Los termoplásticos híbridos brindan resistencia al impacto en el piso de carga

Un ambicioso programa plurianual del consorcio de diseño ligero multimaterial integrado para movilidad eléctrica (SMiLE) de Alemania ha desarrollado un módulo de piso de carga automotriz de demostración que es parte de una estructura híbrida de carrocería en blanco (BIW) más grande y que muestra gran promesa para el uso de compuestos y metales no ferrosos en un entorno de producción de volumen medio. El piso de carga trasero de este vehículo eléctrico de batería (BEV) está compuesto por dos tipos de compuestos termoplásticos, además de perfiles e inserciones metálicas. Funciona como el suelo del maletero y del habitáculo trasero. A su vez, se une adhesiva y mecánicamente a un segundo piso de carga compuesto híbrido / termoestable, que está moldeado por transferencia de resina (RTM'd) de epoxi reforzado con fibra de carbono con inserciones metálicas y estructuras locales tipo sándwich que contienen núcleos de espuma de poliuretano. Esta estructura es el piso de la mitad delantera del vehículo y contiene sus baterías. El módulo completo del piso de carga está adherido y atornillado a balancines / rieles laterales de aluminio, que a su vez están atornillados a las vigas transversales del monocasco de aluminio del vehículo. Todo el demostrador del módulo del piso de carga se diseñó para reducir la masa y proporcionar una absorción de energía de impacto significativa para un vehículo de producción en serie con volúmenes de fabricación de 300 automóviles / día.

Decisiones de diseño

Los miembros del consorcio que trabajaron en el piso de carga trasero incluyeron a los fabricantes de automóviles Audi AG (Ingolstadt, Alemania, también líder de todo el programa SMiLE) y al propietario de Audi Volkswagen AG (Wolfsburg, Alemania); Instituto de Tecnología de Sistemas de Vehículos del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT- FAST, Karlsruhe, Alemania); Instituto Fraunhofer de Tecnología Química (F-ICT, Pfitztal, Alemania, líder en proyectos de pisos de carga delanteros y traseros) e Instituto Fraunhofer de Mecánica de Materiales (F-IWM, Freiburg, Alemania); el proveedor de compuestos termoplásticos BASF SE (Ludwigshafen, Alemania); OEM de maquinaria Dieffenbacher GmbH Maschinen- und Anlagenbau (Eppingen, Alemania), y fabricante / moldeador de herramientas Frimo Group GmbH (Lotte, Alemania).

Se tomó la decisión de realizar el piso de carga trasero utilizando composites termoplásticos con inserciones metálicas. El equipo quería agregar características de maletero y estructuras de sujeción de cinturones de seguridad en la segunda fila, pero también querían usar el piso de carga para absorber las energías significativas del choque. Normalmente, los fabricantes de automóviles se basan principalmente en perfiles metálicos en los lados de los pisos de carga metálicos para administrar las energías de choque trasero en los 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 piso de carga compuesto podría usarse para manejar cargas de choque. También se preguntaron si podrían absorberse energías de choque más altas.

Los investigadores revisaron compuestos termoplásticos automotrices comunes. Se consideraron las matrices de polipropileno (PP) y poliamida 6 (PA6), pero el PP se eliminó por razones de temperatura ya que el piso de carga trasero viaja con el BIW a través del proceso de prevención de oxidación del revestimiento electroforético de alta temperatura (e-coat). Se necesitaba un refuerzo continuo de fibra para lograr la mayor rigidez y resistencia, por lo que el trabajo previo al ensayo se centró en láminas orgánicas reforzadas con tela (una forma de compuesto termoplástico de esterilla de vidrio (GMT)) y prepregtapes termoplásticos unidireccionales (UD). Por muchas razones, se seleccionaron cintas para realizar más prototipos.

Los investigadores sabían que la geometría del piso de carga trasero sería compleja. El uso de máquinas de colocación de cinta automatizada (ATL), que colocan las cintas UD en cualquier orientación y hacen ventanas / orificios con menos material que la lámina orgánica, reduciría los desechos, la masa y el costo, y permitiría el uso más eficiente de fibras a nivel local y mundial en todo el territorio. parte. Además, dado que las fibras colocadas a través de ATL se encuentran planas y paralelas en cada capa de la pila de capas y no están tejidas como telas, no hay ondulación y la consiguiente pérdida de rigidez y resistencia.

Sin embargo, las cintas UD tienen limitaciones:son relativamente caras y tienen poca capacidad de drapeado y casi no fluyen, lo que dificulta el llenado de geometrías complejas. Estos problemas se superaron mediante el uso selectivo de compuestos termoplásticos de fibra larga directa discontinuos / cortados (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 puentes de fibra, pero pueden absorber la energía de choque significativa. Con D-LFT, también es más fácil insertar accesorios metálicos, especialmente si los insertos están perforados previamente para que los orificios permitan que el compuesto fluya a través y alrededor del metal, creando una unión fuerte a través del enclavamiento mecánico. Además, D-LFT es menos costoso que las cintas o la hoja orgánica y mucho más fácil de moldear en secciones gruesas. Compuesto en el lado de la prensa, D-LFT simplifica la gestión del inventario de materiales y ofrece una alta flexibilidad en los programas de desarrollo para cambiar rápidamente las características del material (longitud y tipo de fibra, fracción de volumen de fibra (FVF) y matriz) a medida que se fabrican y evalúan las piezas. Durante la producción, los ajustes del material / proceso se pueden controlar para lograr altos niveles de repetibilidad y reproducibilidad (R&R), razón por la cual la industria automotriz ha utilizado el proceso para producción de volumen medio a alto durante casi dos décadas.

Debido a que los investigadores querían mantener el piso de carga trasero delgado y liviano y capaz de resistir el pandeo mientras absorbía cargas de alto impacto, realizaron simulaciones y el desarrollo inicial a través de pruebas de piezas pequeñas con cintas reforzadas con fibra de vidrio y carbono y D-LFT en diferentes fibras. -fracciones de peso (FWF) para evaluar el rendimiento mecánico frente al comportamiento de llenado. Aunque los compuestos de carbono produjeron estructuras más delgadas, ligeras y rígidas que el vidrio, debido a que el costo también era una preocupación y el piso de carga frontal ya usaba refuerzo de fibra de carbono, los investigadores seleccionaron vidrio para reforzar el piso de carga trasero durante la ampliación a piezas de tamaño completo. Se utilizaron Ultramid B3K PA6 D-LFT con 40% en peso de fibra de vidrio y ocho capas de Ultratape B3WG12 PA6 con 60% en peso de fibra de vidrio, ambos de BASF.

Después de mucho trabajo de simulación, el El diseño final del piso de carga trasero comprende una estructura de capa delgada, casi en forma de red, producida a partir de cintas UD preconsolidadas en un laminado entretejido con una zona de aplastamiento D-LFT más gruesa (ver Fig. 2). Grandes corrugaciones, también de cinta UD, con canales profundos (50 mm de alto por 115 mm de ancho) se moldearon a lo largo del eje longitudinal de la pieza para una alta rigidez a baja masa y espesor. Además, se formaron dos ventanas durante la colocación de la cinta para permitir que D-LFT penetrara a través del laminado hasta donde se necesitaba. Debido a que las corrugaciones profundas son difíciles de formar en laminados grandes, fue necesario modificar tanto el proceso de moldeo como la herramienta para producir buenas piezas (consulte “Cómo la investigación sobre un módulo de piso automotriz impulsó el desarrollo de un nuevo subproceso de moldeo por compresión / D-LFT”). Estas corrugaciones, en combinación con dos cargas de D-LFT que formaron nervaduras complejas en estructuras de celosía en forma de X, generan un alto momento de inercia para el área, aumentando la rigidez de la pieza en el diseño delgado y liviano y evitando pandeo en un choque. Las celosías D-LFT en la parte trasera de la pieza formaron una zona de aplastamiento para absorber energía en choques traseros. Los perfiles de aluminio se moldearon integralmente en los lados axiales del piso de carga y se adhirieron a D-LFT y se laminaron mediante tratamientos especiales de superficie, así como orificios que proporcionan entrelazado. Estos perfiles se diseñaron cuidadosamente para aumentar aún más la rigidez de la pieza, proporcionar un buen comportamiento de pandeo y transferir la fuerza a la zona de aplastamiento del D-LFT durante un choque. También proporcionan puntos de fijación para el montaje directo del piso de carga trasero a las estructuras metálicas circundantes. Inserciones metálicas adicionales, también moldeadas integralmente en la estructura, proporcionaron un montaje directo para los cierres de los cinturones de seguridad.

Implementación exitosa

El trabajo de simulación, así como las pruebas de partes pequeñas y grandes, verificaron que todo el piso de carga trasero híbrido podría usarse para manejar cargas de choque. Una evaluación adicional reveló que esta tecnología debería ser tan segura como las estructuras metálicas convencionales.

Un objetivo más amplio del proyecto:reducir la masa total de BIW a 200 kg - se cumplió teóricamente durante la simulación y el desarrollo de piezas pequeñas. Sin embargo, a medida que el proyecto evolucionó, se deseaba un mejor rendimiento en caso de colisión, lo que requería agregar masa a las estructuras compuestas. Además, las consideraciones de costo llevaron a un cambio de fibra de carbono a refuerzo de fibra de vidrio para el piso de carga trasero. El piso de carga trasero resultante con inserciones pesa 32,9 kg, mientras que el piso de carga delantero (con inserciones pero sin baterías) pesa 12,1 kg. Para las piezas de prueba finales, el objetivo de masa se perdió solo en un 4,3% para lograr una mayor seguridad y menores costos. El SMiLE BIW también sería más costoso que los sistemas metálicos convencionales debido al uso intensivo de refuerzo de fibra de carbono en el piso de carga frontal.

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

Sorprendentemente, el proceso experimental y la herramienta altamente compleja producida por Frimo funcionó desde el principio y se produjeron más de 100 piezas de demostración para pruebas y demostraciones posteriores. Aunque el equipo diseñó el proceso de moldeo para que se hiciera en un solo paso, Dr.-Ing. Sebastian Baumgärtner, líder del equipo de F-ICT para el procesamiento de termoplásticos y líder del proyecto del piso de carga trasero, cree que en un entorno de producción sería más eficiente formar esta pieza compleja en dos pasos, con el laminado preformado realizado en una herramienta separada. “Optamos por probar primero el proceso de un solo paso más difícil y funcionó bien”, explica Baumgärtner. “Sin embargo, la herramienta era muy compleja y el control del proceso no era tan fácil. Si el laminado se calentaba demasiado en algunos puntos, tenía una interacción muy fuerte con las hebras LFT. Para garantizar una buena repetibilidad durante la producción, sería mejor simplificar las cosas y elegir un proceso de dos pasos, que sería más sólido ". Aún así, dado el gran tamaño de esta pieza compuesta y el complejo proceso utilizado para formarla, el equipo quedó muy satisfecho con los resultados finales. “Demostramos que podíamos producir una pieza innovadora y económica que tenía un peso y un rendimiento optimizados y presentaba una alta integración funcional utilizando tecnología comercial”, agrega.

El piso de carga completo ganó el premio a la innovación CCE-JEC 2018 en China y el gobierno alemán reconoció el programa SMiLE más grande como un proyecto Lighthouse, lo que significa que la tecnología será importante para su uso en el diseño de movilidad futuro. El equipo está debatiendo sobre los próximos pasos.