Composto + metal:tecnologia híbrida de perfil oco

A sobremoldagem por injeção tem estado muito nas notícias da indústria de compósitos ultimamente, mas principalmente no campo da criação de compósitos híbridos. Pré-impregnados reforçados com fibra contínua moldados ou formatos compostos pré-curados são posicionados dentro da cavidade do molde e, em seguida, encapsulados dentro de uma parte moldada por injeção reforçada com fibra curta maior, de modo a fornecer reforço extra apenas onde necessário para evitar peças sobredimensionadas e controlar os custos de produção. Quase despercebidas nesta enxurrada de publicidade, estão as notícias em torno das estruturas híbridas de plástico / metal (PMH) - aquelas que combinam a injeção de subestruturas de folha de metal moldadas com um composto termoplástico.

A categoria PMH foi recentemente expandida graças a um novo desenvolvimento anunciado pela primeira vez na Europa em março. Chamada de tecnologia híbrida de perfil oco (HPH), o desenvolvimento permite o uso eficiente de subestruturas de metal tubular soldadas ou extrudadas no lugar de chapas de metal estampadas ou estampadas e soldadas para obter maior desempenho mecânico para componentes PMH sujeitos a altas cargas. A tecnologia HPH fez sua estreia na América do Norte de 30 de abril a 1º de maio na 13ª Conferência Anual de Plásticos de Engenharia Automotiva (AutoEPCON) organizada pela Sociedade de Engenheiros de Plásticos (SPE, Bethel, CT, EUA) e realizada nos subúrbios de Detroit.

Estruturas híbridas plástico-metal “tradicionais”

A tecnologia PMH foi inicialmente desenvolvida por volta de 1995 pela Bayer AG (Leverkusen, Alemanha). A equipe de compósitos e a tecnologia PMH foram desmembradas como parte dos negócios de Produtos Químicos e Polímeros da Bayer em 2004 para se tornarem LANXESS Corp. (Pittsburgh, PA, EUA).

PMH usa uma subestrutura de folha de metal de aço ou alumínio perfurada seletivamente que é colocada em uma ferramenta de moldagem por injeção que é, normalmente, seletivamente sobremoldada (isto é, o substrato de metal não é totalmente encapsulado) com poliamida 6 reforçada com fibra de vidro (GR-PA 6). A estrutura híbrida resultante apresenta a escolha do designer de peças de peças funcionais, incluindo suportes, nervuras, saliências e outras geometrias compostas na parte externa. As perfurações, que permitem que o composto termoplástico flua através e ao redor da subestrutura de metal, estimulam uma forte ligação entre os dois materiais e permitem que a estrutura resultante ofereça o melhor dos dois mundos. Ou seja, a peça se beneficia da alta rigidez e resistência das chapas de metal de parede fina, mas é enrijecida e estabilizada, por exemplo, por nervuras compostas que evitam que o metal debre. Além disso, o composto contribui com resistência à corrosão, bom acabamento superficial, menor peso e maior consolidação de peças e integração funcional alcançada em uma única etapa, eliminando hardware, suportes e operações secundárias. E como a matriz é PA 6, ela também oferece boa e ampla resistência química, além de excelente tenacidade (resistência ao impacto).

As estruturas PMH são mais leves e têm muito menos peças (produzidas em muito menos etapas) do que as estruturas de folha de metal comparáveis ​​com a mesma funcionalidade, embora tenham maior mecânica do que um compósito termoplástico reforçado com fibra descontínua sozinho. Isso é particularmente útil nos casos em que o espaço é limitado e as seções de parede espessas são indesejáveis. A capacidade de reduzir significativamente a contagem de peças e as etapas de produção não apenas reduz o custo e a pegada de fabricação, mas também reduz os custos de estoque e garantia. E como sua matriz é termoplástica, a estrutura híbrida pode ser separada e reciclada no final da vida útil do veículo.

Por causa de seus benefícios de reciclabilidade e desempenho, a tecnologia PMH tem sido usada por muitos anos para produzir uma variedade de componentes automotivos, desde grandes conjuntos como módulos frontais e travessas de pára-choques até componentes sob o capô. Ele também tem sido usado em aplicações não automotivas, como patins e componentes em scooters e pequenos carros off-road.

Estruturas tubulares

Como acontece com qualquer tecnologia, o PMH tem algumas desvantagens. Primeiro, a amortização dos custos de ferramentas de metal e plástico (ambos os tipos são necessários com esta técnica) provavelmente exigirá a aplicação em programas de veículos de médio a alto volume. É muito caro para a produção de nicho, a menos que os custos de ferramentas possam ser compartilhados com modelos semelhantes na mesma plataforma. Em segundo lugar, como convencionalmente aplicada, a tecnologia PMH é melhor usada com subestruturas de folha de metal 2D ou 2,5D simples, por exemplo, em forma de L, C ou seções mais planas. No entanto, essas estruturas geralmente carecem de resistência à torção suficiente para atender a certos requisitos de alto desempenho. Além disso, não é possível fazer estruturas de forma fechada / tubular (pense em seção O e outras seções transversais tubulares ou quadradas) via PMH porque um perfil fechado entraria em colapso sob as altas pressões da moldagem por injeção.

“A ideia de estruturas híbridas de perfil oco evoluiu de uma lista de aplicações automotivas estruturais de alta carga, onde era altamente desejável reduzir a massa e adicionar integração funcional, mas onde a tecnologia PMH atual não era forte o suficiente para atender aos requisitos de desempenho,” explica Joseph Aiello, engenheiro de desenvolvimento de aplicativos estruturais da LANXESS. Ele cita a viga do carro transversal como um componente HPH teoricamente ideal, uma vez que é pesado e contém uma infinidade de suportes e outros acessórios de metal. Vigas transversais são usadas em todos os veículos de passageiros para fornecer rigidez de torção ao chassi. Eles também fornecem pontos de fixação para componentes que penetram do compartimento do motor no interior do veículo (por exemplo, volantes) e para componentes que se prendem a partir de pontos na frente do firewall e se projetam na cabine de passageiros (por exemplo, painéis de instrumentos e consoles centrais) . O trabalho anterior que aplicava a tecnologia PMH a uma viga transversal carecia de desempenho mecânico suficiente porque o esforço se concentrava em uma tentativa de criar as subestruturas metálicas tubulares (de forma fechada) para a viga soldando duas estruturas PMH abertas em forma de L depois de terem sido sobremoldado. “Uma vez que uma estrutura de forma fechada é bem conhecida na engenharia por ser mais forte do que uma estrutura aberta, um lugar lógico para começar a aumentar o desempenho mecânico de híbridos de metal e plástico era encontrar uma maneira de aplicar a tecnologia a vigas ocas ou tubos com ou seções transversais retangulares ”, acrescenta Aiello.

O desafio, como sempre, era conseguir uma ligação de alta resistência entre a subestrutura metálica e qualquer componente funcional composto que foi sobremoldado nela - uma característica particularmente importante para componentes de estrutura crítica, como vigas do vagão cruzado. Inicialmente, a equipe trabalhou em uma tecnologia adequada para a sobremoldagem de tubos padrão sem a necessidade de equipamentos especiais. A questão passou a ser como deformar seletivamente o tubo - criar covinhas ou depressões - na máquina de moldagem por injeção que garantiria um bom intertravamento entre o tubo de metal e a matriz, e assim alcançar alta resistência de união entre a subestrutura metálica e o compósito sobremoldado sem causar o tubo para entrar em colapso nas altas pressões normalmente vistas durante o ciclo de moldagem. Depois de muito estudo, a mesma equipe da LANXESS que inicialmente desenvolveu a tecnologia PMH também desenvolveu o processo HPH.

Basicamente, o HPH usa "elementos estruturais" de PA 6 de alto fluxo, altamente reforçado com vidro - tubos sólidos moldados por injeção com nervuras / aletas especialmente projetadas projetando-se para fora - que são colocados no centro oco de um tubo de aço ou alumínio que é, por sua vez, inserido em uma máquina de moldagem por injeção e sobremoldado com compósito GR-PA 6 adicional para formar braquetes externos e outros componentes funcionais. Os elementos estruturais - que são inseridos em um tubo antes que o tubo seja colocado na prensa para sobremoldagem - evitam o colapso do tubo durante a moldagem e ajudam a moldar / deformar o tubo por meio de um processo denominado perolização ou ondulação, durante o processo de moldagem de alta pressão. garantindo uma forte ligação entre materiais metálicos e compostos. Este elemento interno permanece no tubo para adicionar suporte estrutural.

A LANXESS relata que os elementos internos com nervuras / aletas podem até ser projetados para serem usados ​​com tubos de aço ou alumínio perfurados. Elas funcionam como as perfurações usadas na tecnologia PMH convencional.

Para eliminar a necessidade de um segundo molde, essa ferramenta pode ser projetada para incluir espaço em uma cavidade lateral para moldar elementos estruturais para tubos a serem usados ​​na próxima injeção enquanto ela molda um determinado tubo reforçado com elementos estruturais. E todo o processo pode ser totalmente automatizado, se desejado.

Em comparação com as estruturas PMH convencionais, com subestruturas estampadas ou estampadas e soldadas, as estruturas HPH oferecem maior rigidez e resistência à torção e melhor estabilidade dimensional em seção transversal, massa e espessura comparáveis, mas ainda fornecem todos os benefícios clássicos de Processo PMH original da LANXESS.

O que vem a seguir?

As aplicações de HPH alvo incluem estruturas híbridas de metal / composto com altas demandas mecânicas que incluem não apenas vigas transversais do carro, mas também estruturas de assento de carro e módulos frontais, portas traseiras de caminhão e suportes de espelho. Fora da área automotiva, pode ser utilizado na produção de móveis, escadas ou até carrinhos de bebê. Muito nova para ter aplicações comerciais estabelecidas ainda, HPH é considerada parte de muitos projetos de desenvolvimento em andamento e a LANXESS diz que continua avaliando oportunidades e relata que ainda está trabalhando em alguns lançamentos de tecnologia para concluir seu pedido de patente, o que irá ser apresentado ainda este ano.

O que pode ser o próximo para HPH? A LANXESS também afirma que já fez pesquisas de PMH usando matrizes de PA 6/6 e tereftalato de polibutileno (PBT) e reforço de fibra de carbono, e até avaliou subestruturas de magnésio, embora a grande maioria das aplicações comerciais permaneça em GR-PA 6 com níveis de carregamento de vidro de 30-60%. Teoricamente, as mesmas combinações de materiais poderiam ser usadas para HPH, embora o foco da equipe permaneça em 60% GR-PA 6. Se o reforço de fibra de carbono fosse usado, as subestruturas de metal precisariam ser isoladas (provavelmente por meio de um revestimento) para evitar a corrosão galvânica. Ou, para aplicações menos estruturais, deve ser possível usar um tubo extrudado ou pultrudado de um plástico ou composto.