Compuesto + metal:Tecnología híbrida de perfil hueco

El sobremoldeo por inyección ha estado en gran parte en las noticias de la industria de los compuestos últimamente, pero principalmente en el ámbito de la creación de compuestos híbridos. Los preimpregnados reforzados con fibra continua conformados o las formas compuestas precuradas se colocan dentro de la cavidad del molde y luego se encapsulan dentro de una pieza moldeada por inyección reforzada con fibra corta más grande de tal manera que proporcionen refuerzo adicional solo donde sea necesario para evitar piezas sobrediseñadas y controlar los costos de producción. Casi inadvertidas en esta avalancha de publicidad son las noticias en torno a las estructuras híbridas de plástico / metal (PMH), aquellas que combinan subestructuras de chapa metálica sobremoldeada por inyección con un compuesto termoplástico.

La categoría PMH se amplió recientemente gracias a un nuevo desarrollo anunciado por primera vez en Europa en marzo. Denominada tecnología híbrida de perfil hueco (HPH), el desarrollo permite el uso eficiente de subestructuras metálicas tubulares extruidas o soldadas en lugar de láminas metálicas estampadas o estampadas más soldadas para lograr un mayor rendimiento mecánico de los componentes PMH sujetos a cargas elevadas. La tecnología HPH hizo su debut en Norteamérica del 30 de abril al 1 de mayo en la decimotercera conferencia anual de plásticos de ingeniería automotriz (AutoEPCON) organizada por la Sociedad de Ingenieros de Plásticos (SPE, Bethel, CT, EE. UU.) Y celebrada en los suburbios de Detroit.

Estructuras híbridas plástico-metal “tradicionales”

La tecnología PMH fue desarrollada inicialmente alrededor de 1995 por Bayer AG (Leverkusen, Alemania). El equipo de compuestos y la tecnología PMH se escindieron como parte de los negocios de Químicos y Polímeros de Bayer en 2004 para convertirse en LANXESS Corp. (Pittsburgh, PA, EE. UU.).

PMH utiliza una subestructura de chapa metálica de aluminio o acero estampada perforada selectivamente que se coloca en una herramienta de moldeo por inyección que, por lo general, se sobremoldea selectivamente (es decir, el sustrato metálico no está completamente encapsulado) con poliamida reforzada con fibra de vidrio 6 (GR-PA 6). La estructura híbrida resultante presenta la elección de piezas funcionales por parte del diseñador de piezas, incluidos soportes, nervios, protuberancias y otras geometrías de material compuesto en el exterior. Las perforaciones, que permiten que el compuesto termoplástico fluya a través y alrededor de la subestructura metálica, fomentan una fuerte unión entre ambos materiales y permiten que la estructura resultante ofrezca lo mejor de ambos mundos. Es decir, la pieza se beneficia de la alta rigidez y resistencia de la chapa de pared delgada, pero se refuerza y ​​estabiliza, por ejemplo, mediante nervaduras compuestas que evitan que el metal se pandee. Además, el compuesto aporta resistencia a la corrosión, buen acabado superficial, menor peso y mayor consolidación de las piezas e integración funcional lograda en un solo paso, eliminando así el hardware, los soportes y las operaciones secundarias. Y debido a que la matriz es PA 6, también ofrece una buena y amplia resistencia química además de una excelente tenacidad (resistencia al impacto).

Las estructuras PMH son más ligeras y tienen muchas menos piezas (producidas en muchos menos pasos) que las estructuras de chapa metálica comparables con la misma funcionalidad, pero tienen una mecánica más alta que un compuesto termoplástico reforzado con fibra discontinua solo. Esto es particularmente útil en los casos en que el espacio es limitado y las secciones de pared gruesas no son deseables. La capacidad de reducir en gran medida el recuento de piezas y los pasos de producción no solo reduce los costos y el espacio de fabricación, sino que también reduce los costos de inventario y garantía. Y debido a que su matriz es un termoplástico, la estructura híbrida se puede separar y reciclar al final de la vida útil del vehículo.

Debido a sus beneficios de reciclaje y rendimiento, la tecnología PMH se ha utilizado durante muchos años para producir una variedad de componentes automotrices, desde conjuntos grandes como módulos frontales y vigas de parachoques hasta componentes debajo del capó. También se ha utilizado en aplicaciones no automotrices, como patines en línea y componentes en scooters y automóviles pequeños todoterreno.

Estructuras tubulares

Como ocurre con cualquier tecnología, PMH tiene algunas desventajas. Primero, la amortización de los costos de herramientas de metal y plástico (ambos tipos son necesarios con esta técnica) probablemente requiera su aplicación a programas de vehículos de volumen medio a alto. Es demasiado costoso para la producción de nicho a menos que los costos de herramientas se puedan compartir con modelos similares en la misma plataforma. En segundo lugar, como se aplica convencionalmente, la tecnología PMH se usa mejor con subestructuras de chapa de metal 2D o 2.5D simples, por ejemplo, secciones en forma de L, C o más planas. Sin embargo, esas estructuras a menudo carecen de suficiente resistencia a la torsión para cumplir con ciertos requisitos de alto rendimiento. Además, no es posible hacer estructuras de forma cerrada / tubulares (piense en la sección en O y otras secciones transversales tubulares o cuadradas) a través de PMH porque un perfil cerrado colapsaría bajo las altas presiones del moldeo por inyección.

"La idea de estructuras híbridas de perfil hueco evolucionó a partir de una lista de aplicaciones automotrices estructurales de alta carga, donde era muy deseable reducir la masa y agregar integración funcional, pero donde la tecnología PMH actual no era lo suficientemente fuerte para cumplir con los requisitos de rendimiento". explica Joseph Aiello, ingeniero de desarrollo de aplicaciones estructurales de LANXESS. Él cita la viga transversal como un componente HPH teóricamente ideal, ya que es pesado y contiene una multitud de soportes y otros accesorios de metal. Las vigas transversales se utilizan en todos los vehículos de pasajeros para proporcionar rigidez a la torsión al chasis. También proporcionan puntos de fijación para componentes que penetran desde el compartimiento del motor en el interior del vehículo (por ejemplo, volantes) y para componentes que se fijan desde puntos frente al cortafuegos y se proyectan hacia la cabina de pasajeros (por ejemplo, paneles de instrumentos y consolas centrales). . El trabajo anterior que aplicaba la tecnología PMH a una viga transversal carecía de un rendimiento mecánico suficiente porque el esfuerzo se centró en un intento de crear las subestructuras metálicas tubulares (de forma cerrada) para la viga soldando dos estructuras PMH abiertas en forma de L juntas después de que fueron sobremoldeado. “Dado que una estructura de forma cerrada es bien conocida en ingeniería por ser más fuerte que una estructura abierta, un lugar lógico para comenzar a aumentar el rendimiento mecánico de los híbridos plástico-metal era encontrar una manera de aplicar la tecnología a vigas huecas o tubos con tubos redondos. o secciones transversales rectangulares ”, agrega Aiello.

El desafío, como siempre, fue lograr una unión de alta resistencia entre la subestructura metálica y cualquier componente funcional compuesto sobremoldeado sobre ella, una característica particularmente importante para los componentes críticos para la estructura, como las vigas transversales del automóvil. Inicialmente, el equipo trabajó en una tecnología adecuada para sobremoldear tubos estándar sin necesidad de equipos especiales. La pregunta era cómo deformar selectivamente el tubo - crear hoyuelos o depresiones - en la máquina de moldeo por inyección que aseguraría un buen enclavamiento entre el tubo de metal y la matriz, y así lograr una alta fuerza de unión entre la subestructura metálica y el compuesto sobremoldeado sin causar el tubo colapsar a las altas presiones que se observan típicamente durante el ciclo de moldeo. Después de mucho estudio, el mismo equipo de LANXESS que desarrolló inicialmente la tecnología PMH también desarrolló el proceso HPH.

Básicamente, HPH utiliza "elementos estructurales" de PA 6 de alto flujo, altamente reforzados con vidrio - tubos sólidos moldeados por inyección con nervaduras / aletas especialmente diseñadas que se proyectan hacia el exterior - que se colocan en el centro hueco de un tubo de acero o aluminio, es decir, a su vez, se inserta en una máquina de moldeo por inyección y se sobremoldea con compuesto GR-PA 6 adicional para formar soportes externos y otros componentes funcionales. Los elementos estructurales, que se insertan en un tubo antes de que ese tubo se coloque en la prensa para sobremoldear, evitan el colapso del tubo durante el moldeo y ayudan a dar forma / deformar el tubo a través de un proceso llamado rebordear o formar hoyuelos, durante el proceso de moldeo a alta presión, por lo tanto asegurando una fuerte unión entre materiales metálicos y compuestos. Este elemento interno permanece en el tubo para agregar soporte estructural.

LANXESS informa que los elementos internos con nervaduras / aletas pueden incluso diseñarse para usarse con tubos perforados de acero o aluminio. Funcionan como las perforaciones utilizadas en la tecnología PMH convencional.

Para eliminar la necesidad de un segundo molde, esa herramienta puede diseñarse para incluir espacio en una cavidad lateral para moldear elementos estructurales para los tubos que se usarán en la siguiente toma mientras sobremoldea un tubo dado reforzado con elementos estructurales. Y, según se informa, todo el proceso se puede automatizar por completo, si se desea.

En comparación con las estructuras PMH convencionales, con subestructuras estampadas o estampadas más soldadas, se dice que las estructuras HPH ofrecen una mayor rigidez y resistencia a la torsión y una mejor estabilidad dimensional en una sección transversal, masa y espesor comparables, pero aún brindan todos los beneficios clásicos de Proceso PMH original de LANXESS.

¿Qué sigue?

Las aplicaciones de HPH objetivo incluyen estructuras híbridas compuestas / metálicas con altas demandas mecánicas que incluyen no solo vigas transversales de automóviles, sino también marcos de asientos de automóviles y módulos frontales, puertas traseras de camiones y soportes de retrovisores. Fuera del ámbito de la automoción, podría utilizarse para producir muebles, escaleras o incluso cochecitos de bebé. Demasiado nuevo para haber establecido aplicaciones comerciales todavía, se dice que HPH es parte de muchos proyectos de desarrollo en las obras y LANXESS dice que continúa evaluando oportunidades, e informa que todavía está trabajando en algunos lanzamientos de tecnología para completar su solicitud de patente, lo que se enviará a finales de este año.

¿Qué podría ser lo próximo para HPH? LANXESS también dice que previamente ha realizado investigaciones sobre PMH utilizando PA 6/6 y matrices de tereftalato de polibutileno (PBT) y refuerzo de fibra de carbono, e incluso ha evaluado subestructuras de magnesio, aunque la gran mayoría de las aplicaciones comerciales permanecen en GR-PA 6 con niveles de carga de vidrio. de 30-60%. Teóricamente, se podrían usar las mismas combinaciones de materiales para HPH, aunque el equipo se centra en un 60% de GR-PA 6. Si se usara refuerzo de fibra de carbono, las subestructuras metálicas deberían aislarse (probablemente mediante un recubrimiento) para evitar la corrosión galvánica. O, para aplicaciones menos estructurales, debería ser posible utilizar un tubo extruido o pultruido de un plástico o compuesto.