El diseño esquelético permite autoestructuras compuestas más competitivas

A medida que los fabricantes buscan reducir el costo de los componentes compuestos, los diseñadores se esfuerzan por utilizar los materiales constituyentes de la manera más eficiente posible al tiempo que permiten la producción e integración automatizadas de múltiples funciones. Para aplicaciones automotrices, este desafío se ve agravado por la necesidad de tiempos de ciclo tan cortos como 1-2 minutos.

El sobremoldeo (características de compuestos termoplásticos moldeados por inyección sobre preformas de fibra continua) se ha buscado como una posible solución durante años. Por ejemplo, el proyecto CAMISMA demostró un respaldo de asiento compuesto sobremoldeado en 2014 (consulte "Respaldo del asiento de automóvil de CAMISMA:compuesto híbrido para alto volumen"). "Pero este enfoque ha sido llevado al siguiente nivel, ahora logrando una producción totalmente automatizada de estructuras de compuesto termoplástico BIW [body-in-white]", explica el Dr. Christoph Ebel, director del Centro de Aplicaciones y Peso Ligero de SGL Carbon (Wiesbaden, Alemania). (LAC, Meitingen, Alemania).

Este avance se debe a un enfoque de diseño de "esqueleto" que ha estado en desarrollo durante varios años. Como primer demostrado en el proyecto MAI Skelett en 2015, el proceso implica el uso de fibra de carbono unidireccional (UD) termoplástico pultrusiones termoformadas y sobremoldeadas en un proceso de dos pasos y 75 segundos para producir un miembro de techo estructural que excede todos los requisitos de la versión anterior. También integra clips para accesorios y cambia el comportamiento de choque del modo de falla frágil al dúctil para aumentar la resistencia residual de BIW (consulte "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 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 de vidrio. Su diseño se basó en el BMW i3 actual estructura, incluidos todos los requisitos funcionales y de espacio. El marco del parabrisas no solo sirve como miembro estructural transversal del techo, sino que también proporciona otras funciones:rigidez, que también reduce el ruido, la vibración y la aspereza (NVH); resistencia (prueba de presión del techo) para ayudar a cumplir con los requisitos de choque; un accesorio para componentes interiores (por ejemplo, visera, molduras interiores, arnés de cableado para iluminación, etc.), así como soporte para conexiones con el parabrisas, techo solar y panel exterior del techo.

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

Pultrusiones como parte de la caja de herramientas de TP

Para el marco del parabrisas MAI Skelett, se finalizó una sección transversal cuadrada de 10 por 10 milímetros para el diseño. El objetivo era utilizar fibras de carbono de arrastre pesado más económicas. Sin embargo, la fibra de remolque de 50K elegida tiene un empaque apretado de innumerables filamentos que dificulta la impregnación de resina . “En general, este desafío puede superarse mediante la guía y distribución optimizadas de la fibra para alcanzar una impregnación óptima y un alto contenido de volumen de fibra en torno al 50 por ciento en volumen”, dice la gerente de producto de SGL para termoplásticos, Veronika Bühler. SGL ha dominado esta tecnología y ahora ofrece pultrusiones como parte de su caja de herramientas termoplásticas. “Ya teníamos un amplio conocimiento de los productos semiacabados gracias a nuestras cintas termoplásticas, que también están basadas en pultrusión. De modo que pudimos adaptar rápidamente nuestras tecnologías de pultrusión utilizadas actualmente para crear nuestros propios perfiles ". El proceso incluye pruebas de calidad para el volumen, la porosidad y la precisión dimensional de la fibra. “Esto último es muy importante debido a la automatización y el manejo de robots”, continúa. “No puede haber curvatura, por ejemplo, debido a la tensión residual en los perfiles pultrusionados”.

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

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

Otro aspecto importante de la fabricación del marco del parabrisas es la capacidad de los productos semiacabados termoplásticos de termoconformarse durante y después del moldeado. Esto permite una mayor funcionalización de la forma, así como la unión 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 pultruidos de fibra de carbono / PA6. Estos luego tuvieron que modificarse para adaptarse a la forma del componente, así como a la introducción de carga en diferentes puntos. Se eligió el termoformado para hacer esto, con la principal preocupación de que la alta resistencia y rigidez de la fibra de carbono solo pudieran lograrse manteniéndola lo más recta posible. Esto se logró cuando las barras pultruidas se estiraron en la dirección del flujo de la matriz y luego se aplanaron y doblaron en los extremos de las barras (Fig. 1).

El segundo paso del proceso consistió en colocar los perfiles pultruidos termoformados bajo un calentador de infrarrojos para que alcanzaran la temperatura en menos de 50 segundos, seguido de la transferencia a un molde de inyección utilizando un sistema de manipulación automatizado desarrollado para tal fin. Todas las piezas del proyecto se produjeron en máquinas de moldeo por inyección existentes. A continuación, se sobremoldeó compuesto reforzado con fibra sobre y alrededor de los perfiles. Se requirió precisión tanto en el molde como en el proceso durante el sobremoldeo para mantener en posición las cuatro barras pultruidas termoformadas.

El tiempo de ciclo total para el proceso de dos pasos (termoformado y sobremoldeo de pultrusiones prefabricadas) fue de aproximadamente 75 segundos. “Debido a que la matriz termoplástica se vuelve a fundir antes del sobremoldeo, permite formar y unir las barras prefabricadas y termoformadas en la pieza terminada en tiempos de ciclo muy cortos”, explica Ebel. “En general, la fusibilidad de los termoplásticos también permite la unión incluso con componentes metálicos”, agrega Bühler, señalando que los procesos de termoformado y moldeo por inyección de termoplásticos ofrecen una excelente reproducibilidad y control del proceso, que son factores críticos para la producción de gran volumen.

Fallo dúctil

Perfiles de PPA y PA6 con compuestos de moldeo compatibles utilizando vidrio y fibra de carbono fueron evaluados para explorar un modo de falla más dúctil para el componente. Aunque un modo de falla más dúctil disminuyó la cantidad de carga que podía transferir el marco del parabrisas, mejoró la integridad estructural del BIW en su conjunto.

Los métodos de análisis incluyeron el modelado de sólidos, el modelado de barras de refuerzo (modelado de geometría donde las pultrusiones actúan como barras de refuerzo que refuerzan el sobremoldeo) y el modelado utilizando elementos de cáscara, así como varias combinaciones de estos. El software incluía el solucionador FE ABAQUS (Dassault Systèmes, París, Francia) y el solucionador de parámetros Dakota desarrollado por Sandia National Laboratories (Albuquerque, N.M., EE. UU.). OptiStruct (Altair Engineering, Troy, Michigan, EE. UU.) Se utilizó para la optimización de topología.

Aunque BMW no especificó una combinación de materiales preferida en su informe final del proyecto, sí concluyó que la simulación final y los resultados de las pruebas mostraron que los componentes del esqueleto superó todos los requisitos para la pieza actual de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP), excepto la rigidez a la torsión, que se determinó que no era un factor clave en el diseño del marco del parabrisas. El diseño del esqueleto excedió tanto el nivel de carga como la absorción de energía en casos de carga de choque en comparación con la parte actual de CFRP. También tuvo éxito en lograr un modo de falla más dúctil, que avanza aún más no solo en el rendimiento de choque de la estructura compuesta, sino también en la comprensión de ese rendimiento de choque y cómo se relaciona con la estructura BIW en su conjunto.

Futuras aplicaciones de diseño de esqueletos

En el informe final de MAI Skelett, BMW señaló que había identificado otros seis componentes del vehículo que podrían beneficiarse de la reducción significativa en los costos de fabricación, materiales y herramientas proporcionados mediante el enfoque de diseño esqueleto. SGL Carbon sugiere aplicaciones en estructuras de asientos automotrices y aeroespaciales, tableros de instrumentos, brazos robóticos, bancos de rayos X y más.

Sin embargo, el enfoque de diseño de esqueleto se desarrolló aún más, extendiéndose a multiaxialmente componentes acentuados en el proyecto de seguimiento MAI Multiskelett (que se llevó a cabo de septiembre de 2015 a junio de 2017). Observó las áreas donde los componentes de los rodamientos y los perfiles pultrusionados se cruzan, y también las áreas de introducción de cargas elevadas, en particular para los componentes estructurales grandes donde se cruzan varias rutas de carga principales. Al igual que en el proyecto Skelett anterior, se investigaron los diseños de componentes y las líneas de producción en serie rentables.

Un ejemplo de cómo el diseño del esqueleto puede optimizar aún más los componentes compuestos existentes es el interior frontal Carbon Carrier para un vehículo eléctrico (Fig. 2) desarrollado por SGL y el especialista en tecnología automotriz Bertrandt (Ehningen, Alemania) en 2017. Integrando todas las funciones principales y componentes de acabado De un panel de instrumentos convencional, el Carbón Carrier se basó en una hoja orgánica termoformada como la "columna vertebral" de soporte de carga para agregar rigidez. “En el futuro, esta pieza podría ser reemplazada por un diseño con perfiles termoplásticos sobremoldeados”, dice Ebel. “Esto omitiría las operaciones de corte, colocación y recorte de la hoja orgánica. Además, el travesaño quedaría obsoleto porque lo integraríamos como perfiles pultruidos y los sobremoldearíamos para lograr el diseño del tablero. Esta parte sobremoldeada también proporcionaría más espacio y flexibilidad para acomodar los elementos adjuntos requeridos, así como tornillos y clips para unir estos elementos o cables, etc. ”

Ebel admite que esto sería un gran cambio de diseño, "pero reduce los costos y hace que todo el componente sea más eficiente". Señala que es posible diseñar un proceso casi sin desperdicio sin desperdicio porque los perfiles se cortan exactamente a la longitud necesaria y no se pierde ningún refuerzo de fibra de carbono en estos pasos o en el termoformado antes del sobremoldeo. Bühler señala que los asientos también son los principales candidatos para el diseño esquelético. “En los materiales compuestos, normalmente se fabrican con telas o cintas, y siguen siendo estructuras en forma de hojas. Pero podríamos disminuir el espesor en el área del plano integrando perfiles en la parte inferior y aumentando la rigidez ”. Ella señala que los perfiles pultrusionados no son el único producto UD eficiente en el que se puede construir. “También podría ser cinta, que se adapta fácilmente a las rutas de carga de cada pieza”.

“Estamos recorriendo muchas empresas en el Lightweight &Application Center”, dice Ebel. “El diseño del esqueleto como concepto innovador adicional ha inspirado mucho interés y nuestros visitantes lo consideran muy prometedor”. Explica que el centro ha desarrollado sus capacidades de diseño y puede ayudar a las empresas a integrar ideas innovadoras como el concepto de esqueleto para abrir un nuevo espacio de diseño para futuros componentes eficientes en materiales.

“Hay muchas aplicaciones en las que podemos usar diseños similares al marco del parabrisas”, dice Bühler. “Es importante que la industria avance desde el laminado cuasi-isotrópico, que deja gran parte de la resistencia y rigidez de la fibra de carbono sobre la mesa. En cambio, debemos explotar formas materiales más eficientes, colocando cada material solo donde se necesita. Esto es lo que la industria necesita para el futuro ”.