Revolucionando el diseño de techos solares con guías de compuesto termoplástico

Un equipo en Francia liderado por Webasto SC en Les Châtelliers-Chateaumur ha desarrollado un novedoso módulo de techo solar de vidrio fijo con persiana enrollable que, por primera vez, usa guías de compuesto termoplástico para reemplazar rieles convencionales de aluminio. Comercializado primero en varios vehículos multipropósito (MPV) producidos por Groupe Renault (Boulogne-Billancourt), el cambio ahorra peso, coste y utillaje, elimina hardware y múltiples pasos de procesamiento, simplifica la instalación en línea de montaje, reduce ruido de operación y libera 13 mm de espacio adicional para la cabeza entre ocupantes del vehículo y el panel de vidrio del techo solar.

Montaje convencional de techo solar

La industria automotriz ha usado históricamente rieles de aluminio para conectar el módulo de persiana enrollable de un techo solar a la estructura body-in-white (BIW) del techo, especialmente en el caso de sistemas de techo solar de vidrio fijo grandes y transparentes, que típicamente abarcan casi toda la longitud y ancho del techo del coche. Estas guías, montadas a lo largo de los lados del conductor y pasajero del techo, hacen doble función en sistemas de persiana enrollable porque forman la superficie de deslizamiento a lo largo de la cual la persiana de tela motorizada viaja mientras la sombra se enrolla para permitir más luz en el interior del vehículo, o se despliega para reducir esa luz. A diferencia de las parasoles rígidas comunes en Norteamérica, cuando se retraen las persianas enrollables ocupan poco espacio bajo los cielorrasos donde no pueden ser vistas por los ocupantes, yet aún proporcionan el mismo aislamiento térmico del sol y aislamiento acústico del viento y lluvia que las parasoles rígidas.

El proceso de fabricación convencional para rieles de aluminio comienza con un perfil de aluminio de sección transversal constante y requiere un proceso laborioso de múltiples pasos de fresado y acabado para lograr la forma compleja del riel:

• corte a longitud,
• formado de pequeños pliegues via estampado y punzonado,
• conformado de curvas,
• mecanizado/fresado de formas complejas que no pueden preformarse via herramientas de estampado (requiere un juego de herramientas/operación y un control de calidad después de cada paso),
• anodizado del riel en negro o color natural,
• y ensamblaje de clips de cable eléctrico, clips de cable espiral, pines de centrado/posicionamiento y tuercas.

Cada marca y modelo de vehículo de pasajeros usa una forma y longitud de riel ligeramente diferente, por lo que los fabricantes de techos solares deben producir y almacenar inventario significativo durante la producción de un módulo de techo solar dado. Y cuando se añade un nuevo modelo, se requiere utillaje totalmente nuevo a menos que el vehículo comparta partes comunes con el módulo de un modelo existente.

Los rieles guía de aluminio no solo son intensivos en mano de obra en producción en el fabricante de techos solares, sino también durante la instalación en la planta de ensamblaje del vehículo. Convencionalmente, los rieles se atornillan manualmente al BIW. Luego el módulo de techo solar se pasa por la bahía del parabrisas y se carga por la parte inferior en la abertura del techo donde el operador lo asegura a los rieles recientemente instalados. Por último, el techo de vidrio en sí se une, via adhesivo estructural, a la parte superior del coche, sellando el módulo de techo solar y el interior de la cabina.

Aunque los rieles guía de aluminio representan tecnología conocida y establecida, tienen desventajas. Por uno, el aluminio es una materia prima costosa y es más difícil que el acero doblar en formas complejas. Por otro, para proteger el medio ambiente, la eliminación de los químicos de anodizado usados para prevenir corrosión es un coste adicional significativo. Como se detalla arriba, el proceso de fabricación es largo y complicado y sus costes de utillaje son altos. Además, esfuerzos para aumentar funcionalidad requieren uso de hardware adicional aplicado via pasos de ensamblaje adicionales.

Nuevo concepto de riel

Basado en otras conversiones exitosas de marcos de techo solar de aluminio a compuestos en sistemas de vidrio móvil de formato mucho menor, un equipo en Webasto decidió conducir un estudio para ver si los rieles laterales mucho mayores en sistemas de persiana enrollable también podían convertirse a compuesto. (Vigas transversales delantera y trasera ya se habían convertido a compuesto —típicamente polipropileno reforzado con fibra de vidrio (GR-PP)— en tales sistemas.) El objetivo era añadir funcionalidad, reducir pasos de fabricación, cuenta de piezas, coste y peso de pieza, yet aún cumplir requisitos de rendimiento OEM.

El equipo comenzó estudiando funcionalidad y condiciones de operación de rieles guía e identificó la característica más crítica de los rieles como su capacidad para facilitar movimiento suave de la persiana motorizada con la misma fuerza de adelante-atrás e izquierda-derecha a lo largo de la trayectoria de la pista. Para lograr eso, los rieles requieren geometría precisa y sección transversal constante a lo largo de toda su longitud, que puede ser mayor a un metro. Además, los rieles tienen que ser lo suficientemente estructurales para proporcionar una conexión segura a otros componentes de techo solar/módulo, incluyendo vigas transversales delantera y trasera de techo solar y la estructura del techo en sí, el mecanismo motor, vidrio del techo y el cielorraso. Para cumplir requisitos OEM, la persiana motorizada tiene que operar a bajos niveles de ruido de deslizamiento para reducir ruido/vibración/dureza (NVH) en el interior de la cabina.

Un escaneo de compuestos automotrices comúnmente usados eliminó rápidamente aquellos con matrices termofijas y favoreció termoplásticos. Comparados con compuestos termoplásticos, los humedecidos con termofijos tienden a ser más altos en densidad, tener ciclos de moldeo más lentos y requerir más acabado post-moldeo. Además, los termoplásticos refundibles ofrecen una opción de ensamblaje libre de adhesivos y sujetadores entre rieles superior e inferior y simplifican enormemente el reciclaje fin de vida. Además, los termofijos introdujeron preocupación sobre posible empañamiento y emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV), que están estrictamente regulados para interiores de vehículos en la Unión Europea.

Debido a requisitos OEM para control dimensional extremadamente ajustado —particularmente para evitar deformación, que impediría operación suave de la persiana—, poliamida, polipropileno (PP) y poliésteres termoplásticos fueron eliminados. Como los rieles de aluminio requieren grasa para operación suave de la persiana, y como los ingenieros de Webasto no estaban seguros aún si lubricante sería necesario en rieles compuestos, policarbonato fue eliminado debido a su pobre resistencia química y tendencia a agrietamiento por tensión. Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) fue rechazado debido a los requisitos térmicos de 110°C del techo solar.

El equipo de Webasto había usado previamente fibra de vidrio reforzada estireno maleico anhídrido/ABS (GR-SMA/ABS) para el marco de techo solar de vidrio móvil, así que enfocó atención en este material, que se ha usado en la industria automotriz por décadas para sustratos de panel de instrumentos. GR-SMA/ABS es de baja densidad, rígido y fuerte, tiene deformación muy baja y baja deformación en un amplio rango de temperaturas y niveles de humedad. Como es amorfo, no hay preocupación con cristalización y contracción post-moldeo. Además, es reprocesable por fusión, suelda bien y su componente anhídrido maleico asegura alta resistencia de unión a una variedad de sustratos, incluyendo el adhesivo estructural de poliuretano usado para unir el techo de vidrio al módulo de techo solar.

Webasto recurrió a su proveedor de resina GR-SMA/ABS Polyscope Polymers BV (Geleen, Países Bajos) para sugerir grados que funcionarían. Polyscope suministró dos posibilidades —15% GR XIRAN SGH30EB y 30% GR XIRAN SGH60EB— que luego se sometieron a pruebas de laboratorio a pequeña escala en Webasto. El grado 30% GR era más rígido, pero su mayor módulo E no era requerido para asegurar operación suave de la persiana. Las pruebas indicaron que el grado 15% GR cumpliría objetivos de propiedades mecánicas, así que el equipo optó por usar ese material, no solo para rieles izquierdo y derecho sino también para la viga transversal delantera. La viga transversal trasera permaneció en GR-PP.

La siguiente decisión fue qué proceso usar para producir los rieles. Inicialmente, la extrusión de perfiles fue considerada porque puede producir formas huecas y sólidas, y funcionalmente se asemeja al proceso usado para producir perfiles de aluminio. También es un proceso continuo, lo suficientemente rápido para cumplir requisitos de producción, yet sus costes de utillaje son relativamente bajos. Desafortunadamente, los investigadores estaban preocupados de que la extrusión no produciría superficies interiores lo suficientemente suaves de resinas reforzadas con fibra para permitir que la persiana se mueva suave y silenciosamente a lo largo de la pista. También, el proceso limitaría la capacidad de cambiar geometría de perfil a lo largo de la longitud del riel para incorporar más integración funcional sin añadir hardware (como pines y clips extra) durante pasos de post-procesamiento.

El otro proceso considerado fue moldeo por inyección, que puede producir estructuras 3D muy complejas con acabados suaves y alta estética rápidamente, precisamente y con excelente repetitividad y reproducibilidad (R&R). Además, permite moldear agujeros, recortes, encajes a presión e incluso clips, reduciendo acabado secundario.

Para la aplicación objetivo, la desventaja es que el moldeo por inyección no puede producir una estructura hueca en un solo paso (necesitando que cada riel se moldee en dos piezas y luego se unan). También, el utillaje puede ser costoso.

El equipo se decidió por moldeo por inyección con objetivo de incorporar múltiples piezas en una herramienta familiar para reducir costes de utillaje.

Validación del concepto

Con el concepto básico pareciendo prometedor, el equipo de desarrollo se expandió para incluir OEM Groupe Renault y moldeador ARRK-Shapers (La Séginière, Francia). El objetivo era diseñar un sistema de riel compuesto para un módulo de techo solar de vidrio fijo con persiana enrollable en el año modelo 2016 Renault Scenic (cinco plazas) y Grand Scenic (siete plazas) vehículos multipropósito (MPV). El equipo decidió diseñar cada riel para incluir un alto nivel de integración funcional, tener simetría especular entre rieles para lados izquierdo y derecho y que el diseño acomodara tanto modelos estándar (sedán/cinco plazas) como largos (familiar/siete plazas). Aspectos del diseño del equipo están ahora cubiertos por tres patentes.

Para mantener costes de utillaje manejables, el equipo optimizó el diseño del molde para permitir que las partes superior e inferior de ambos rieles izquierdo y derecho, la viga transversal delantera, más tres piezas de interfaz de unión que conectan a la viga transversal trasera GR-PP (moldeada por separado) se produzcan en cada ciclo. Otro paso de ahorro de coste fue el uso de bloques modulares por ARRK-Shapers (que se insertan/remueven para correr versiones de riel largo y corto) en lugar de deslizadores de utillaje costosos. Para moldear todos los ocho componentes GR-SMA/ABS en una herramienta familiar grande, se necesitó una prensa de inyección con fuerza de cierre de 1.500 kN. Soldadura ultrasónica se seleccionó para unir rieles superior e inferior, y un jig de ensamblaje especial fue diseñado y construido.

Una fase de prototipado y pruebas permitió al equipo finalizar diseño de riel, anticipar desafíos de producción y asegurar que las piezas pasarían tests de validación de Renault, que incluían:

• Pruebas de durabilidad para 10.000 ciclos de vida.
• Pruebas de vibración triaxial en rango de temperatura de -20°C a 110°C a 95% humedad relativa (HR).
• Ciclado de temperatura de 85°C a -20°C a 50°C a 95% HR a 110°C.
• Resistencia a pelado y cizallamiento tras unión adhesiva.
• Test de ruido de conducción Renault para NVH.
• Test de vuelco "sacacorchos".
• Velocidad de operación de persiana enrollable de al menos 75 mm/seg a 23°C logrado tras cada test.

"La idea de convertir rieles guía de aluminio extruido a una solución plástica en un techo solar de persiana enrollable es una idea de Webasto y una que ha sido patentada por mucho tiempo", explica Jacques Vivien, experto industrial de Webasto R&D, diseño a coste. "Sin embargo, hasta recientemente, ningún plástico de ingeniería lograba los duros requisitos de esta función". Nos recuerda que el candidato plástico tenía que cumplir requisitos de precisión dimensional; estabilidad en el tiempo, resistencia a cambios de temperatura y humedad; retener rigidez y capacidad de deslizamiento; exhibir excelente capacidad de unión; y hacer todo eso y seguir siendo competitivo en coste. "Estuvimos muy satisfechos con la selección de XIRAN SGH30EB de Polyscope, que hizo el proyecto un éxito completo para todos los involucrados".

Superando expectativas

Con más de dos años de fabricación y venta, los rieles guía compuestos están funcionando como se predijo y se han visto muchos beneficios en niveles de proveedor, OEM y cliente. Por ejemplo, el ingenioso utillaje de ARRK-Shapers ha recortado costes significativos del programa. El uso de Webasto de un diseño con integración funcional significativamente mayor que el ensamblaje de aluminio legado, y la elección de moldeo por inyección para crear las estructuras complejas en un solo golpe eliminó hardware y acabado post-moldeo, reduciendo también coste. La producción de rieles sola se redujo de siete pasos a dos.

En la planta de ensamblaje de Renault, el nuevo sistema de techo solar, incluyendo la persiana enrollable, llega totalmente ensamblado y pre-probado como una unidad de una pieza que se une robóticamente al techo, eliminando dos o tres pasos de ensamblaje y permitiendo reasignar un operador, reduciendo coste y tiempo aún más. Reportadamente, la reducción inicial de coste del sistema fue alrededor del 20%, pero el nuevo módulo tiene menos piezas, lo que se espera reduzca costes de garantía a largo plazo como indican menores defectos por millón de piezas (PPM) y mayor calidad vista en Renault. Otro beneficio de los nuevos rieles compuestos es que se logró una reducción de apilamiento en eje Z de >13 mm porque el módulo completo se une adhesivamente directamente al BIW en lugar del proceso convencional de dos a tres pasos, durante el cual los rieles se atornillan al BIW y el módulo se atornilla luego a los rieles. Esto no solo proporciona más espacio de trabajo en la línea de ensamblaje para trabajadores, sino que también da más espacio para la cabeza a ocupantes de vehículo más altos. Otra mejora sutil fue que NVH se redujo durante operación de la persiana para abrir o cerrar la gran abertura de luz diurna en ambos modelos del vehículo. Como el aluminio, los rieles compuestos son totalmente reciclables, pero se necesita menos energía para producirlos inicialmente y reciclarlos al fin de vida del vehículo, lo que, arguable, también los hace mejores para el medio ambiente. (Interesantemente, el equipo también encontró que no se necesitaba lubricante en los rieles compuestos para operación fiable de la persiana.)

"Cuando Jacques Vivien de Webasto Francia me dijo por primera vez que estaba considerando reemplazar rieles guía de aluminio con compuesto SMA en un módulo de techo solar de persiana enrollable, pensé que podría ser un reto, pero valía la pena tomar la oportunidad", señala Henri-Paul Benichou, gerente de ventas y desarrollo de negocio de Polyscope. "Esta aplicación innovadora resultó ser un éxito técnico e industrial, proporcionando numerosos beneficios para proveedores, para Renault y para los clientes de Renault."