Primera puerta termoplástica abre camino para compuestos automotrices avanzados

Los OEM automotrices y Tier 1 lidian con la necesidad de reducir la masa del vehículo para cumplir objetivos de economía 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, problemas de diseño, procesamiento poco familiar y competencia de otros materiales continúan presentando obstáculos. Para superar estos, muchos proyectos investigan cómo los compuestos pueden integrarse en estructuras automotrices multi-material para máximo beneficio.

Un proyecto que aborda cómo los compuestos pueden reducir estructuras de cierre portantes está siendo conducido por el Centro de Compuestos de la Universidad de Clemson (Clemson, SC, EE. UU.), el Centro Internacional de Investigación Automotriz de la Universidad de Clemson (CU-ICAR) y Honda R&D Americas (Raymond, OH, EE. UU.), con apoyo del Centro de Materiales Compuestos de la Universidad de Delaware (CCM, Newark, DE, EE. UU.) y financiamiento 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 Dotado Jenkins de Ingeniería Automotriz y becario de la facultad en Clemson, es la pregunta de si los compuestos pueden permitir sistemas de cierre ultra-ligeros —puertas, capós, tapas de maletero— para complementar avances concurrentes en tecnología de tren motriz y mejor aerodinámica: "Dentro de la cartera de tecnología para aligeramiento, gran parte de la 'fruta al alcance' ya se ha implementado —por ejemplo, reducción de motor. Creemos que hay potencial para ganancias de eficiencia en el área de sistemas de cierre estructurales portantes a un punto de precio razonable".

Colaboración y trabajo en equipo son 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 avanzar la ciencia y la ingeniería en muchos temas, incluyendo cumplir estándares de emisiones automotrices. La solicitud de propuesta pedía diseño y desarrollo de una puerta de auto que ofreciera 42.5% reducción de peso sobre una puerta OEM estándar, manteniendo rendimiento de choque similar, durabilidad y rendimiento de uso/mal uso, y rendimiento similar de ruido, vibración y dureza (NVH). Y, sin importar cómo se diseñara la puerta ligera, tenía que usar sistemas de materiales comercialmente disponibles y escalar a volúmenes de producción de al menos 20,000 vehículos por año.

Honda se unió como asesor OEM del proyecto de investigación porque el proyecto se alineaba con "nuestra visión de crear finalmente una sociedad libre de emisiones", dice Skye Malcolm, ingeniero principal, Planificación Avanzada y Verificación de Fundamentos de Desarrollo de Vehículos en Honda R&D Americas. Honda también añadió sus propias restricciones al proyecto, agrega: "El diseño de puerta a desarrollar por el equipo debe usar la misma geometría de sellado, tener todo el mismo equipo funcional que la puerta base, proporcionar un acabado Clase A indistinguible de la base y cumplir requisitos de durabilidad y envejecimiento de Honda". El equipo ha traído una meta adicional de que la puerta sea 100% reciclable. Quizás lo más importante, el DOE mandató un costo máximo permitido por libra de peso ahorrado (sobre la puerta base) de $5. Esto significaba que para una puerta típica de Acura MDX pesando 31.8 kg, una reducción de peso del 42.5% traería el peso objetivo total a 18.3 kg, lo que (a $5/lb de peso ahorrado) significaba que la puerta compuesta solo podría añadir $150 al costo de la puerta.

Apoyando a Pilla en el proyecto hay varios estudiantes de pregrado y posgrado, Dr. Gang Li, profesor de mecánica de ingeniería en Clemson, y Drs. Bazle Haque y Shridhar Yarlagadda del CCM de la Universidad de Delaware, expertos en compuestos multi-material. Yarlagadda, co-investigador principal del proyecto, señala: "Honda ha sido parte integral de nuestro esfuerzo y ha proporcionado un nivel excepcional de colaboración y compromiso con nuestro programa, incluyendo soporte de computación HPC y acceso a ingenieros de Honda en todo el espectro. Diseño, fabricación e 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, añade Pilla: "La simple sustitución de material no era una solución. Tuvimos que mirar un enfoque de sistemas, y Honda nos ayudó a entender todos los elementos del sistema de puerta hasta el nivel de componente. De hecho, su asociación e involucramiento es inigualable".

Diseñando una nueva puerta

El análisis inicial incluyó benchmarking de otros esfuerzos OEM en cierres ligeros para modelos de mercado limitado, incluyendo el marco de puerta de aluminio de Audi para su modelo A8, el marco de puerta de magnesio del Porsche Panamera y el marco de puerta de termofijo reforzado con fibra de carbono del BMW i8. Ninguno de estos enfoques OEM previos, sin embargo, cumplía las metas de costo o peso de este proyecto. Dice Pilla: "Quería ser parte de algo que beneficiara el futuro, que contribuyera a una economía circular. Una puerta termoplástica no se había intentado antes, y sería reciclable". Al compararse con otros materiales candidatos, incluyendo compuestos termoestables, aluminio y acero, los termoplásticos ofrecían no solo reciclabilidad sino muy alto potencial para aligeramiento y velocidades de procesamiento rápidas (comparado con termoestables) para cumplir metas de producción.

Con la puerta Acura MDX original como 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 aligeramiento, 60%, vendría del marco de puerta metálico, que el equipo pretendía reducir desde un peso base de 15.4 kg hasta el peso objetivo de 6.2 kg. Aunque no había oportunidad de reducir peso en los componentes internos y electrónicos de la puerta (altavoz de radio, servo para subir/bajar ventana, cerradura de puerta, etc.), el equipo determinó que el peso del vidrio de la ventana podría reducirse en 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 acabado en la superficie interior de la puerta podría reducirse en 30%, o incluso eliminarse.

Las tareas principales del proyecto se ejecutaron concurrentemente durante los primeros dos años. Algunos miembros del equipo trabajaron en generación de datos de materiales, mientras que otros abordaron especificaciones de diseño de puerta. El grupo de datos de materiales generó datos de prueba de materiales para una variedad de termoplásticos —cintas de fibra continua, esteras, polímeros reforzados con fibra corta y larga y más— para determinar materiales candidatos para el marco interno y panel externo; los materiales fueron contribuidos por varios socios proveedores de la industria. Los datos se evaluaron mediante gráficos de araña, con resistencia general, resistencia al cizallamiento, costo permitido, densidad permitida, rigidez y tenacidad formando los ejes del gráfico.

Las mejores opciones de materiales tras la evaluación inicial de datos —cintas de fibra continua y pellets de termoplástico reforzado con fibra larga— se sometieron a modelado de materiales, explica Pilla: "Fue posible construir una matriz de rigidez ortotrópica simple para las cintas de fibra continua, basada en la ley de Hooke". Para el polímero reforzado con fibra larga, sin embargo, 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 final de la pieza como por el proceso de llenado del molde. Añade Pilla: "El modelado de estos materiales de fibra larga es difícil, porque no se ha hecho mucho en simulación". Para recopilar los datos necesarios, el equipo desarrolló un bucle de optimización de fabricación. Formas de pieza genéricas para el marco interno y panel externo de la puerta se generaron con el software de diseño 3D SolidWorks de Dassault Systèmes (Waltham, MA, EE. UU.); simulaciones de llenado de molde de esas formas se condujeron para determinar vectores de flujo de fundido con la ayuda del software Moldex3D de Moldex (Ciudad Chupei, Taiwán); dinámicas de flujo de fundido y colisión se analizaron para determinar orientación de fibra vía software Digimat de e-Xstream (Hautcharage, Luxemburgo, una empresa de Hexagon); y orientaciones de fibra mapeadas se usaron para generar una matriz de rigidez usando herramientas de análisis de elementos finitos (FEA), incluyendo tarjetas de materiales suministradas por la solución CAE HyperWorks de Altair Engineering Inc. (Troy, MI, EE. UU.). A medida que las formas de pieza se modificaban, y los materiales se probaban, el bucle de optimización se repetía múltiples veces.

Concurrentemente, otros miembros del equipo trabajaron en desarrollo real de conceptos de puerta, y eventualmente, simulaciones de utillaje y fabricación. Empezando con bocetos aproximados y selección de materiales de alto nivel, se creó una gama de diseños. Luego, modelos CAD aproximados se generaron, junto con simulaciones FEA iniciales para casos de carga estática simples. En el otoño de 2016, dice Pilla, se realizó un taller de diseño en CU-ICAR donde el equipo redujo las opciones de concepto de puerta a siete, para trabajo adicional. "Nuestra filosofía de diseño desde el inicio fue maximizar la integración funcional de piezas y materiales, minimizar conteo de piezas, maximizar efectividad de materiales utilizados a través de optimización y simplificar ensamblaje", dice Pilla.

En este punto, modelos CAD detallados se generaron y simulaciones FEA se realizaron para cada concepto para validar rendimiento estático en cumplimiento con los objetivos de Honda. Tomando en cuenta fabricabilidad e integración de subsistemas, Concepto 7 (enfoque de marco espacial) comenzó a converger hacia Concepto 2 (marco estructural de una pieza), así que el equipo decidió continuar con Concepto 2, incorporando lecciones aprendidas del enfoque de marco espacial. Ese concepto consiste en cuatro elementos: el panel externo Clase A, los internos de la puerta, un marco o panel interno, y los elementos de acabado interior.

Interno multi-material, externo Clase A

El equipo seleccionó materiales y procesos de fabricación para el diseño final de puerta a mediados de 2018, con congelamiento de diseño el 15 de enero de 2019; la fabricación de utillaje y prototipado ha comenzado. La Figura 2 muestra los detalles para el marco interno de 1.2 mm de espesor y sus componentes (el panel externo Clase A no se muestra). "Línea de cintura" 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 soportar los paneles compuestos moldeados. Pilla señala que la viga anti-intrusión, para protección de pasajeros en caso de impacto lateral, tuvo 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 sujeción para conectar el marco interno al panel externo. Pilla explica: "El panel externo Clase A se unirá a la puerta al final de la línea de ensamblaje, lo que permitirá a los asociados instalar fácilmente los internos de la puerta antes, y también prevenir cualquier daño a la superficie Clase A durante el ensamblaje". Características de encaje a presión moldeadas en el marco interno son ajustables, para acomodar tolerancias de fabricación en la dirección Y, añade, mientras que agujeros ranurados para sujetadores metálicos ayudan a compensar tolerancias de fabricación en las direcciones X y Z, durante el ensamblaje.

Para ayudar con la reducción de peso, el diseño actual de puerta no tiene panel de acabado interior convencional. En su lugar, se diseñaron unas pocas piezas moldeadas funcionales, incluyendo un bolsillo para mapa moldeado por inyección, un apoyabrazos de madera natural tras-moldeado con plástico ABS, y algo de acolchado de cuero laminado con espuma. Juntas, estas piezas pesan 1.34 kg, comparado con el panel interior base a 3.49 kg. Pilla dice que el equipo espera ahorrar más peso con optimización de diseño.

Actualmente, análisis FEA y optimización está en marcha, para modelar tanto casos de carga estática como cargas de choque dinámicas que la puerta compuesta tendrá que soportar. Los casos de carga estática solos son abrumadores, e incluyen hundimiento de puerta, rigidez de línea de cintura, rigidez de montaje de espejo, rigidez de tirón de manija de puerta y más. Las pruebas de carga dinámica, dice Pilla, por ahora consisten en la prueba cuasi-estática de poste del Estándar Federal de Seguridad de Vehículos Motorizados (FMVSS) 214, en la que una puerta de vehículo es aplastada hacia adentro por un poste (que falla el techo y la carrocería) por 18 pulgadas mientras se mantienen todos los requisitos mínimos de fuerza: "Este caso es el menos intensivo computacionalmente en comparación con los otros dos tests de choque [el test de poste FMVSS 5.º Percentil Femenino (AF5) a 75° y la Evaluación de Criterios de Impacto Lateral del Instituto de Seguros para Seguridad en Carreteras (IIHS SICE)]. Esto nos permitirá conducir más experimentos de diseño y bucles de optimización".

Añade Gang Li: "La integración del proceso de fabricación de compuestos y simulaciones de rendimiento estructural con algoritmos de optimización es tanto intrigante como desafiante. Mientras el desafío yace en la complejidad del sistema y la escala de computaciones involucradas, tal integración fusiona los espacios de diseño estructural, material y de proceso de fabricación juntos y nos proporciona más oportunidades para aligeramiento y rendimiento mejorado". Y, cumplir este caso de carga de poste significa que la puerta está cerca de cumplir los otros dos tests de poste e impacto lateral, agrega.

"Nuestras pruebas hasta ahora muestran que la puerta compuesta cumple fácilmente los requisitos federales, pero el rendimiento integral de nuestra puerta base Acura es mucho más alto que esos requisitos", dice Pilla. Resultados FEA hasta ahora muestran que la puerta compuesta ligera absorbe más energía que la puerta base (23.59 kJ vs. 15.34 kJ) lo que Pilla atribuye a la capacidad de los compuestos para absorber energía deformacional adicional después del punto de cedencia inicial. Pero, las simulaciones muestran que se pueden hacer mejoras, tanto en el refuerzo externo de línea de cintura como en la arquitectura de refuerzo del marco interno.

Con un año restante en la línea de tiempo inicial del proyecto, el grupo está generando simulaciones de fabricación y enfoques de utillaje; creando un plan de producción en masa para escalado y costos estimados de una línea de producción; y produciendo prototipo(s) para pruebas de choque y rendimiento mecánico, pruebas de ajuste y acabado, y envejecimiento acelerado.

Dice Pilla, "La puerta compuesta aún no alcanza el objetivo, debido a los espesores de los paneles, y no está completamente optimizada. Aunque somos mucho más ligeros que la base de acero, aún no hemos cumplido nuestra meta de reducción de peso del 42.5%, pero somos optimistas de que podemos lograrlo". Una puerta prototipo para pruebas de ajuste y funcionales estará lista pronto. El equipo del proyecto cree que los materiales y tecnologías desarrollados para esta puerta pueden escalar fácilmente a otros componentes automotrices (por ejemplo, piezas atornilladas y carrocería en blanco), y el costo de infraestructura relativamente bajo de los procesos de compuestos puede permitir a nuevos OEMs y proveedores implementar estas tecnologías —una victoria para compuestos automotrices.