Puerta termoplástica por primera vez para compuestos automotrices

Los fabricantes de equipos originales (OEM) automotrices y los de nivel 1 están lidiando con la necesidad de reducir la masa del vehículo para cumplir con los objetivos de ahorro de combustible y emisiones de carbono. Los materiales compuestos tienen el potencial de contribuir significativamente a este impulso de aligeramiento en muchas áreas, pero el costo, los problemas de diseño, el procesamiento desconocido y la competencia de otros materiales continúan presentando obstáculos. Para superarlos, muchos proyectos están investigando cómo los materiales compuestos pueden integrarse en estructuras automotrices de múltiples materiales para obtener el máximo beneficio.

El Centro de compuestos de la Universidad de Clemson (Clemson, SC, EE. UU.), El Centro internacional para la investigación automotriz de la Universidad de Clemson (CU-ICAR) y Honda R&D Americas (Raymond, OH) están llevando a cabo un proyecto que aborda cómo los materiales compuestos pueden reducir las estructuras de carga automotriz. , EE. UU.), Con el apoyo del Centro de Materiales Compuestos de la Universidad de Delaware (CCM, Newark, DE, EE. UU.) Y fondos del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE, Washington, DC, EE. UU.).

El enfoque del proyecto, dice el investigador principal Dr. Srikanth Pilla, quien es profesor de ingeniería automotriz de Jenkins y miembro de la facultad de Dean en Clemson, es la cuestión de si los materiales compuestos pueden permitir sistemas de cierre ultraligeros (puertas, capós, tapas de maletero) para complementan los avances simultáneos en la tecnología del tren motriz y una mejor aerodinámica:“Dentro de la cartera de tecnología para el aligeramiento, ya se ha implementado gran parte de la 'fruta madura', por ejemplo, la reducción del tamaño del motor. Creemos que existe un potencial de aumento de la eficiencia en el área de los sistemas de cierre estructural que soportan cargas a un precio razonable ".

La colaboración, el trabajo en equipo son la clave

El proyecto de cuatro años, que comenzó en 2016, surgió como una solicitud del DOE, parte de la serie de Grandes Desafíos de la administración Obama para promover la ciencia y la ingeniería en muchos temas, incluido el cumplimiento de los estándares de emisiones automotrices. La solicitud de propuesta solicitó el diseño y desarrollo de una puerta de automóvil que ofreciera una reducción de peso del 42.5% en comparación con una puerta OEM estándar, al tiempo que mantenía un rendimiento de choque, durabilidad y rendimiento de uso / mal uso similares, y un rendimiento similar de ruido, vibración y dureza (NVH). . Y, independientemente de cómo se diseñó la puerta liviana, tuvo que usar sistemas de materiales disponibles comercialmente y escalar a volúmenes de producción de al menos 20,000 vehículos por año.

Honda se incorporó como asesor OEM del proyecto de investigación porque el proyecto se alineaba con "nuestra visión de, en última instancia, crear una sociedad libre de emisiones", dice Skye Malcolm, ingeniera principal, Fundamentos de desarrollo de vehículos de verificación y planificación avanzada en Honda R&D Americas. Honda también agregó sus propias limitaciones al proyecto, agrega:“El diseño de la puerta que desarrollará el equipo debe usar la misma geometría de sellado, tener todos los mismos equipos funcionales que la puerta de referencia, proporcionar un acabado Clase A indistinguible del línea de base y cumplir con los requisitos de durabilidad y envejecimiento de Honda ". El equipo ha traído un objetivo adicional de que la puerta sea 100% reciclable. Quizás lo más importante es que el DOE exigió un costo máximo permitido por libra de peso ahorrado (por encima de la puerta de referencia) de $ 5. Esto significó que para un Acura MDX típico puerta con un peso de 31,8 kg, una reducción de peso del 42,5% llevaría el peso objetivo total a 18,3 kg, lo que (a $ 5 / lb de peso ahorrado) significaba que la puerta compuesta solo podía agregar $ 150 al costo de la puerta.

Apoyando a Pilla en el proyecto están varios estudiantes de pregrado y posgrado, el Dr. Gang Li, profesor de ingeniería mecánica en Clemson, y los Dres. Bazle Haque y Shridhar Yarlagadda de la Universidad de Delaware CCM, expertos en compuestos de múltiples materiales. Yarlagadda, el co-investigador principal del proyecto, señala:“Honda ha sido una parte integral de nuestro esfuerzo y ha brindado un nivel excepcional de colaboración y compromiso con nuestro programa, incluido el soporte informático HPC y el acceso a los ingenieros de Honda en todo el espectro. El diseño, la fabricación y la integración de componentes compuestos deben combinarse con una serie de requisitos "suaves" impulsados ​​por el cliente para crear un diseño de sistema aceptable, y esto no habría sido posible sin el apoyo de Honda ". Este sentimiento es compartido por los otros miembros del equipo, agrega Pilla:“La simple sustitución de material no fue una solución. Tuvimos que considerar un enfoque de sistemas, y Honda nos ayudó a comprender todos los elementos del sistema de puertas hasta el nivel de los componentes. De hecho, su asociación y participación es incomparable ”.

Diseño de una puerta nueva

El análisis inicial incluyó una evaluación comparativa de otros esfuerzos de OEM en cierres livianos para modelos de mercado limitados, incluido el marco de puerta de aluminio de Audi para su A8 modelo, el Porsche Panamera marco de puerta de magnesio y i8 de BMW Marco de puerta termoestable reforzado con fibra de carbono. Sin embargo, ninguno de estos enfoques anteriores de OEM cumplió con los objetivos de costo o peso de este proyecto. Dice Pilla:“Quería ser parte de algo que beneficiara el futuro, que contribuiría a una economía circular. No se había intentado antes una puerta termoplástica y sería reciclable ". Cuando se comparan con otros materiales candidatos, incluidos los compuestos termoendurecibles, el aluminio y el acero, los termoplásticos ofrecían no solo reciclabilidad, sino también un potencial muy alto de ligereza y velocidades de procesamiento rápidas (en comparación con los termoendurecibles) para cumplir los objetivos de producción.

Con el Acura MDX original puerta como línea de base (Fig. 1), el equipo desglosó su mezcla de materiales:62% metal, 21% polímero rígido puro, 13% vidrio y 4% elastómero. La mayor oportunidad para aligerar el peso, 60%, provendría del marco de la puerta metálica, que el equipo tenía la intención de reducir desde un peso de referencia de 15,4 kg hasta el peso objetivo de 6,2 kg. Si bien no hubo posibilidad de reducir el peso en los componentes internos y electrónicos de la puerta (altavoz de radio, servo para subir y bajar la ventana, cerradura de la puerta, etc.), el equipo determinó que el peso del vidrio de la ventana podría reducirse en un 20%, quizás haciendo el vidrio más delgado pero sin comprometer las métricas objetivo de NVH y durabilidad. Además, el equipo estimó que el peso de los elementos de moldura en la superficie interior de la puerta podría reducirse en un 30% o incluso eliminarse.

Las principales tareas del proyecto se ejecutaron simultáneamente durante los dos primeros años. Algunos miembros del equipo trabajaron en la generación de datos de materiales, mientras que otros abordaron los detalles del diseño de la puerta. El grupo de datos de materiales generó datos de prueba de materiales para una variedad de termoplásticos (cintas continuas, tapetes, polímeros reforzados con fibras cortas y largas y más) para determinar los materiales candidatos para el marco interior y el panel exterior; Los materiales fueron aportados por varios socios proveedores de la industria. Los datos se evaluaron a través de gráficos de araña, con resistencia general, resistencia al corte, costo permitido, densidad permitida, rigidez y tenacidad que componen los ejes del gráfico.

Las opciones de material de mejor rendimiento después de la evaluación inicial de datos (cintas de fibra continua y gránulos termoplásticos reforzados con fibra larga) se sometieron a modelado de material, explica Pilla:“Fue posible construir una matriz de rigidez de material ortotrópico simple para las cintas de fibra continua, basada en la técnica de Hooke ley." Sin embargo, para el polímero reforzado con fibra larga, se necesitaron simulaciones secundarias para predecir la resistencia y rigidez de una pieza de puerta moldeada por inyección, debido a la anisotropía introducida tanto por la geometría de la pieza final como por el proceso de llenado del molde. Pilla agrega, "El modelado de estos materiales de fibra larga es difícil, porque no se ha hecho mucho en la simulación". Para recopilar los datos necesarios, el equipo desarrolló un ciclo de optimización de la fabricación. Las formas genéricas de las piezas para el marco interior y el panel exterior de la puerta se generaron con el software de diseño 3D SolidWorks de Dassault Systémes (Waltham, MA, EE. UU.); Se realizaron simulaciones de llenado de moldes de esas formas para determinar los vectores de flujo de la masa fundida con la ayuda del software Moldex3D de Moldex (Ciudad de Chupei, Taiwán); se analizaron la dinámica del flujo de fusión y la colusión para determinar la orientación de la fibra mediante el software Digimat de e-Xstream (Hautcharage, Luxemburgo, una empresa de Hexagon); y orientaciones de fibra mapeadas se utilizaron para generar una matriz de rigidez utilizando herramientas de análisis de elementos finitos (FEA), incluidas tarjetas de material suministradas por la solución HyperWorks CAE de Altair Engineering Inc. (Troy, MI, EE. UU.). A medida que se modificaron las formas de las piezas y se probaron los materiales, el ciclo de optimización se repitió varias veces.

Al mismo tiempo, otros miembros del equipo trabajaron en el desarrollo del concepto de puerta real y, finalmente, en simulaciones de fabricación y herramientas. Comenzando con bocetos preliminares y una selección de materiales de alto nivel, se creó una gama de diseños. Luego, se generaron modelos CAD aproximados, junto con simulaciones FEA iniciales para casos de carga estática simples. En el otoño de 2016, dice Pilla, se llevó a cabo un taller de diseño en CU-ICAR donde el equipo redujo las opciones de concepto de puerta a siete, para seguir trabajando. "Nuestra filosofía de diseño desde el principio fue maximizar la integración funcional de piezas y materiales, minimizar el recuento de piezas, maximizar la eficacia de los materiales utilizados mediante la optimización y simplificar el montaje", dice Pilla.

En este punto, se generaron modelos CAD detallados y se realizaron simulaciones FEA para cada concepto para validar el rendimiento estático de acuerdo con los objetivos de Honda. Teniendo en cuenta la capacidad de fabricación y la integración de los subsistemas, el Concepto 7 (un enfoque de marco espacial) comenzó a converger hacia el Concepto 2 (un marco estructural de una pieza), por lo que el equipo decidió continuar con el Concepto 2, incorporando las lecciones aprendidas del enfoque de marco espacial. . Ese concepto consta de cuatro elementos:el panel exterior de Clase A, el interior de las puertas, un marco o panel interior y los elementos de moldura interior.

Interior de varios materiales, exterior de clase A

El equipo seleccionó materiales y procesos de fabricación para el diseño final de la puerta a mediados de 2018, con una congelación del diseño el 15 de enero de 2019; ha comenzado la fabricación de herramientas y la creación de prototipos. La Figura 2 muestra los detalles del marco interior de 1,2 mm de espesor y sus componentes (no se muestra el panel exterior de Clase A). “Beltline” se refiere a una línea de estilo formada por el borde inferior del vidrio de la ventana, donde se han colocado refuerzos para ayudar a sostener los paneles compuestos moldeados. Pilla señala que la viga anti-intrusión, para proteger a los pasajeros en el caso de un impacto lateral, tenía que permanecer en acero para mantener el peso total de la puerta más bajo; una viga compuesta con el mismo rendimiento habría sido demasiado pesada. Un elemento clave del diseño es el sistema de fijación para conectar el marco interior al panel exterior. Pilla explica:"El panel exterior de Clase A se colocará en la puerta al final de la línea de montaje, lo que permitirá a los asociados instalar fácilmente los componentes internos de la puerta de antemano y también evitará cualquier daño a la superficie de Clase A durante el montaje". Las características de ajuste a presión moldeadas en el marco interior son ajustables, para adaptarse a las tolerancias de fabricación en la dirección Y, agrega, mientras que los orificios ranurados para los sujetadores metálicos ayudan a compensar las tolerancias de fabricación en las direcciones X y Z, durante el montaje.

Para ayudar con la reducción de peso, el diseño actual de la puerta no tiene un panel de moldura interior convencional. En su lugar, se diseñaron algunas piezas moldeadas funcionales, incluido un bolsillo para mapas moldeado por inyección, un reposabrazos de madera natural moldeada en la parte posterior con plástico ABS y un acolchado de cuero laminado con espuma. Juntas, estas piezas pesan 1,34 kg, en comparación con el panel interior básico de 3,49 kg. Pilla dice que el equipo espera ahorrar más peso con la optimización del diseño.

Actualmente, se está realizando el análisis y la optimización FEA para modelar tanto los casos de carga estática como las cargas de choque dinámicas que la puerta compuesta tendrá que soportar. Los casos de carga estática por sí solos son abrumadores e incluyen el pandeo de la puerta, la rigidez de la línea de cintura, la rigidez del montaje del espejo, la rigidez del tirador de la manija de la puerta y más. La prueba de carga dinámica, dice Pilla, por ahora consiste en la prueba de poste cuasi-estática 214 del Estándar Federal de Seguridad de Vehículos Motorizados (FMVSS), en la que la puerta de un vehículo es aplastada hacia adentro por un poste (que no alcanza el techo y la carrocería) por 18 pulgadas. mientras se mantienen todos los requisitos de fuerza mínima:“Este caso es el menos intensivo en computación en comparación con las otras dos pruebas de choque [el 75 ° FMVSS 5 ^th Prueba de poste percentil femenino (AF5) y prueba del Instituto de Seguros para la Evaluación de Criterios de Impacto Lateral de Seguridad Vial (IIHS SICE)]. Esto nos permitirá realizar más experimentos de diseño y ciclos de optimización ”.

Gang Li añade:“La integración del proceso de fabricación de compuestos y las simulaciones de rendimiento estructural con algoritmos de optimización es intrigante y desafiante. Si bien el desafío radica en la complejidad del sistema y la escala de los cálculos involucrados, dicha integración fusiona los espacios de diseño de procesos de fabricación, materiales y estructurales y nos brinda más oportunidades para reducir el peso y mejorar el rendimiento ". Y, cumplir con este caso de carga de prueba de postes significa que la puerta está cerca de cumplir con los otros dos postes y pruebas de impacto lateral, agrega.

“Nuestras pruebas hasta ahora muestran que la puerta compuesta cumple fácilmente con los requisitos federales, pero el desempeño integral de nuestra puerta Acura de referencia es mucho más alto que esos requisitos”, dice Pilla. Los resultados de FEA hasta ahora muestran que la puerta de material compuesto ligero absorbe más energía que la puerta de referencia (23,59 kJ frente a 15,34 kJ), lo que Pilla atribuye a la capacidad de los materiales compuestos para absorber energía de deformación adicional después del límite de elasticidad inicial. Sin embargo, las simulaciones muestran que se pueden realizar mejoras, tanto en el refuerzo exterior de la línea de cintura como en la arquitectura de refuerzo del marco interior.

Con un año restante en el cronograma inicial del proyecto, el grupo está generando simulaciones de fabricación y enfoques de herramientas; la creación de un plan de producción en masa para la ampliación y los costos estimados de una línea de producción; y producir prototipos para pruebas de funcionamiento mecánico y de choque, pruebas de ajuste y acabado y envejecimiento acelerado.

Dice Pilla:“La puerta de material compuesto todavía no está logrando el objetivo, debido al grosor de los paneles, y no está completamente optimizada. Si bien somos mucho más livianos que la línea de base de acero, aún no hemos alcanzado nuestro objetivo de reducción de peso del 42,5%, pero somos optimistas de que podemos lograrlo ". Pronto estará listo un prototipo de puerta para pruebas funcionales y de ajuste. El equipo del proyecto cree que los materiales y tecnologías desarrollados para esta puerta pueden fácilmente escalarse a otros componentes automotrices (por ejemplo, piezas atornilladas y de carrocería en blanco), y el costo de infraestructura relativamente bajo de los procesos de materiales compuestos puede permitir nuevos OEM y proveedores para implementar estas tecnologías:una ventaja para los compuestos automotrices.