Diseño "esqueleto" mejora estructuras compuestas automotrices rentables

Mientras los fabricantes buscan reducir el coste de los componentes compuestos, los diseñadores se esfuerzan por utilizar los materiales constituyentes de la forma más eficiente posible, permitiendo la producción automatizada y la integración de múltiples funciones. Para aplicaciones automotrices, este desafío se agrava por la necesidad de tiempos de ciclo tan cortos como 1-2 minutos.

Sobremoldeo: una solución evolucionada

El sobremoldeo —inyección de características de compuestos termoplásticos sobre preformas de fibra continua— se ha explorado como posible solución durante años. Por ejemplo, el proyecto CAMISMA demostró un respaldo de asiento compuesto sobremoldeado en 2014 (véase "Respaldo de asiento CAMISMA: compuesto híbrido para gran volumen"). "Pero este enfoque se ha llevado al siguiente nivel, logrando ahora la producción totalmente automatizada de estructuras BIW [carrocería en blanco] de compuestos termoplásticos", explica el Dr. Christoph Ebel, responsable del Centro de Ligereza y Aplicaciones (LAC, Meitingen, Alemania) de SGL Carbon (Wiesbaden, Alemania).

Enfoque de diseño "esqueleto"

Este avance se debe a un enfoque de diseño "esqueleto" en desarrollo desde hace varios años. Como se demostró por primera vez en el proyecto MAI Skelett en 2015, el proceso implica el uso de pultrusiones termoplásticas de fibra de carbono unidireccional (UD) que se termoforman y sobremoldean en un proceso de dos pasos y 75 segundos para producir un elemento estructural del techo que supera todos los requisitos de versiones anteriores. También integra clips para fijaciones y cambia el comportamiento en choque de frágil a dúctil, aumentando la resistencia residual del BIW (véase "Más detalles sobre el proceso de diseño MAI Skelett").

Demostrador MAI Skelett

El proyecto MAI Skelett de 17 meses fue apoyado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF) y completado por MAI Carbon, una división regional de la red Carbon Composites e.V. (Augsburgo). Liderado por BMW (Múnich, Alemania), el objetivo del proyecto era realizar un demostrador específico: el marco del parabrisas, ubicado entre los dos pilares A sobre el parabrisas. Su diseño se basó en la estructura actual del BMW i3, incluyendo todos los requisitos funcionales y espaciales. El marco del parabrisas no solo sirve como elemento estructural transversal del techo, sino que también proporciona otras funciones: rigidez, que reduce ruido, vibración y dureza (NVH); resistencia (prueba de aplastamiento del techo) para ayudar a cumplir requisitos de choque; fijación para componentes interiores (viseras, acabados interiores, cableado de iluminación, etc.), así como soporte para conexiones con el parabrisas, techo solar y panel de techo exterior.

El marco del parabrisas con diseño esqueleto constaba de cuatro barras pultrudidas reforzadas con fibra UD en las esquinas de la pieza, encapsuladas en un marco sobremoldeado para proporcionar rigidez torsional y fijaciones funcionales de forma compleja. Los perfiles pultrudidos no están todos en un plano, sino dispuestos a diferentes alturas: dos cerca de la base de la pieza de 60 milímetros de alto, y dos cerca de la parte superior.

Pultrusiones como parte de la caja de herramientas termoplástica

Para el marco del parabrisas MAI Skelett, se definió una sección transversal cuadrada de 10 por 10 milímetros. El objetivo era utilizar fibras de carbono de gran número de filamentos (heavy-tow) más económicas. Sin embargo, la fibra de 50K elegida tiene un empaquetamiento denso de miríadas de filamentos que dificulta la impregnación con resina. "En general, este desafío puede superarse mediante una guía y apertura de fibra optimizadas para lograr una impregnación óptima y un alto contenido de fibra en volumen alrededor del 50 %", dice Veronika Bühler, gestora de producto de termoplásticos de SGL. SGL ha dominado esta tecnología y ahora ofrece pultrusiones como parte de su caja de herramientas termoplástica. "Ya teníamos un amplio conocimiento de productos semielaborados gracias a nuestras cintas termoplásticas, que también se basan en pultrusión. Así pudimos adaptar rápidamente nuestras tecnologías de pultrusión actuales para crear nuestros propios perfiles". El proceso incluye pruebas de calidad para contenido de fibra, porosidad y precisión dimensional. "Esta última es muy importante debido a la automatización y manipulación robótica", continúa. "No puede haber curvatura, por ejemplo, debido a tensiones residuales en los perfiles pultrudidos".

Resinas termoplásticas investigadas

Más allá de los refuerzos por pultrusión, también se investigaron resinas termoplásticas en MAI Skelett. Se probaron varios tipos de poliamida 6 (PA6 o nailon 6) para determinar la viscosidad y reología requeridas para una calidad y velocidad de pultrusión optimizadas. SGL ofreció una gama de materiales para el proyecto a través de su caja de herramientas termoplástica, que comprende cintas UD, organohoja, fibra cortada para compuestos reforzados con fibra corta y larga, y ahora pultrusiones reforzadas UD, todas basadas en fibras de carbono SIGRAFIL 50K con apresto adecuado para una matriz de polipropileno (PP) y poliamidas, incluyendo PA6 o PA6 in-situ. "Es esencial armonizar fibras, apresto y matriz para lograr el rendimiento óptimo de estructuras compuestas", dice Bühler.

También explica el PA6 in-situ: "Esto ocurre cuando se reaccionan monómeros de caprolactama, o un solo monómero con un catalizador y un activador, que luego polimerizan [forman cadenas poliméricas largas] durante el moldeo de la pieza compuesta". En otras palabras, la caprolactama polimeriza in situ en una poliamida. Bühler señala que las poliamidas como grupo polimérico incluyen PA66 y PA12, así como ciertos tipos de PPA como opciones adicionales de matriz.

Otro aspecto importante de la fabricación del marco del parabrisas es la capacidad de los productos semielaborados termoplásticos para termoformarse durante y después del moldeo. Esto permite una mayor funcionalización de la forma, así como soldadura por fusión durante el sobremoldeo. Ambos fueron factores importantes en el diseño del demostrador MAI Skelett.

Termoformado y sobremoldeo

La producción del marco del parabrisas MAI Skelett comenzó con perfiles pultrudidos de fibra de carbono/PA6. Estos debían modificarse para adaptarse a la forma del componente y a la introducción de cargas en diferentes puntos. Se eligió el termoformado para hacerlo, con la preocupación principal de que la alta resistencia y rigidez de la fibra de carbono solo podían realizarse manteniéndola lo más recta posible. Esto se logró estirando las barras pultrudidas en la dirección del flujo de la matriz, y luego aplanándolas y doblándolas en los extremos de las barras (Fig. 1).

El segundo paso del proceso fue colocar los perfiles pultrudidos termoformados bajo un calentador infrarrojo para llevarlos a temperatura en menos de 50 segundos, seguido de su transferencia a un molde de inyección mediante un sistema de manipulación automatizado desarrollado para el propósito. Todas las piezas del proyecto se produjeron en máquinas de moldeo por inyección existentes. Compuesto reforzado con fibra se sobremoldeó entonces sobre y alrededor de los perfiles. Se requería precisión tanto en el molde como en el proceso durante el sobremoldeo para mantener las cuatro barras pultrudidas termoformadas en posición.

El tiempo de ciclo total para el proceso de dos pasos (termoformado y sobremoldeo de pultrusiones premoldeadas) fue de aproximadamente 75 segundos. "Como la matriz termoplástica se refunde antes del sobremoldeo, permite formar y unir las barras premoldeadas y termoformadas en la pieza final en tiempos de ciclo muy cortos", explica Ebel. "En general, la fusibilidad de los termoplásticos también permite la unión con componentes metálicos", añade Bühler, señalando que los procesos de termoformado e inyección de termoplásticos ofrecen excelente reproducibilidad y control de proceso, factores críticos para la producción en gran volumen.

Fallo dúctil

Se evaluaron perfiles de PPA y PA6 con compuestos de moldeo compatibles usando fibra de vidrio y carbono para explorar un modo de fallo más dúctil para el componente. Aunque un modo de fallo más dúctil disminuía la cantidad de carga que el marco del parabrisas podía transferir, mejoraba la integridad estructural del BIW en su conjunto.

Los métodos de análisis incluyeron modelado sólido, modelado de armadura (modelado geométrico donde las pultrusiones actúan como armadura reforzando el sobremoldeo) y modelado usando elementos de capa, así como varias combinaciones de estos. El software incluyó el solucionador FE ABAQUS (Dassault Systèmes, París, Francia) y el solucionador de parámetros Dakota desarrollado por Sandia National Laboratories (Albuquerque, Nuevo México, EE. UU.). OptiStruct (Altair Engineering, Troy, Míchigan, EE. UU.) se usó para optimización topológica.

Aunque BMW no especificó una combinación de materiales preferida en su informe final del proyecto, concluyó que los resultados finales de simulación y pruebas mostraron que los componentes esqueleto superaban todos los requisitos para la actual pieza de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) excepto la rigidez torsional, que se determinó no ser un factor clave de diseño para el marco del parabrisas. El diseño esqueleto superó tanto el nivel de carga como la absorción de energía en casos de carga de choque frente a la pieza CFRP actual. También logró un modo de fallo más dúctil, lo que avanza no solo el rendimiento en choque de estructuras compuestas sino también la comprensión de ese rendimiento y cómo se relaciona con la estructura BIW en su conjunto.

Aplicaciones futuras del diseño esqueleto

En el informe final de MAI Skelett, BMW señaló que había identificado otros seis componentes del vehículo que podrían beneficiarse de la significativa reducción en costes de fabricación, materiales y utillaje que proporciona el enfoque de diseño esqueleto. SGL Carbon sugiere aplicaciones en estructuras de asientos automotrices y aeroespaciales, salpicaderos, brazos de robot, bancos de rayos X y más.

Sin embargo, el enfoque de diseño esqueleto se desarrolló aún más, extendiéndose a componentes multiaxialmente solicitados en el proyecto posterior MAI Multiskelett (realizado de septiembre 2015 a junio 2017). Analizó áreas donde componentes de soporte y perfiles pultrudidos se cruzan, y también áreas de alta introducción de carga, particularmente para componentes estructurales grandes donde se cruzan varias trayectorias de carga principales. Como en el proyecto Skelett anterior, se investigaron diseños de componentes y líneas de producción en serie rentables.

Un ejemplo de cómo el diseño esqueleto puede optimizar aún más componentes compuestos existentes es el Carbon Carrier interior frontal para un vehículo eléctrico (Fig. 2) desarrollado por SGL y el especialista en tecnología automotriz Bertrandt (Ehningen, Alemania) en 2017. Integrando todos los principales componentes funcionales y de acabado de un salpicadero convencional, el Carbon Carrier se basaba en una organohoja termoformada como "columna vertebral" portante para añadir rigidez. "En el futuro, esta pieza podría reemplazarse por un diseño con perfiles termoplásticos sobremoldeados", dice Ebel. "Esto omitiría operaciones de corte, estratificado y recorte para la organohoja. Además, el travesaño sería obsoleto porque lo integraríamos como perfiles pultrudidos y los sobremoldearíamos para lograr el diseño del salpicadero. Esta pieza sobremoldeada también proporcionaría más espacio y flexibilidad para acomodar los elementos de fijación requeridos, así como tornillos y clips para sujetar estos elementos o cables, etc."

Ebel admite que sería un enorme cambio de diseño, "pero reduce costes y hace el componente más eficiente en su conjunto". Señala que es posible diseñar un proceso con casi cero residuos porque los perfiles se cortan exactamente a la longitud necesaria y no se pierde refuerzo de fibra de carbono en estos pasos ni en el termoformado previo al sobremoldeo. Bühler señala que los asientos también son candidatos principales para el diseño esqueleto. "En compuestos, suelen hacerse con tejidos o cintas, y siguen siendo estructuras tipo lámina. Pero podríamos disminuir el espesor en la zona plana integrando perfiles en la base y aumentando la rigidez". Indica que los perfiles pultrudidos no son el único producto UD eficiente posible para construir alrededor. "También podría ser cinta, que se adapta fácilmente a las trayectorias de carga para cada pieza".

"Estamos visitando muchas empresas en el Centro de Ligereza y Aplicaciones", dice Ebel. "El diseño esqueleto como concepto innovador adicional ha inspirado mucho interés y se considera muy prometedor por nuestros visitantes". Explica que el centro ha desarrollado sus capacidades de diseño y puede ayudar a las empresas a integrar ideas innovadoras como el concepto esqueleto para abrir un nuevo espacio de diseño para futuros componentes eficientes en material.

"Hay muchas aplicaciones donde podemos usar diseños similares al marco del parabrisas", dice Bühler. "Es importante para la industria avanzar desde el estratificado cuasi-isotrópico, que deja gran parte de la resistencia y rigidez de la fibra de carbono sin aprovechar. En su lugar, debemos explotar formas de material más eficientes, poniendo cada material solo donde se necesita. Esto es lo que la industria necesita para el futuro".