Tecnología de perfil hueco híbrido: Fusionando compuesto y metal para refuerzo superior

El sobremoldeo por inyección ha estado mucho en las noticias de la industria de compuestos últimamente, pero principalmente en el ámbito de la creación de compuestos híbridos. Preimpregnados de fibra continua moldeados o formas compuestas pre-curadas se posicionan dentro de la cavidad del molde y luego se encapsulan dentro de una pieza moldeada por inyección reforzada con fibra corta de mayor tamaño de tal manera que proporcionan refuerzo extra solo donde se necesita para evitar piezas sobrediseñadas y controlar costes de producción. Casi inadvertida en esta avalancha de publicidad está la noticia sobre estructuras híbridas plástico-metal (PMH) —aquellas que combinan subestructuras de chapa metálica sobremoldeadas por inyección con un compuesto termoplástico.

La categoría PMH se expandió recientemente gracias a un nuevo desarrollo anunciado primero en Europa en marzo. Llamada tecnología de perfil hueco híbrido (HPH), el desarrollo permite el uso eficiente de subestructuras metálicas tubulares extruidas o soldadas en lugar de chapa estampada o estampada-más-soldada para lograr mayor rendimiento mecánico para componentes PMH sujetos a altas cargas. La tecnología HPH debutó en Norteamérica del 30 de abril al 1 de mayo en la 13ª 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 se desarrolló 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 usa una subestructura de chapa de acero o aluminio estampada y perforada selectivamente que se coloca en una herramienta de moldeo por inyección que es, típicamente, sobremoldeada selectivamente (es decir, el sustrato metálico no está completamente encapsulado) con poliamida 6 reforzada con fibra de vidrio (GR-PA 6). La estructura híbrida resultante presenta la elección del diseñador de piezas funcionales, incluyendo soportes, nervios, bosses y otras geometrías en compuesto en el exterior. Las perforaciones, que permiten que el compuesto termoplástico fluya a través y alrededor de la subestructura metálica, fomentan una unión fuerte 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 chapa de pared delgada, pero se rigidiza y estabiliza por, por ejemplo, nervios de compuesto que evitan el pandeo del metal. Además, el compuesto aporta resistencia a la corrosión, buen acabado superficial, menor peso y mayor consolidación de piezas e integración funcional lograda en un solo paso, eliminando así herrajes, soportes y operaciones secundarias. Y como la matriz es PA 6, también ofrece buena y amplia resistencia química más excelente tenacidad (resistencia al impacto).

Las estructuras PMH son más ligeras y tienen muchas menos piezas (producidas en muchos menos pasos) que estructuras de chapa metálica comparables con la misma funcionalidad, sin embargo tienen propiedades mecánicas más altas que un compuesto termoplástico reforzado con fibra discontinua solo. Esto es particularmente útil en casos donde el espacio es limitado, y secciones de pared gruesas son indeseables. La capacidad de reducir drásticamente el número de piezas y pasos de producción no solo reduce coste y huella de fabricación, sino que también reduce inventario y costes de garantía. Y como su matriz es un termoplástico, la estructura híbrida puede separarse y reciclarse al final de la vida del vehículo.

Debido a su reciclabilidad y beneficios de rendimiento, la tecnología PMH se ha usado durante muchos años para producir una variedad de componentes automotrices, desde grandes ensamblajes como módulos frontales y vigas de parachoques hasta componentes bajo capó. También se ha usado en aplicaciones no automotrices, como patines en línea, y componentes en scooters y coches pequeños todoterreno.

Estructuras tubulares

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

"La idea para estructuras híbridas de perfil hueco evolucionó de una lista de aplicaciones estructurales automotrices de alta carga, donde era altamente deseable reducir masa e integrar funcionalidad, pero donde la tecnología PMH actual no era lo suficientemente fuerte para cumplir requisitos de rendimiento", explica Joseph Aiello, ingeniero de desarrollo de aplicaciones estructurales de LANXESS. Cita la viga transversal del coche como componente teóricamente ideal HPH, ya que es pesada y contiene una multitud de soportes y otros accesorios en metal. Las vigas transversales se usan en todo vehículo de pasajeros para proporcionar rigidez torsional al chasis. También proporcionan puntos de fijación para componentes que penetran desde el compartimento del motor al interior del vehículo (p. ej., volantes) y para componentes que se fijan desde puntos delante del tabique y proyectan en la cabina de pasajeros (p. ej., paneles de instrumentos y consolas centrales). Trabajos previos aplicando tecnología PMH a una viga transversal carecían de 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 después de que fueron sobremoldeadas. "Dado que una estructura de forma cerrada es bien conocida en ingeniería por ser más fuerte que una estructura abierta, un lugar lógico para empezar a aumentar el rendimiento mecánico de híbridos plástico-metal era encontrar una forma de aplicar la tecnología a vigas o tubos huecos con secciones transversales redondas o rectangulares", añade Aiello.

El desafío, como siempre, era lograr una unión de alta resistencia entre la subestructura metálica y cualquier componente funcional compuesto que se sobremoldeara sobre ella —una característica particularmente importante para componentes críticos de estructura como vigas transversales. Inicialmente, el equipo trabajó en una tecnología adecuada para sobremoldear tubos estándar sin necesidad de equipo especial. La pregunta era cómo deformar selectivamente el tubo —crear hoyuelos o depresiones— en la máquina de moldeo por inyección que aseguraran un buen encaje entre el tubo metálico y la matriz, y así lograr alta resistencia de unión entre la subestructura metálica y el compuesto sobremoldeado sin causar el colapso del tubo a las altas presiones típicas durante el ciclo de moldeo. Tras mucho estudio, el mismo equipo de LANXESS que inicialmente desarrolló la tecnología PMH también desarrolló el proceso HPH.

Básicamente, HPH usa elementos "estructurales" de PA 6 de alto flujo, altamente reforzado con vidrio —tubos sólidos moldeados por inyección con nervios/aletas especialmente diseñados proyectando hacia fuera— que se colocan dentro del centro hueco de un tubo de acero o aluminio que, 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 sobremoldeo— previenen el colapso del tubo durante el moldeo y ayudan a formar/deformar el tubo vía un proceso llamado abollado o hoyuelado, durante el proceso de moldeo a alta presión, asegurando así una unión fuerte entre materiales metálicos y compuestos. Este elemento interno permanece en el tubo para añadir soporte estructural.

LANXESS reporta que los elementos internos con nervios/aletas incluso pueden diseñarse para usarse con tubos de acero o aluminio perforados. Estos funcionan como las perforaciones usadas 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 tubos que se usarán en el siguiente disparo mientras sobremoldea un tubo dado reforzado con elementos estructurales. Y todo el proceso, según informes, puede automatizarse completamente, si se desea.

Comparadas con estructuras PMH convencionales, con subestructuras estampadas o estampadas-más-soldadas, se dice que las estructuras HPH ofrecen mayor rigidez y resistencia torsional y mejor estabilidad dimensional a sección transversal, masa y espesor comparables, sin embargo aún proporcionan todos los beneficios clásicos del proceso PMH original de LANXESS.

¿Qué sigue?

Las aplicaciones objetivo HPH incluyen estructuras híbridas compuesto/metal con altas demandas mecánicas que incluyen no solo vigas transversales sino también estructuras de asientos de coche, módulos frontales, portones traseros de camión y soportes de retrovisores. Fuera del ámbito automotriz, podría usarse para producir muebles, escaleras o incluso cochecitos de bebé. Demasiado nueva para tener aplicaciones comerciales establecidas aún, se dice que HPH es parte de muchos proyectos de desarrollo en marcha y LANXESS dice que continúa evaluando oportunidades, y reporta que aún está trabajando en algunas liberaciones de tecnología para completar su solicitud de patente, que se presentará a finales de este año.

¿Qué podría ser lo siguiente para HPH? LANXESS también dice que ha hecho previamente investigación PMH usando matrices PA 6/6 y tereftalato de polibutileno (PBT) y refuerzo de fibra de carbono, e incluso ha evaluado subestructuras de magnesio, aunque la gran mayoría de aplicaciones comerciales permanecen en GR-PA 6 con niveles de carga de vidrio del 30-60%. Teóricamente las mismas combinaciones de materiales podrían usarse para HPH, aunque el enfoque del equipo permanece en 60% GR-PA 6. Si se usara refuerzo de fibra de carbono, las subestructuras metálicas necesitarían aislarse (probablemente vía un recubrimiento) para prevenir corrosión galvánica. O, para aplicaciones menos estructurales, debería ser posible usar un tubo extruido o pultruido de un plástico o compuesto.