Nuevo proceso de moldeo por compresión combina cintas continuas y D-LFT para carrocerías ligeras de vehículos eléctricos

Un programa de investigación plurianual financiado con fondos públicos, supervisado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF) y denominado Sistema Integrado de Diseño Ligero Multimaterial para Movilidad Eléctrica (SMiLE), combinó compuestos y metales no ferrosos para reducir masa y costes en toda la estructura body-in-white (BIW) de un vehículo eléctrico de baterías (BEV). El módulo del suelo trasero se diseñó usando dos tipos de compuestos termoplásticos más perfiles e inserciones metálicas.

Cinta UD + D-LFT

El suelo trasero híbrido utiliza cintas termoplásticas unidireccionales (UD) más compuestos termoplásticos de fibra larga directa (D-LFT). Las cintas termoplásticas aportan alta rigidez/resistencia en una estructura delgada y ligera capaz de resistir altas cargas de pandeo en choque; el D-LFT proporciona capacidad para formar geometrías complejas, integración funcional/consolidación de piezas y capacidad para insertar características de fijación metálicas. Se utilizaron Ultramid B3K poliamida 6 (PA6) D-LFT con 40% en peso de refuerzo de fibra de vidrio y ocho capas de Ultratape B3WG12 PA6 con 60% de carga de fibra de vidrio, ambos de BASF SE (Ludwigshafen, Alemania).

Aunque el D-LFT puede moldearse por inyección o compresión, y los laminados de cinta pueden sobremoldearse por inyección, ambos materiales se moldean comúnmente por compresión —un proceso automotriz bien conocido con capacidad instalada suficiente local y globalmente para soportar el objetivo del programa SMiLE de 300 vehículos/día.

Enfoques convencionales y sus limitaciones

Las cintas UD y D-LFT a menudo se combinan en la misma pieza de dos formas: o se añaden cintas selectivamente a trayectorias de carga en estructuras predominantemente D-LFT que necesitan mejores propiedades mecánicas —técnica llamada D-LFT a medida, que también puede usar rovings de fibra continua en lugar de o en combinación con cintas— o se usan cintas y D-LFT para cubrir lados opuestos de una pieza. En la primera técnica, es fácil que el D-LFT fluido desplace cintas finas durante el sobremoldeo, necesitando clips u otro hardware dentro del molde para mantener la posición de la cinta. Aunque es menos costoso usar cintas selectivamente en estructuras predominantemente D-LFT, estas piezas no son tan resistentes o ligeras como las que usan mayor proporción de cintas frente a D-LFT. Con la segunda técnica, aplicando cintas y D-LFT en lados opuestos, se logra mejor integración funcional/consolidación en el lado D-LFT y mayor rigidez/resistencia en el lado de cinta UD, pero la estructura resultante sigue siendo relativamente pesada y no tan rígida y resistente como podría ser.

Nuevo subproceso D-LFT/moldeo por compresión

Dada la naturaleza crítica para la seguridad de los suelos de vehículos, y el deseo de los investigadores de SMiLE de usar todo el suelo trasero termoplástico-compuesto para absorber energías de choque (no solo con perfiles metálicos montados en lados axiales de suelos convencionales totalmente metálicos o el nuevo suelo híbrido-compuesto), era importante hacer el suelo trasero lo más rígido y resistente posible. Como los investigadores necesitaban reducir tanto peso como coste para cumplir objetivos, querían mantener el suelo delgado evitando pandeo durante impacto, y también deseaban añadir funcionalidad en ubicaciones clave (p.ej., puntos de fijación para cinturones de segunda fila), desarrollaron un nuevo subproceso de D-LFT/moldeo por compresión donde la mayor parte del suelo era cinta termoplástica (preconsolidada en laminado antes del moldeo), con D-LFT aplicado selectivamente solo donde se necesitaban nervaduras y geometrías complejas, imposibles de formar solo con laminados de cinta.

El equipo también decidió intentar producir el suelo trasero de 1,3 x 1,3 m en un solo paso dentro de la prensa de moldeo por compresión. Para lograr todos estos objetivos, el equipo necesitó una combinación de utillaje innovador y un proceso de conformado secuencial.

LFT avanzado adaptado localmente

El diseño final del suelo trasero es una estructura near-net-shape de pared delgada producida mediante cintas UD preconsolidadas en laminado. Se incluyen grandes corrugaciones a lo largo del eje longitudinal de la pieza para alta resistencia a baja masa y espesor. Sin embargo, los investigadores sabían que estas corrugaciones serían difíciles de moldear en el laminado grande. Para asegurar buen drapeado, se usó simulación para diseñar el molde verificando conformado reproducible de las corrugaciones (50 mm alto x 115 mm ancho) y minimizar arrugas. Si fallaban y las corrugaciones no se moldeaban correctamente, el laminado podría arrugarse o desplazarse fuera de plano, y la resistencia de unión con el D-LFT sería pobre. El prototipado virtual predijo que la mejor secuencia de conformado era desde el interior/centro hacia los lados, similar a lo que se hace típicamente con colocación manual. La única forma en que un proceso de conformado secuencial podía hacerse en un solo paso de moldeo (donde el laminado no se preformaba fuera de la prensa principal) era usar acción de utillaje (deslizadores).

Los deslizadores son comunes en utillajes de inyección muy complejos. Aunque no son desconocidos en moldeo por compresión, son menos comunes y tienden a ser mucho menos complejos cuando se usan. Los investigadores diseñaron el molde con seis cavidades desplazables (usando cuatro deslizadores) para formar corrugaciones y otras estructuras en el laminado, en lugar de solo sobremoldearlas en D-LFT, lo que habría añadido masa y espesor significativos a la pieza.

Trabajos anteriores sobre resistencia interfacial en uniones laminado/nervaduras D-LFT habían mostrado que se lograba resistencia de unión superior si, antes del sobremoldeo, el laminado mantenía temperatura de al menos 130°C —por debajo del punto de fusión de la matriz PA6— y el D-LFT se entregaba al molde a 280°C, por encima del punto de fusión del PA6. Para evitar que el laminado se enfriara demasiado rápido contra el molde antes de colocar las cargas de D-LFT, los investigadores lo colocaron sobre pines eyectores totalmente extendidos en el lado de la cavidad del molde. Al entregarse dos cargas de D-LFT, los pines eyectores bajaban y el molde empezaba a cerrarse. Luego, los cuatro deslizadores —tres operados por el sistema hidráulico de la máquina, el cuarto por acción de muelle— se extendían en secuencia para formar el laminado, incluidas sus profundas corrugaciones. Una vez la prensa totalmente cerrada, las estructuras de nervaduras D-LFT (en una compleja red en forma de X) se formaban. Los investigadores llamaron a esta técnica de conformado secuencial LFT avanzado adaptado localmente.

En otra desviación del diseño convencional de molde de compresión, el molde se construyó con bordes de corte solo en secciones donde el D-LFT fluía hacia un borde de la pieza para moldear cargas selectas de D-LFT fluido contra el laminado de cinta no fluido que constituía la mayor parte de la estructura.

Tecnología de consolidación al vacío inducida por radiación

Un paso importante del proceso para asegurar comportamiento de conformado reproducible y alto rendimiento mecánico en la pieza final es la consolidación de cintas. Al calentar rápidamente pilas de cintas termoplásticas justo antes del conformado, se eliminan vacíos dentro y entre capas y se logra excelente consolidación/impregnación de fibra. Para evitar que este sea el paso limitante de velocidad, el proceso se igualó a la velocidad de colocación automática de cintas termoplásticas —se usó una máquina colocadora de cintas Fiberforge RELAY de Dieffenbacher GmbH (Eppingen, Alemania)— así como a ciclos de moldeo en la prensa de compresión, una prensa Compress Plus DCP-G 3600/3200 AS de 3.600 toneladas, también de Dieffenbacher, usada para formar el suelo trasero.

Antes de SMiLE, el Instituto Fraunhofer de Tecnología Química (F-ICT, Pfitztal, Alemania) —que lideró el desarrollo de suelos delantero y trasero en el programa SMiLE mayor, y también ayudó a desarrollar el proceso de moldeo secuencial LFT avanzado adaptado localmente con otros socios del programa— había desarrollado un proceso innovador llamado tecnología de consolidación al vacío inducida por radiación para consolidar rápidamente pilas de cintas UD en laminados que se aplicó posteriormente para producir el suelo trasero termoplástico. Dieffenbacher ha comercializado desde entonces con una máquina llamada Fibercon. El proceso fue diseñado para curar defectos de impregnación en cintas, permitiendo usar cintas menos costosas mientras se minimizan vacíos en piezas finales. Implica aplicar grandes cantidades de calor infrarrojo (IR) a las capas superior e inferior de la pila de capas (la transmisión es a través de placas de vidrio transparentes al IR sobre las que descansa la pila) mientras se mantiene toda la pila bajo vacío. Esto elimina aire, fluye la resina y rellena huecos en y entre cintas. El calor solo se aplica por corta duración, permitiendo que las cintas se unan y solidifiquen rápidamente sin mover la pila de su sitio. También fue diseñado para consolidación rápida y homogénea de la pila en laminado con propiedades altas y consistentes, haciendo el comportamiento de conformado reproducible y más fácil de simular, y asegurando altas propiedades mecánicas en la pieza final. Otra preocupación era cómo mantener calor en el laminado consolidado en ruta a la prensa, para asegurar buenas propiedades de moldeo sin desperdiciar energía recalentando el laminado antes del conformado. Una vez consolidado, el laminado ya fusionado se recalienta rápidamente antes de ser retirado de la máquina y movido velozmente a la prensa para conformado.

Secuencia final del proceso

La secuencia final del proceso para el suelo trasero tuvo lugar en cuatro equipos, tres de los cuales operan simultáneamente en la celda de trabajo.

Primero, las cintas se colocaron automáticamente usando orientaciones determinadas por simulación mediante un sistema colocador de cintas Fiberforge RELAY. Una mesa indexadora facilita colocar cinta en virtualmente cualquier orientación en cada capa de la pila. Cintas individuales en cada capa se tackean ligeramente a la capa inferior mediante soldadura por puntos, y la capa inferior se mantiene en su lugar durante la colocación mediante vacío. Como la cinta se corta individualmente para cada pieza de cada capa, hay desperdicio mínimo y se necesita recorte post-moldeo mínimo. El sistema también puede colocar agujeros/ventanas en la pila recortando bordes de cinta antes del tackeo, reduciendo recorte post-moldeo y reduciendo aún más desperdicio y costes.

Luego, la pila se movió de la máquina Fiberforge RELAY a la máquina Fibercon y se colocó entre las placas de vidrio de esta unidad. Al cerrarse la unidad, se aplicaba vacío a la pila y se proyectaba calor IR por corto tiempo a través de las placas superior e inferior, calentando rápidamente la matriz PA6 por encima de su punto de fusión (~230°C), fluyendo resina y eliminando vacíos. El laminado se enfriaba luego por debajo de la temperatura de cristalización de la resina (~180°C), consolidando cintas individuales en un solo laminado.

En la prensa de compresión ahora abierta, que acababa de eyectar su pieza anterior, los pines eyectores quedaron extendidos y los investigadores cargaron manualmente dos perfiles de aluminio y varias inserciones metálicas en el lado superior/núcleo del molde mientras esperaban la siguiente ronda de materiales.

El laminado aún caliente en la Fibercon se recalentaba nuevamente por encima del punto de fusión del PA6, la unidad se abría y el laminado se transfería a la prensa de compresión abierta. Como el aire es peor conductor térmico que el acero, el laminado se colocaba entonces sobre pines eyectores totalmente extendidos en el lado de la cavidad del molde para ayudar a retener calor en el laminado antes de la llegada de las cargas de D-LFT.

Mientras las cintas se colocaban y consolidaban, el material D-LFT cercano se compondía usando dos extrusoras (el sistema In-Line Compounder de Dieffenbacher). La primera extrusora combinaba resina y aditivos mientras la segunda picaba fibra a longitud deseada y luego combinaba resina/aditivos con fibra para producir cargas de D-LFT caliente totalmente mezcladas y pre-pesadas que luego se entregaban a la prensa de compresión. En el caso del suelo, dos cargas de D-LFT se colocaban sobre el laminado mientras este bajaba al molde al retraerse los pines eyectores.

Con las cargas de D-LFT más calientes sobre el laminado más frío, la prensa empezaba a cerrarse mientras los cuatro deslizadores se desplegaban en secuencia para pre-formar el laminado antes del cierre total del molde. La aplicación secuencial de los deslizadores evitaba arrugas en el laminado mientras se formaban características 3D, incluidas corrugaciones. Una vez cerrado el utillaje superior, el laminado de cinta estaba totalmente formado y las cargas de D-LFT calientes se moldeaban a 1.430 MT en estructuras de nervaduras en red X. La pieza completa, con inserciones metálicas totalmente integradas, se eyectaba luego al abrir la prensa.

En entorno de producción, toda la manipulación de materiales se haría usando robots pórtico equipados con pinzas de aguja, pero para el programa de investigación SMiLE se hizo a mano. Para el programa de investigación, el ciclo total de moldeo fue de 240 segundos, ralentizado por moldear las gruesas nervaduras del suelo. Los investigadores creen que en entorno de producción podrían lograr tiempos de ciclo por debajo de 100 segundos con más modificaciones de utillaje, y reducirlos aún más si el laminado se preformaba antes de colocarlo en la prensa.