia».