Compuestos termoplásticos:vista panorámica

Un equipo en Francia dirigido por Webasto SC en Les Châtelliers-Chateaumur ha desarrollado un novedoso módulo de techo corredizo enrollable de vidrio fijo que, por primera vez, utiliza rieles de guía de material compuesto termoplástico para reemplazar los rieles de aluminio convencionales. Comercializado por primera vez en varios vehículos multipropósito (MPV) producidos por Groupe Renault (Boulogne-Billancourt), el cambio ahorra peso, costos y herramientas, elimina hardware y múltiples pasos de procesamiento, simplifica la instalación de la línea de ensamblaje, reduce el ruido de operación y libera 13 mm de espacio para la cabeza adicional entre los ocupantes del vehículo y el panel de vidrio del techo corredizo.

Comunes en Europa pero poco comunes en América del Norte, los módulos de techo corredizo con persiana enrollable se usan típicamente para cubrir sistemas de techo de vidrio fijo, a menudo grandes techos panorámicos que abarcan casi todo el ancho y largo de la línea del techo del vehículo. Cuando se despliegan, tienen la misma función que los parasoles rígidos en los vehículos norteamericanos, bloqueando el exceso de luz solar y amortiguando el ruido de la lluvia y el viento. Se componen de una tela delgada pero que bloquea la luz que se desenrolla y despliega a lo largo de una pista motorizada, y luego se enrolla nuevamente alrededor de un eje que se encuentra debajo del forro del techo en la parte trasera del techo en el interior del vehículo.

Conjunto de techo corredizo convencional

Históricamente, la industria automotriz ha utilizado rieles de aluminio para conectar el módulo de persiana enrollable de un techo corredizo a la estructura del techo de la carrocería en blanco (BIW), especialmente en el caso de sistemas de techo corredizo de vidrio fijo grandes y transparentes, que generalmente abarcan casi toda la longitud. y ancho del techo del automóvil. Estos rieles de guía, montados a lo largo de los lados del techo del conductor y del pasajero, cumplen una doble función en los sistemas de techo corredizo de persiana enrollable porque forman la superficie deslizante a lo largo de la cual se desplaza la persiana enrollable de tela motorizada a medida que se enrolla la persiana para permitir que entre más luz. el interior del vehículo, o cuando se despliega para reducir esa luz. A diferencia de los parasoles rígidos comunes en América del Norte, cuando se retraen, los parasoles de persiana enrollable ocupan poco espacio debajo del techo interior donde no pueden ser vistos por los ocupantes del vehículo, pero aún brindan el mismo aislamiento térmico del sol y el aislamiento acústico del viento y la lluvia que las sombrillas rígidas sí lo hacen.

El proceso de fabricación convencional para rieles de aluminio comienza con un perfil de aluminio de sección transversal constante y requiere un proceso de fresado y acabado de varios pasos que requiere mucha mano de obra para lograr la forma compleja del riel:

• cortar a medida,
• formando pequeños pliegues mediante estampado y punzonado,
• dar forma a curvas,
• mecanizado / fresado de formas complejas que no se pueden preformar mediante herramientas de estampado (requiere un conjunto de herramientas / operación y una verificación de control de calidad después de cada paso),
• carril anodizado en color negro o natural,
• y ensamblar clips para cables eléctricos, clips para cables en espiral, clavijas y tuercas de centrado / posicionamiento.

Cada marca y modelo de vehículo de pasajeros utiliza un riel de forma y longitud ligeramente diferente, por lo que los fabricantes de techos corredizos deben producir y almacenar un inventario importante durante la producción de un módulo de techo corredizo determinado. Y cuando se agrega un nuevo modelo, se requieren herramientas completamente nuevas a menos que el vehículo comparta partes comunes con el módulo para el sistema de techo corredizo de un modelo existente.

Los rieles de guía de aluminio no solo requieren mucha mano de obra en la producción del fabricante del techo corredizo, sino también durante la instalación en la planta de ensamblaje de vehículos. De manera convencional, los rieles se fijan manualmente mediante tornillos al BIW. Luego, el módulo del techo corredizo se pasa a través del compartimiento del parabrisas y se carga por la parte inferior en la abertura en el techo donde el operador lo asegura a los rieles recientemente instalados. Por último, el techo de vidrio en sí está adherido, mediante adhesivo estructural, a la parte superior del automóvil, sellando el módulo del techo corredizo y el interior de la cabina.

Aunque los rieles de aluminio representan una tecnología conocida y establecida, tienen desventajas. Por un lado, el aluminio es una materia prima costosa y es más desafiante que el acero para doblarse en formas complejas. Por otro lado, para proteger el medio ambiente, la eliminación de los productos químicos anodizantes utilizados para prevenir la corrosión es un costo adicional significativo. Como se detalló anteriormente, el proceso de fabricación es largo y complicado y sus costos de herramientas son altos. Además, los esfuerzos para aumentar la funcionalidad requieren el uso de hardware adicional aplicado a través de pasos de ensamblaje adicionales.

Nuevo concepto de ferrocarril

Basado en otras conversiones exitosas de marcos de techo corredizo de aluminio a compuestos en sistemas de techo corredizo de vidrio móvil de formato mucho más pequeño, un equipo de Webasto decidió realizar un estudio para ver si los rieles laterales mucho más grandes en los sistemas de techo corredizo con persiana enrollable también podrían ser convertido a compuesto. (Las vigas transversales delanteras y traseras ya se habían convertido en compuestos, generalmente polipropileno reforzado con vidrio (GR-PP), en dichos sistemas). El objetivo era agregar funcionalidad, reducir los pasos de fabricación, el recuento de piezas, el costo y el peso de las piezas, pero aún cumplen con los requisitos de rendimiento de los OEM.

El equipo comenzó estudiando la funcionalidad y las condiciones de funcionamiento de los rieles guía e identificó la característica más crítica de los rieles como su capacidad para facilitar el movimiento suave de la sombrilla motorizada con la misma fuerza de adelante hacia atrás y de izquierda a derecha a lo largo del recorrido de la vía. . Para lograrlo, los rieles requieren una geometría precisa y una sección transversal constante en toda su longitud, que puede ser superior a un metro. Además, los rieles deben ser lo suficientemente estructurales para proporcionar una conexión segura con otros componentes del techo corredizo / módulo, incluidas las vigas transversales del techo corredizo delantero y trasero y la estructura del techo en sí, el mecanismo del motor, el vidrio del techo y el techo interior. Para cumplir con los requisitos de los fabricantes de equipos originales, la sombrilla motorizada debe funcionar a niveles bajos de ruido de deslizamiento para reducir el ruido / vibración / aspereza (NVH) en el interior de la cabina.

Un escaneo de compuestos automotrices de uso común eliminó rápidamente aquellos con matrices termoendurecibles y termoplásticos preferidos. En comparación con los compuestos termoplásticos, los que se humedecen con termoendurecibles tienden a ser de mayor densidad, tienen ciclos de moldeo más lentos y requieren más acabado posterior al molde. Además, los termoplásticos fundibles ofrecen una opción de ensamblaje sin adhesivos ni sujetadores entre los rieles superior e inferior y simplifican enormemente el reciclaje al final de su vida útil. Además, los termoestables introdujeron la preocupación por el posible empañamiento y las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV), que están estrictamente regulados para los interiores de los vehículos en la Unión Europea.

Debido a los requisitos de los fabricantes de equipos originales para un control dimensional extremadamente estricto, en particular para evitar deformaciones, lo que impediría el buen funcionamiento de la sombrilla, se eliminaron la poliamida, el polipropileno (PP) y los poliésteres termoplásticos. Debido a que los rieles de aluminio requieren grasa para un funcionamiento suave de la sombrilla, y debido a que los ingenieros de Webasto aún no estaban seguros de si se necesitaría lubricante en los rieles compuestos, se eliminó el policarbonato debido a su baja resistencia química y tendencia a agrietarse por tensión. El acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) fue rechazado debido a los requisitos térmicos de 110 ° C del techo corredizo.

El equipo de Webasto había utilizado previamente anhídrido maleico de estireno reforzado con fibra de vidrio / ABS (GR-SMA / ABS) para el marco del techo corredizo de vidrio móvil, por lo que centró la atención en este material, que se ha utilizado en la industria automotriz durante décadas para el panel de instrumentos. sustratos. GR-SMA / ABS es de baja densidad, rígido y fuerte, tiene muy baja deformación y deformación en un amplio rango de temperaturas y niveles de humedad. Debido a que es amorfo, no hay preocupación por la cristalización y la contracción posteriores al molde. Además, es reprocesable por fusión, se suelda bien y su componente de anhídrido maleico asegura una alta fuerza de unión a una variedad de sustratos, incluido el adhesivo estructural de poliuretano que se usa para unir el techo de vidrio al módulo del techo corredizo.

Webasto recurrió a su proveedor de resinas GR-SMA / ABS Polyscope Polymers BV (Geleen, Países Bajos) para sugerir grados que funcionarían. Polyscope proporcionó 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 de 30% -GR era más rígido, pero su módulo E más alto no era necesario para garantizar un funcionamiento suave del protector solar. Las pruebas indicaron que el grado de 15% -GR cumpliría con los objetivos de propiedades mecánicas, por lo que el equipo optó por usar ese material, no solo para los rieles del lado izquierdo y derecho, sino también para la viga transversal delantera. La viga transversal trasera se mantuvo en GR-PP.

La siguiente decisión fue qué proceso utilizar para producir los rieles. Inicialmente, se consideró la extrusión de perfiles porque puede producir tanto formas huecas como sólidas, y funcionalmente se asemeja al proceso utilizado para producir perfiles de aluminio. También es un proceso continuo, lo suficientemente rápido para cumplir con los requisitos de producción, pero sus costos de herramientas son relativamente bajos. Desafortunadamente, a los investigadores les preocupaba que la extrusión no produjera superficies interiores lo suficientemente suaves a partir de resinas reforzadas con fibra para permitir que la sombrilla se mueva suave y silenciosamente a lo largo de la pista. Además, el proceso limitaría la capacidad de cambiar la geometría del perfil a lo largo del riel para incorporar una integración más funcional sin agregar hardware (como pasadores y clips adicionales) durante los pasos de posprocesamiento.

El otro proceso considerado fue el moldeo por inyección, que puede producir estructuras 3D muy complejas con acabados suaves y alta estética de forma rápida, precisa y con excelente repetibilidad y reproducibilidad (R&R). Además, permite moldear agujeros, recortes, encajes e incluso clips, lo que reduce el acabado secundario.

Para la aplicación de destino, la desventaja es que el moldeo por inyección no puede producir una estructura hueca en un solo paso (lo que requiere que cada riel se moldee en dos piezas y luego se unan). Además, las herramientas pueden ser costosas.

El equipo se decidió por el moldeo por inyección con el objetivo de incorporar varias piezas en una herramienta familiar para reducir los costos de herramientas.

Prueba de concepto

Con el concepto básico que parecía prometedor, el equipo de desarrollo se expandió para incluir al OEM Groupe Renault y al moldeador ARRK-Shapers (La Séguinière, Francia). El objetivo era diseñar un sistema de riel compuesto para un módulo de techo corredizo con persiana enrollable de vidrio fijo en los vehículos multipropósito (MPV) Renault Scenic (cinco plazas) y Grand Scenic (siete plazas) del año 2016. El equipo decidió diseñar cada riel para incluir un alto nivel de integración funcional, para tener simetría de espejo entre los rieles para los lados izquierdo y derecho y para que el diseño se adapte tanto al estándar (sedán / salón / de cinco plazas) como al largo (vagón / familiar). automóviles / siete plazas) modelos de vehículos. Los aspectos del diseño del equipo ahora están cubiertos por tres patentes.

Para mantener los costos de herramientas manejables, el equipo optimizó el diseño del molde para permitir las partes superior e inferior de los rieles izquierdo y derecho, la viga transversal delantera, más tres piezas de interfaz de unión que se conectan a la viga transversal GR-PP trasera ( moldeado por separado) para ser producido en cada ciclo. Otro paso para ahorrar costos fue el uso de bloques modulares por parte de ARRK-Shapers (que se insertan / quitan para ejecutar versiones de riel largo y corto) en lugar de costosos toboganes de herramientas. Para moldear los ocho componentes GR-SMA / ABS en una herramienta de gran familia, se necesitaba una prensa de inyección con una fuerza de sujeción de 1.500 kN. Se seleccionó la soldadura ultrasónica para unir los rieles superior e inferior, y se diseñó y construyó una plantilla de montaje especial.

Una fase de creación de prototipos y pruebas permitió al equipo finalizar el diseño de los rieles, anticipar los desafíos de producción y garantizar que las piezas pasarían las pruebas de validación de Renault, que incluían:

• Pruebas de durabilidad para 10,000 ciclos de vida.
• Prueba de vibración de tres ejes en un rango de temperatura de -20 ° C a 110 ° C al 95% de humedad relativa (RH).
• Ciclos de temperatura de 85 ° C a -20 ° C a 50 ° C a 95% RH a 110 ° C.
• Resistencia al desprendimiento y resistencia al cizallamiento después de la unión adhesiva.
• Prueba de ruido de conducción de Renault para NVH.
• Prueba de vuelco del "sacacorchos".
• Se alcanza una velocidad de funcionamiento de la persiana enrollable de al menos 75 mm / seg a 23 ° C después de cada prueba.

“La idea de convertir los rieles de guía de aluminio extruido en una solución plástica en una persiana enrollable de techo corredizo es una idea de Webasto y ha sido patentada durante mucho tiempo”, explica Jacques Vivien, experto industrial en I + D de Webasto. "Sin embargo, hasta hace poco, ningún plástico de ingeniería cumplía con los estrictos requisitos de esta función". Nos recuerda que el candidato de plástico tenía que cumplir con los requisitos de precisión dimensional; estabilidad en el tiempo, resistencia a los cambios de temperatura y humedad; conservar la rigidez y la capacidad de deslizamiento; exhiben una excelente capacidad de unión; y haga todo eso y siga siendo competitivo en costos. "Estamos muy satisfechos con la selección del XIRAN SGH30EB de Polyscope, que hizo que el proyecto fuera un éxito total para todos los involucrados".

Exceder las expectativas

Con más de dos años de fabricación y venta, los rieles de guía compuestos están funcionando según lo previsto y se han observado muchos beneficios a nivel de nivel, OEM y de cliente. Por ejemplo, las herramientas inteligentes de ARRK-Shapers han reducido costos significativos del programa. El uso de Webasto de un diseño con una integración funcional significativamente mayor que el ensamblaje de aluminio heredado, y la elección del moldeo por inyección para crear las estructuras complejas en un solo disparo, eliminó el hardware y el acabado posterior al molde, lo que también redujo los costos. La producción de rieles por sí sola se redujo de siete pasos a dos.

En la planta de ensamblaje de Renault, el nuevo sistema de techo corredizo, incluida la persiana enrollable, llega completamente ensamblado y probado como una unidad de una pieza que se adhiere robóticamente al techo, lo que elimina dos o tres pasos de ensamblaje y permite reasignar un operador, lo que reduce los costos. y el tiempo aún más. Según se informa, la reducción inicial del costo del sistema fue de alrededor del 20%, pero el nuevo módulo tiene menos piezas, lo que se espera que reduzca los costos de garantía a largo plazo, como lo indican los defectos más bajos de partes por millón (PPM) y la mayor calidad observada en Renault. Otro beneficio de los nuevos rieles compuestos es que se logró una reducción de la pila de elementos del eje Z de> 13 mm porque todo el módulo se adhiere directamente al BIW en lugar del proceso convencional de dos a tres pasos, durante el cual los rieles se fijan con tornillos a la BIW y luego se fija el módulo a los rieles. Esto no solo proporciona más espacio de trabajo en la línea de ensamblaje para los trabajadores, sino que también brinda a los ocupantes de vehículos más altos más espacio para la cabeza. Otra mejora sutil fue que el NVH se redujo durante la operación de la sombrilla para abrir o cerrar la gran abertura de luz diurna en ambos modelos del vehículo. Al igual que el aluminio, los rieles compuestos son totalmente reciclables, pero se necesita menos energía para producirlos inicialmente y reciclarlos al final de la vida útil del vehículo, lo que, posiblemente, también los hace mejores para el medio ambiente. (Curiosamente, el equipo también descubrió que no se necesitaba lubricante en los rieles compuestos para un funcionamiento confiable de la sombrilla).

“Cuando Jacques Vivien de Webasto France me dijo por primera vez que estaba considerando reemplazar los rieles de guía de aluminio con compuesto SMA en un módulo de persiana enrollable de techo corredizo, pensé que podría ser un desafío, pero que valía la pena arriesgarse”, señala Henri- Paul Benichou, director de desarrollo comercial y de ventas de Polyscope. "Esta aplicación innovadora demostró ser un éxito técnico e industrial, proporcionando numerosos beneficios para los proveedores, para Renault y para los clientes de Renault".