O design do esqueleto permite autoestruturas compostas mais competitivas

À medida que os fabricantes buscam reduzir o custo dos componentes compostos, os projetistas se esforçam para usar os materiais constituintes da forma mais eficiente possível, ao mesmo tempo que permitem a produção automatizada e a integração de várias funções. Para aplicações automotivas, esse desafio é agravado pela necessidade de tempos de ciclo tão curtos quanto 1-2 minutos.

A sobremoldagem - recursos de compósito termoplástico de moldagem por injeção sobre pré-formas de fibra contínua - tem sido buscada como uma solução possível há anos. Por exemplo, o projeto CAMISMA demonstrou um encosto de assento de compósito sobremoldado em 2014 (consulte "Encosto do assento de carro da CAMISMA:Composto híbrido para alto volume"). “Mas esta abordagem foi levada para o próximo nível, agora alcançando a produção totalmente automatizada de estruturas de compósito termoplástico BIW [corpo em branco]”, explica o Dr. Christoph Ebel, chefe do Centro de Aplicação e Peso leve da SGL Carbon (Wiesbaden, Alemanha) (LAC, Meitingen, Alemanha).

Esse avanço se deve a uma abordagem de design de “esqueleto” que está em desenvolvimento há vários anos. Como primeiro demonstrado no projeto MAI Skelett em 2015, o processo envolve o uso de fibra de carbono unidirecional (UD) termoplástico pultrusões que são termoformadas e sobremoldadas em um processo de duas etapas e 75 segundos para produzir um membro de telhado estrutural que excede todos os requisitos da versão anterior. Ele também integra clipes para anexos e altera o comportamento de colisão do modo de falha frágil para dúctil para aumentar a resistência residual do BIW (consulte “Mais detalhes sobre o processo de projeto MAI Skelett”).

Demonstrador MAI Skelett

O projeto MAI Skelett de 17 meses foi apoiado pelo Ministério Federal Alemão de Educação e Pesquisa (BMBF) e concluído pela MAI Carbon, uma divisão regional da Carbon Composites e.V. (Augsburg). Liderado pela BMW (Munique, Alemanha), o foco do projeto foi realizar um demonstrador específico:a estrutura do pára-brisa, localizada entre os dois pilares A acima do pára-brisa de vidro. Seu design foi baseado no atual BMW i3 estrutura, incluindo todos os requisitos funcionais e de espaço. A moldura do pára-brisa não serve apenas como membro estrutural transversal do teto, mas também oferece outras funções:rigidez, que também reduz o ruído, a vibração e a aspereza (NVH); força (teste de prensagem do telhado) para ajudar a atender aos requisitos de colisão; uma fixação para componentes internos (por exemplo, viseira, acabamento interno, chicote de fiação para iluminação, etc.), bem como suporte para conexões com o para-brisa, teto solar e painel de teto externo.

A estrutura do pára-brisa com design de esqueleto compreendia quatro barras pultrudadas reforçadas com fibra UD nos cantos da peça, encapsuladas em uma estrutura sobremoldada para fornecer rigidez de torção e acessórios funcionais de formato complexo. Os perfis pultrudados não estão todos em um plano, mas em diferentes alturas:dois estão perto da parte inferior da parte de 60 milímetros de altura e dois estão perto do topo.

Pultrusões como parte da caixa de ferramentas TP

Para a estrutura do pára-brisa MAI Skelett, uma seção transversal quadrada de 10 por 10 milímetros foi finalizada para o projeto. O objetivo era usar fibras de carbono mais baratas e pesadas. No entanto, a fibra de reboque de 50K escolhida tem um acondicionamento apertado de uma miríade de filamentos que torna a impregnação da resina mais difícil . “Em geral, esse desafio pode ser superado pela orientação otimizada da fibra e espalhamento para alcançar a impregnação ideal e alto teor de volume de fibra em torno de 50 por cento em volume”, disse o gerente de produto SGL para termoplásticos Veronika Bühler. A SGL dominou essa tecnologia e agora oferece pultrusões como parte de sua caixa de ferramentas de termoplástico. “Já tínhamos um amplo conhecimento em produtos semiacabados por causa das nossas fitas termoplásticas, que também são à base de pultrusão. Assim, fomos capazes de adaptar rapidamente nossas tecnologias de pultrusão usadas atualmente para criar nossos próprios perfis. ” O processo inclui testes de qualidade para volume de fibra, porosidade e precisão dimensional. “Este último é muito importante devido à automação e ao manuseio do robô”, ela continua. “Não pode haver curvatura, por exemplo, devido à tensão residual nos perfis pultrudados.”

Além dos reforços de pultrusão, as resinas termoplásticas também foram investigadas no MAI Skelett. Vários tipos de poliamida 6 (PA6 ou náilon 6) foram testados para determinar a viscosidade e reologia necessárias para otimizar a qualidade e velocidade da pultrusão. A SGL ofereceu uma gama de materiais para o projeto por meio de sua caixa de ferramentas termoplásticas, que compreende fitas UD, organosheets, fibra cortada para compostos reforçados com fibras curtas e longas e agora pultrusões reforçadas com UD, todos baseados em fibras de carbono SIGRAFIL 50K com dimensionamento adequado para uma matriz de polipropileno (PP) e poliamidas, incluindo PA6 ou PA6 in situ. “É essencial harmonizar fibras, dimensionamento e matriz para atingir o desempenho ideal das estruturas compostas”, diz Bühler.

Ela também explica o PA6 in-situ:"Isso ocorre quando você reage monômeros de caprolactama, ou um único monômero com um catalisador e um ativador, que então polimeriza [formam longas cadeias de polímero] durante a moldagem da peça composta." Em outras palavras, a caprolactama polimeriza in situ em uma poliamida. Bühler observa que as poliamidas como um grupo de polímero incluem PA66 e PA12, bem como certos tipos de PPA como opções de matriz adicionais.

Outro aspecto importante da fabricação da moldura do pára-brisa é a capacidade dos produtos semi-acabados termoplásticos de serem termoformados durante e após a moldagem. Isso permite uma maior funcionalização da forma, bem como a ligação por fusão durante a sobremoldagem. Ambos foram fatores importantes no design do demonstrador MAI Skelett.

Termoformação e sobremoldagem

A produção da estrutura do pára-brisa MAI Skelett começou com perfis pultrudados de fibra de carbono / PA6. Em seguida, eles tiveram que ser modificados para acomodar a forma do componente, bem como a introdução de carga em diferentes pontos. A termoformação foi escolhida para fazer isso, com a preocupação principal de que a alta resistência e rigidez da fibra de carbono só poderiam ser obtidas mantendo-a o mais reta possível. Isso foi obtido quando as barras pultrudadas foram esticadas na direção do fluxo da matriz e, a seguir, achatadas e dobradas nas extremidades das barras (Fig. 1).

A segunda etapa do processo foi colocar os perfis pultrudados termoformados sob um aquecedor infravermelho para trazê-los à temperatura em menos de 50 segundos, seguido pela transferência para um molde de injeção por meio de um sistema de manuseio automatizado desenvolvido para essa finalidade. Todas as peças do projeto foram produzidas em máquinas de moldagem por injeção existentes. O composto reforçado com fibra foi então moldado nos perfis e em torno deles. A precisão era necessária tanto no molde quanto no processo durante a sobremoldagem para manter as quatro barras pultrudadas termoformadas em posição.

O tempo total de ciclo para o processo de duas etapas (termoformação e sobremoldagem de pultrusões pré-fabricadas) foi de aproximadamente 75 segundos. “Como a matriz termoplástica é fundida novamente antes da sobremoldagem, ela permite formar e unir as barras pré-fabricadas e termoformadas na peça acabada em tempos de ciclo muito curtos”, explica Ebel. “Geralmente, a fusibilidade dos termoplásticos também permite a união até com componentes metálicos”, acrescenta Bühler, observando que os processos de termoformação e moldagem por injeção de termoplásticos oferecem excelente reprodutibilidade e controle de processo, que são fatores críticos para a produção de alto volume.

Falha dúctil

Perfis PPA e PA6 com compostos de moldagem compatíveis usando fibra de vidro e carbono foram avaliados para explorar um modo de falha mais dúctil para o componente. Embora um modo de falha mais dúctil diminua a quantidade de carga que a estrutura do pára-brisa poderia transferir, ele melhorou a integridade estrutural do BIW como um todo.

Os métodos de análise incluíram modelagem de sólidos, modelagem de vergalhões (modelagem geométrica onde as pultrusões agem como vergalhões reforçando a sobremoldagem) e modelagem usando elementos de casca, bem como várias combinações destes. O software incluiu o solucionador FE ABAQUS (Dassault Systèmes, Paris, França) e o solucionador de parâmetros Dakota desenvolvido pelo Sandia National Laboratories (Albuquerque, N.M., EUA). OptiStruct (Altair Engineering, Troy, Mich., U.S.) foi usado para otimização da topologia.

Embora a BMW não tenha especificado uma combinação de material preferencial em seu relatório final do projeto, ela concluiu que a simulação final e os resultados dos testes mostraram que os componentes do esqueleto excedeu todos os requisitos para a atual peça de plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP), exceto para rigidez torcional, que foi determinada como não sendo um fator chave no design da estrutura do pára-brisa. O design do esqueleto excedeu o nível de carga e a absorção de energia em casos de carga de colisão em comparação com a parte CFRP atual. Ele também conseguiu obter um modo de falha mais dúctil, que avança ainda mais não apenas o desempenho em colisões da estrutura composta, mas também a compreensão desse desempenho em colisões e como ele se relaciona com a estrutura BIW como um todo.

Futuros aplicativos de design de esqueleto

No relatório final da MAI Skelett, a BMW observou que identificou seis outros componentes do veículo que poderiam se beneficiar da redução significativa nos custos de fabricação, material e ferramentas proporcionada pelo uso da abordagem de design de esqueleto. SGL Carbon sugere aplicações em estruturas de assentos automotivos e aeroespaciais, painéis, braços de robô, bancos de raios-X e muito mais.

No entanto, a abordagem de design de esqueleto foi desenvolvida ainda mais, estendendo-se para multiaxialmente componentes estressados ​​no projeto subsequente MAI Multiskelett (que foi conduzido de setembro de 2015 a junho de 2017). Observou as áreas onde os componentes do rolamento e os perfis pultrudados se cruzam, e também nas áreas de introdução de alta carga, particularmente para grandes componentes estruturais onde vários caminhos de carga principais se cruzam. Como no projeto Skelett anterior, foram investigados projetos de componentes e linhas de produção em série de baixo custo.

Um exemplo de como o design do esqueleto pode otimizar ainda mais os componentes compostos existentes é o interior frontal do Carbon Carrier para um veículo elétrico (Fig. 2) desenvolvido pela SGL e pelo especialista em tecnologia automotiva Bertrandt (Ehningen, Alemanha) em 2017. Integrando todas as principais funções e componentes de acabamento de um painel de instrumentos convencional, o Carbon Carrier foi baseado em uma organosheet termoformada como a "espinha dorsal" de suporte de carga para adicionar rigidez. “No futuro, essa peça poderá ser substituída por um design com perfis termoplásticos sobremoldados”, diz Ebel. “Isso omitiria as operações de corte, disposição e aparamento da folha orgânica. Além disso, o membro transversal ficaria obsoleto porque o integraríamos como perfis pultrudados e os sobremoldaríamos para obter o design do painel. Essa parte sobremoldada também forneceria mais espaço e flexibilidade para acomodar os elementos fixados necessários, bem como parafusos e clipes para fixar esses elementos ou cabos, etc. ”

Ebel admite que isso seria uma grande mudança de design, “mas reduz custos e torna todo o componente mais eficiente”. Ele ressalta que é possível projetar um processo com quase nenhum desperdício e nenhum desperdício porque os perfis são cortados exatamente no comprimento necessário e nenhum reforço de fibra de carbono é perdido nessas etapas ou na termoformação antes da sobremoldagem. Bühler aponta que os assentos também são os principais candidatos para o design do esqueleto. “Em compósitos, eles normalmente são feitos com tecidos ou fitas, e ainda são estruturas parecidas com folhas. Mas poderíamos diminuir a espessura na área plana integrando perfis na parte inferior e aumentando a rigidez. ” Ela observa que os perfis pultrudados não são o único produto UD eficiente possível para construir. “Também pode ser fita, que se adapta facilmente aos caminhos de carga de cada peça.”

“Estamos visitando várias empresas no Lightweight &Application Center”, disse Ebel. “O design do esqueleto como um conceito inovador adicional inspirou muito interesse e é considerado muito promissor pelos nossos visitantes.” Ele explica que o centro desenvolveu suas capacidades de design e pode ajudar as empresas a integrar ideias inovadoras, como o conceito de esqueleto, para abrir um novo espaço de design para futuros componentes com materiais eficientes.

“Existem muitas aplicações em que podemos usar designs semelhantes à estrutura do pára-brisa”, diz Bühler. “É importante para a indústria avançar da configuração quase isotrópica, o que deixa muito da resistência e rigidez da fibra de carbono sobre a mesa. Em vez disso, devemos explorar formas materiais mais eficientes, colocando cada material apenas onde é necessário. Isso é o que a indústria precisa para o futuro. ”