Termoplásticos híbridos mejoran resistencia al impacto del suelo de carga en diseño automotriz

Un ambicioso programa plurianual del consorcio alemán System Integrated Multi-Material Lightweight Design for E-mobility (SMiLE) ha desarrollado un módulo demostrador de suelo de carga automotriz que forma parte de una estructura body-in-white (BIW) híbrida mayor y muestra gran promesa para el uso de compuestos y metales no ferrosos en entorno de producción de volumen medio. El suelo trasero de este vehículo eléctrico de baterías (BEV) consta de dos tipos de compuesto termoplástico, más perfiles e inserciones metálicas. Funciona como suelo del maletero y compartimento trasero de pasajeros. A su vez, se une adhesiva y mecánicamente a un segundo suelo de carga híbrido/termofijo, moldeado por transferencia de resina (RTM) con fibra de carbono y epoxi reforzado con inserciones metálicas y estructuras sándwich locales con núcleos de espuma de poliuretano. Esta estructura es el suelo de la mitad frontal del vehículo y alberga sus baterías. El módulo completo de suelo de carga se une por adhesión y atornillado a largueros/raíles laterales de aluminio, que a su vez se atornillan a travesaños en el monocasco de aluminio del vehículo. El demostrador completo del módulo de suelo de carga fue diseñado para reducir masa y proporcionar absorción significativa de energía de choque para un vehículo de serie con volúmenes de 300 coches/día.

Decisiones de diseño

Miembros del consorcio que trabajaron en el suelo trasero incluyeron a los fabricantes Audi AG (Ingolstadt, Alemania —también líder de todo el programa SMiLE) y Volkswagen AG (Wolfsburg, Alemania), propietaria de Audi; Instituto de Tecnología de Vehículos del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT-FAST, Karlsruhe, Alemania); Instituto Fraunhofer de Tecnología Química (F-ICT, Pfitztal, Alemania, líder de ambos proyectos de suelos delantero y trasero), e Instituto Fraunhofer de Mecánica de Materiales (F-IWM, Freiburg, Alemania); proveedor de compuestos termoplásticos BASF SE (Ludwigshafen, Alemania); OEM de maquinaria Dieffenbacher GmbH Maschinen- und Anlagenbau (Eppingen, Alemania), y fabricante de utillajes/moldeador Frimo Group GmbH (Lotte, Alemania).

Se decidió producir el suelo trasero usando compuestos termoplásticos con inserciones metálicas. El equipo quería añadir características de maletero y estructuras de fijación para cinturones de segunda fila, pero también querían usar el suelo para absorber energías de choque significativas. Normalmente, los fabricantes dependen principalmente de perfiles metálicos en los lados de suelos metálicos para gestionar energías de choque trasero en vehículos de pasajeros. Sin embargo, dada la resistencia al impacto de los compuestos termoplásticos, los investigadores se preguntaron si todo el ancho y largo de un suelo compuesto podría usarse para gestionar cargas de choque. También se preguntaron si se podían absorber energías de choque mayores.

Los investigadores revisaron compuestos termoplásticos automotrices comunes. Se consideraron matrices de polipropileno (PP) y poliamida 6 (PA6) pero el PP se descartó por razones de temperatura ya que el suelo trasero viaja con el BIW por el proceso de recubrimiento electroforético (e-coat) de prevención de óxido a alta temperatura. Se necesitaba refuerzo de fibra continua para lograr la máxima rigidez y resistencia, por lo que el trabajo previo se centró en organosheet reforzado con tejido (una forma de compuesto termoplástico con esterilla de vidrio GMT) y cintas preimpregnadas termoplásticas unidireccionales (UD). Por muchas razones, se seleccionaron cintas para prototipado adicional.

Los investigadores sabían que la geometría del suelo trasero sería compleja. El uso de máquinas de colocación automática de cintas (ATL) —que colocan cintas UD en cualquier orientación y hacen ventanas/agujeros con menos material que organosheet— reduciría desperdicio, masa y coste, y permitiría el uso más eficiente de fibras local y globalmente en la pieza. Además, como las fibras colocadas vía ATL yacen planas y paralelas en cada capa de la pila y no están tejidas como tejidos, no hay ondulación y consecuente pérdida de rigidez y resistencia.

Las cintas UD tienen limitaciones, sin embargo: son relativamente costosas y tienen mala drapeabilidad con casi nula fluidez, dificultando rellenar geometrías complejas. Estos problemas se superaron usando selectivamente compuestos termoplásticos de fibra larga directa discontinuos/picados (D-LFT), que son fluidos, permiten altos niveles de integración funcional/consolidación de piezas y son mucho más fáciles de formar en nervaduras complejas sin puenteo de fibra, pero pueden absorber energía de choque significativa. Con D-LFT, también es más fácil insertar fijaciones metálicas, especialmente si las inserciones están pre-taladradas para que los agujeros permitan al compuesto fluir a través y alrededor del metal, creando unión fuerte por interlocking mecánico. Además, el D-LFT es menos costoso que cintas u organosheet y mucho más fácil de moldear en secciones gruesas. Compuesto al lado de la prensa, el D-LFT simplifica la gestión de inventario de materiales y ofrece alta flexibilidad en programas de desarrollo para cambiar rápidamente características de material —longitud y tipo de fibra, fracción de volumen de fibra (FVF) y matriz— a medida que se fabrican y evalúan piezas. Durante producción, los ajustes de material/proceso son controlables para lograr altos niveles de repetitividad y reproducibilidad (R&R), por lo que la automoción ha usado el proceso para producción de volumen medio-alto por casi dos décadas.

Como los investigadores querían mantener el suelo trasero delgado y ligero y capaz de resistir pandeo mientras absorbía altas cargas de impacto, realizaron simulaciones y desarrollo inicial mediante pruebas de piezas pequeñas con cintas y D-LFT reforzados con fibra de vidrio y carbono a diferentes fracciones de peso de fibra (FWF) para evaluar rendimiento mecánico vs. comportamiento de llenado. Aunque los compuestos de carbono producían estructuras más delgadas, ligeras y rígidas que los de vidrio, como el coste también era preocupación y el suelo delantero ya usaba refuerzo de fibra de carbono, los investigadores seleccionaron vidrio para reforzar el suelo trasero durante la escala a piezas a tamaño real. Se usaron Ultramid B3K PA6 D-LFT con 40% en peso de fibra de vidrio y ocho capas de Ultratape B3WG12 PA6 con 60% de fibra de vidrio, ambos de BASF.

Tras mucho trabajo de simulación, el diseño final del suelo trasero de 1,3 x 1,3 m comprende una estructura near-net-shape de pared delgada producida a partir de cintas UD preconsolidadas en laminado entrelazado con una zona de aplastamiento D-LFT más gruesa (ver Fig. 2). Grandes corrugaciones, también hechas de cinta UD, con canales profundos (50 mm alto x 115 mm ancho) se moldearon a lo largo del eje longitudinal de la pieza para alta rigidez a baja masa y espesor. Además, se formaron dos ventanas durante la colocación de cintas para permitir al D-LFT penetrar a través del laminado donde se necesitaba. Como las corrugaciones profundas son difíciles de formar en laminados grandes, fue necesario modificar tanto proceso de moldeo como molde para producir buenas piezas (ver "Cómo la investigación en un módulo de suelo automotriz impulsó el desarrollo de un nuevo subproceso D-LFT/moldeo por compresión"). Estas corrugaciones, en combinación con dos cargas de D-LFT que formaban nervaduras complejas en estructuras de red en X, generan un alto momento de inercia para el área, aumentando la rigidez de la pieza en el diseño delgado y ligero mientras evitan pandeo en choque. Las redes D-LFT en la parte trasera de la pieza formaban una zona de aplastamiento para absorber energía en choques traseros. Perfiles de aluminio se moldeaban integralmente en lados axiales del suelo y se unían a D-LFT y laminado mediante tratamientos superficiales especiales y agujeros que proporcionan interlocking. Estos perfiles se diseñaron cuidadosamente para aumentar aún más la rigidez de la pieza, proporcionar buen comportamiento al pandeo y transferir fuerza a la zona de aplastamiento D-LFT durante un choque. También proporcionan puntos de fijación para montaje directo del suelo trasero a estructuras metálicas circundantes. Inserciones metálicas adicionales, también moldeadas integralmente en la estructura, proporcionaban montaje directo para cerraduras de cinturón.

Implementación exitosa

El trabajo de simulación así como pruebas de piezas pequeñas y grandes verificaron que todo el suelo trasero híbrido podía usarse para gestionar cargas de choque. Evaluaciones adicionales revelaron que esta tecnología debería ser tan segura como estructuras metálicas convencionales.

Uno de los objetivos mayores del proyecto —reducir masa total del BIW a 200 kg— se cumplió teóricamente durante simulación y desarrollo de piezas pequeñas. Sin embargo, a medida que el proyecto evolucionaba, se deseaba mejor rendimiento en choque, lo que requería añadir masa a estructuras compuestas. Además, consideraciones de coste llevaron a cambiar de fibra de carbono a fibra de vidrio para el suelo trasero. El suelo trasero resultante con inserciones pesa 32,9 kg, mientras el suelo delantero (con inserciones pero sin baterías) pesa 12,1 kg. Para piezas de prueba finales, el objetivo de masa se falló solo por 4,3% para lograr mayor seguridad y menores costes. El BIW SMiLE también sería más costoso que sistemas metálicos convencionales debido al uso intensivo de refuerzo de fibra de carbono en el suelo delantero.

El proyecto del suelo trasero llevó al desarrollo por F-ICT de un subproceso D-LFT/compresión llamado LFT avanzado adaptado localmente, que aplica selectivamente material D-LFT a estructuras mayormente de cinta UD para producir geometrías complejas localmente (como nervaduras) que no pueden hacerse con cintas. Otra tecnología de F-ICT desarrollada antes de SMiLE pero usada en el proyecto es un método para calentar y consolidar rápidamente cintas termoplásticas mediante consolidación al vacío inducida por radiación, tecnología ahora disponible comercialmente de Dieffenbacher en una máquina llamada Fibercon.

Notablemente, el proceso experimental y el utillaje altamente complejo producido por Frimo funcionaron desde el inicio y se produjeron más de 100 piezas demostradoras para pruebas y demostración posteriores. Aunque el equipo diseñó el proceso de moldeo para hacerse en un solo paso, el Dr.-Ing. Sebastian Baumgärtner, líder de equipo de F-ICT para procesamiento termoplástico y líder del proyecto de suelo trasero, cree que en entorno de producción sería más eficiente formar esta pieza compleja en dos pasos, con preformado del laminado en un utillaje separado. "Optamos por intentar primero el proceso de un paso más difícil y funcionó bien", explica Baumgärtner. "Sin embargo, el utillaje era muy complejo y el control de proceso no era tan fácil. Si el laminado se calentaba demasiado en puntos, tenía una interacción muy fuerte con los hilos de LFT. Para asegurar buena repetitividad durante producción, sería mejor simplificar y elegir un proceso de dos pasos, que sería más robusto." Aun así, dado el gran tamaño de esta pieza compuesta y el proceso complejo usado para formarla, el equipo estaba muy satisfecho con los resultados finales. "Demostramos que podíamos producir una pieza innovadora y económica optimizada en peso y rendimiento y con alta integración funcional usando tecnología comercial", añade.

El suelo de carga completo ganó el Premio de Innovación CCE-JEC 2018 en China y el gobierno alemán reconoció el programa SMiLE mayor como proyecto Faro, significando que la tecnología será importante para uso en diseño de movilidad futura. El equipo está en conversaciones sobre próximos pasos.