Revolucionando Assentos de Veículos com Tecnologia de Filament Winding 3D

Sustentabilidade e responsabilidade ambiental estão se tornando impulsionadores cada vez mais prevalentes das tendências tecnológicas na indústria automotiva. Veículos de baixa energia e baixa emissão tornaram-se prioridade para o setor automotivo internacional, e tendências em direção a tecnologias de transporte alternativas como eletromobilidade e mobilidade aérea urbana (UAM) estão ganhando impulso. OEMs buscam materiais e processos emergentes como facilitadores para esses modos prospectivos de viagem, mas a mudança no setor automotivo é muitas vezes lenta. Para que novos materiais e processos sejam totalmente adotados, eles não apenas devem ser qualificados, devem ser econômicos e devem permitir produção em alto volume.

Recentemente, um projeto inovador com potencial para o setor automotivo — bem como mercados emergentes como hipercarros e táxis aéreos — demonstrou como novos materiais, processos e tecnologias, e colaboração estreita entre empresas, podem permitir modos de transporte de próxima geração. O objetivo do projeto era repensar completamente um assento de carro usando tecnologias generativas de ponta, e fazer isso usando apenas a quantidade certa do material certo no lugar certo — e obter resultados rapidamente. O protótipo de assento veicular ultra-leve, híbrido metal-compósito resultante foi desenvolvido, do design à manufatura, em apenas sete meses, através de uma abordagem de design orientada por simulação, métodos de gestão de projetos ágeis e cooperação estreita e integração de sistemas entre as empresas envolvidas.

Construindo um assento melhor

O estudo de viabilidade do assento ultra-leve (ULBS) foi desenvolvido através de uma colaboração entre múltiplas empresas usando uma combinação de tecnologias. A visão do projeto era, nas palavras do grupo, "criar um conceito de assento ultra-leve, excepcional no mercado em termos de otimização de peso." As empresas iniciadoras csi entwicklungstechnik GmbH (csi, Neckarsulm, Alemanha), Alba Tooling & Engineering (Forstau, Áustria) e Automotive Management Consulting (AMC, Penzberg, Alemanha) desenvolveram o protótipo do conceito de assento em colaboração com Covestro (Leverkusen, Alemanha), LBK Fertigung (Friedberg, Alemanha), Robert Hofmann (Lichtenfels, Alemanha) e 3D|CORE (Herford, Alemanha).

O projeto colaborativo resultou em um protótipo de assento com peso um pouco acima de 10 kg, que inclui o estofamento, estrutura estrutural, inserts funcionais e o console de assento que permite montá-lo em um veículo. O assento é 20% mais leve que assentos leves comparáveis no mercado, muitos sendo assentos aftermarket. Segundo o líder do projeto ULBS, Stefan Herrmann, responsável por design leve na CSI, atualmente não há assentos concorrentes no mercado que pesem menos de 12 kg.

"No entanto, uma comparação direta muitas vezes não é justa, porque assentos aftermarket muitas vezes não incluem o console de assento na definição de peso", diz Herrmann, "Além disso, o conforto do assento do ULBS é muito maior comparado a assentos com peso semelhante. Assentos existentes são frequentemente assentos tipo concha, que são ainda mais leves mas não tão confortáveis, ou assentos superesportivos tradicionais, que têm peso muito maior."

O ULBS apresenta várias tecnologias inovadoras, das quais a estrutura de esqueleto de roving de fibra baseada na tecnologia de processo xFK em 3D desempenha o papel mais proeminente. (Veja "Filament winding, reinventado" para mais sobre xFK em 3D e outras tecnologias de filament winding.) A importância fundamental da tecnologia premiada para deposição de roving de fibra contínua reside em sua liberdade de design, na colocação de fibra orientada por simulação e otimizada em material exatamente na direção da carga, bem como na aplicação simples, econômica e sem desperdício de material de fibra. Para a transferência de carga nesta estrutura de quadro, peças impressas em 3D foram usadas. Em áreas com as maiores cargas, como os encaixes do encosto, o assento usa estruturas impressas em 3D feitas de aço inoxidável com alta resistência e alto módulo. Em áreas menos carregadas, impressão 3D de alumínio é usada.

A csi entwicklungstechnik, uma empresa de engenharia especializada em estruturas de carroceria em branco (BIW) de veículos, bem como interiores e exteriores automotivos com áreas de negócio incluindo polímeros reforçados com fibra de carbono (CFRP) e manufatura aditiva, supervisionou e coordenou o projeto baseado na ideia iniciada pela AMC. A csi forneceu estilização, superficiamento, conceito, simulação, engenharia de design e gestão de projeto para o projeto.

Herrmann explica: "A csi foi responsável pelos pacotes de trabalho no domínio da cadeia de processo digital — estilização, design de engenharia, design de superficiamento, simulação CAE, simulação de topologia, simulação de validação e confirmação virtual do projeto."

Ele enfatiza que o que torna o projeto ULBS notável não é apenas o uso de materiais e métodos de manufatura inovadores, mas o desenvolvimento de uma peça complexa que compreende novos designs de componentes dentro de um curto prazo de sete meses usando colaboração estreita entre parceiros.

Enrolando um quadro

Grande parte da redução de peso no projeto ULBS resulta da tecnologia de enrolamento de fibra xFK em 3D da AMC, uma tecnologia de compósito de fibra altamente flexível, configurável, econômica e sustentável para enrolamento de componentes.

O xFK em 3D já foi usado para uma variedade de produtos e aplicações para várias indústrias e segmentos de mercado. O SGL Group (Wiesbaden, Alemanha) exibiu várias peças automotivas e de bicicleta fabricadas via esta tecnologia no salão internacional de compósitos JEC World 2018. Uma das peças exibidas, uma coroa de corrente de bicicleta de fibra de carbono desenvolvida pela AMC, diz-se reduzir peso em até 70% comparado a uma versão de alumínio.

O processo xFK em 3D enrola estruturas de suporte de carga de maneira sem desperdício usando fibras contínuas impregnadas com resina termofixa. Um roving de fibra saturado com resina epóxi é enrolado em torno de um fixador de posicionamento, ou buchas de enrolamento, permitindo que as fibras sejam arranjadas especificamente para corresponder às cargas e funções desejadas de cada peça.

"Um grande benefício do xFK em 3D é a eliminação de pontos fracos em relação à transferência de carga e introdução de carga em estruturas", diz Herrmann. Ele explica que pontos fracos muitas vezes não estão no continuum da estrutura, mas nas áreas onde as cargas são introduzidas na estrutura, especialmente onde componentes vizinhos são conectados à estrutura. A tecnologia xFK em 3D permite transferências de carga através de conexões e permite que as fibras sejam alinhadas de acordo com as funções desejadas do componente e casos de carga, e fabricadas em três dimensões.

O processo de filament winding rende benefícios adicionais também. O processo ajuda a minimizar desperdício de material — menos de 1% do roving de fibra é desperdiçado.

A csi reconheceu as forças do xFK em 3D e projetou o quadro do assento ULBS para ser construído sob a consultoria do Dr. Clause Georg Bayreuther, chefe de tecnologia da AMC.

"Trabalhando com engenheiros da csi, consultores da AMC e especialistas em ferramentaria da Alba desenvolveram este conceito e estrutura para o quadro do assento ser fabricado usando o processo xFK em 3D", diz Peter Fassbaender, consultor de tecnologia e iniciador da tecnologia xFK em 3D.

A Alba fabricou a ferramentaria para o quadro do assento CFRP e forneceu suporte de engenharia. Além disso, embora o quadro do assento tenha sido enrolado com fibra de carbono, fibras naturais ou de basalto também são bons candidatos.

Uma estrutura de material híbrido

Além do quadro, o protótipo ULBS inclui várias outras inovações. A Alba, que forneceu a ferramentaria, também forneceu a ferramentaria, engenharia e manufatura para o corpo de espuma do assento e executou a montagem do assento. Um tapete de fibra cobre o quadro CFRP do assento que é então coberto por uma capa de espuma PUR impressa em 3D. A área do assento é feita de espuma tradicional.

Redução adicional de peso foi alcançada através do uso do 3D|CORE, um material de núcleo de reforço intralaminar (IRC), na estrutura do painel traseiro do encosto do assento. O material é um núcleo de reforço intralaminar (IRC) — um núcleo sanduíche estrutural que compreende corpos de núcleo de espuma de poliestireno extrudado (XPS) e tereftalato de polietileno (PET) em um padrão de favo de mel integrado. Durante a produção de peças compósitos, a estrutura de favo de mel é preenchida com resina, resultando em alta resistência intralaminar. O 3D|Core é montado entre duas camadas de fibra de vidro para criar um pré-forma, que é infundido com resina epóxi termoplástica usando moldagem por transferência de resina assistida a vácuo (VA-RTM).

A Covestro forneceu seu adesivo Dispercoll como aglutinante para os tapetes de fibra, bem como o encosto impresso em 3D. Segundo Herrmann, as propriedades mecânicas do Dispercoll fornecem boa resistência à abrasão, o que é importante porque o contato de superfície entre o encosto e o quadro pode sujeitar o tapete a desgaste ao longo do tempo.

"Se você tem um único roving de fibra, quando você coloca isso em um têxtil, você obtém micro-movimentos entre as partes duras de CFRP e os tapetes de fibra. Os componentes do quadro do assento podem esfregar contra o têxtil e destruí-lo", explica Herrmann.

Assentos tradicionais tipicamente têm uma área de superfície maior suportando o estofamento, e não têm este problema. Com xFK em 3D, no entanto, há uma área de contato menor devido à estrutura do quadro.

"Quando estruturas xFK em 3D empurram contra o tecido de fibra, você deve ter um aglutinante específico e durável; isso é o que o Dispercoll fornece neste contexto", adiciona Herrmann.

A Covestro também forneceu o que se diz ser a primeira almofada impressa em 3D do mundo. Enquanto espuma convencional e intensiva em ferramentaria é tipicamente usada em encostos de assento, o uso de almofadas de encosto impressas em 3D, feitas de TPU (poliuretano termoplástico), aumenta ainda mais a flexibilidade e adaptabilidade do assento ULBS com relação à sua estética, opções de integração funcional e conforto.

Um assento para o futuro

O projeto ULBS alcança vários objetivos. O conceito resultante, embora ainda não no mercado, tem potencial para servir vários mercados de nicho como hipercarros, táxis aéreos, veículos ultra-leves, micromobilidade, helicópteros, multicópteros e aviação. Embora admitidamente mais caro que assentos de carros de produção, o ULBS demonstra várias tecnologias que minimizam desperdício, reduzindo assim custos de material. Em comparação com outras tecnologias de fibra de carbono, xFK em 3D rende uma quantidade muito baixa de desperdício. Na verdade, o projeto inteiro visa usar recursos mínimos e apenas o mínimo necessário do material. O ULBS também oferece a possibilidade de usar recursos renováveis e sustentáveis como fibras naturais na estrutura do quadro, encostos e têxteis.

Mas mais importante, o projeto demonstra como empresas podem minimizar o time-to-market trabalhando juntas através de procedimentos de coordenação curtos e ágeis. Também é um bom exemplo de uso de design thinking para levar com sucesso um produto da ideia ao protótipo de hardware focando nos requisitos funcionais e olhando adiante para aplicações futuras e metas de sustentabilidade.