Chevrolet Silverado 2019: Suportes de Para-choque Termoplásticos Leves Aumentam Performance

As picapes Chevrolet Silverado ano-modelo 2019 (MY) da GM ostentam uma nova aplicação estrutural para compósitos em local oculto mas muito eficaz: nos lados esquerdo e direito dianteiros atrás do para-choque de aço. O suporte híbrido compósito termoplástico/metal reduz massa, atinge performance equivalente ou melhor em testes modal, tensão, fadiga e colisão em espaço de embalagem limitado, reduz corrosão e riscos de garantia e permite consolidação significativa de peças. Todo crédito das fotos: General Motors Co.

Não é fácil ser engenheiro de design OEM trabalhando em programas de picapes full-size. De um lado, você quer tornar esses veículos o mais seguros, ricos em recursos e eficientes em combustível possível. Do outro, seus clientes — particularmente os das indústrias de construção e agricultura — exigem seus veículos duramente todo dia e têm certas ideias sobre o que é e não é material durável. Eles conhecem e confiam no aço. Compósitos? Talvez não tanto.

Conforme Chris Heo, engenheiro líder de design release para picapes full-size na General Motors Co. (GM, Detroit, Mich., EUA), e sua equipe iniciaram trabalho na última geração de picapes Chevrolet Silverado, discutiram quais aplicações poderiam converter de metal para compósitos para reduzir massa do veículo.

Para o ano-modelo 2019, a decisão já havia sido tomada para manter barras de impacto de para-choque estilizadas — para-choques de aço estampado com superfícies A-side estilizadas e acabamentos (cromo ou pintura cor da carroceria) — na frente e traseira do veículo. Devido à forma impulsionada pelo estilo, e à massa das carcaças de aço, tais para-choques tipicamente requerem um ou mais suportes de reforço de aço para unir o para-choque ao chassi do veículo e atender requisitos de durabilidade do para-choque, danificabilidade do veículo, performance de colisão e embalagem da GM. Neste caso, um par de suportes envolvia os cantos esquerdo e direito do para-choque. Membros da equipe se perguntaram se poderiam converter esses pesados, complexos, estampados multiparte em algo mais leve sem sacrificar performance ou durabilidade.

"Discutimos maneiras de manter a pele metálica do para-choque mas converter componentes ocultos para materiais leves," relembra Heo. "Sabíamos que seria desafio porque você precisa de suportes robustos para segurar peça pesada como para-choque, e ambos para-choques e suportes devem performar pela vida do veículo. Também, esses suportes são chave para atender testes exigentes de barreira offset em colisão e — mesmo em metais — aqueles são testes desafiadores para passar."

Primeiros a Tentar

Não intimidados pelo desafio, a equipe GM começou a trabalhar e logo trouxe o fornecedor de para-choque designado do veículo, Flex-N-Gate Corp. (FNG, Urbana, Ill., EUA). Inicialmente, enquanto o estilo externo do veículo ainda era finalizado, a equipe conjunta gastou um ano pesquisando opções na indústria e discutindo abordagens que poderiam funcionar. "Esperávamos o momento certo porque, dependendo do estilo final, isso poderia mudar o design que usamos e a abordagem que tomamos," explica Heo.

"Sabíamos que outra empresa havia convertido um suporte muito pequeno — que não era estrutural — para compósito em um de seus para-choques de caminhão, então isso nos deu um ponto de partida," adiciona Steve Perucca, gerente de grupo de engenharia R&D plásticos/metais da FNG. A FNG já tinha muita experiência convertendo peças estruturais metálicas para compósitos termoplásticos em veículos de passeio, o que deu à equipe confiança para avançar.

Considerações de Design

Conforme o design externo foi firmado na picape, a equipe combinada começou seu próprio trabalho de design nos suportes com uma lista de desejos e necessidades. Os suportes de referência eram estampados de aço HSLA (high-strength/low-alloy), selecionado por seus mecânicos mais altos e resistência à corrosão melhorada vs aço carbono. Os suportes tinham espessura nominal de 3 milímetros e cada um pesava 4,362 kg. Primeiro, os suportes compósitos precisavam caber em espaço de embalagem aproximadamente igual, que era limitado atrás do para-choque. Assim, material com resistência suficiente era necessário para que a espessura da peça não aumentasse significativamente.

Segundo, para-choques dianteiros tipicamente envolvem os cantos dianteiros do veículo para atingir cues de estilo que o estúdio de design quer. No entanto, como são presos ao chassi por suportes de aço rígidos, durante eventos de colisão em alta velocidade, o para-choque pode ser esmagado para dentro na roda, impactando negativamente orientação da roda e travando a direção. Para proteger a roda no lado impactado pelo maior tempo possível, é desejável que os suportes do para-choque se separem (break away) durante o impacto. Por outro lado, para evitar problemas de garantia, o para-choque precisa permanecer preso durante uso normal pela vida do veículo. Portanto, a equipe teve que determinar como balancear essas necessidades competitivas.

Outro problema que a equipe queria resolver: devido às limitações de conformabilidade do aço, suportes de referência não podiam ser moldados para segurar os faróis de neblina do veículo, o que necessitava uso de mais um par de suportes metálicos pesados. Se possível, a equipe queria consolidar suporte de farol de neblina no suporte compósito.

Adicionalmente, era importante evitar ponto de beliscamento (pinch point) do chicote de fios ao passar pelo suporte para evitar que chicotes e fios desgastem e quebrem, levando a curtos-circuitos de recursos importantes como faróis e ventiladores. Evitar esses fornecendo um furo nos suportes metálicos por onde fios passassem levou a operação adicional de furação, que adicionou mais custos de ferramental devido a limitações em liberdade de design. Era, portanto, desejável tentar resolver isso no suporte compósito. Claro, também era importante evitar ter que fazer mudanças na montagem do veículo para usar suportes compósitos. E, como frequentemente em aplicações automotivas, os suportes compósitos idealmente seriam mais leves e mais baratos que os benchmarks metálicos. Uma última preocupação era se modelos CAE atualmente disponíveis podiam prever com precisão fadiga de alto ciclo/durabilidade em termoplástico reforçado com fibra descontínua.

Abordagem Híbrida

Com sua lista de desejos em mãos, a equipe se ocupou. Decisão inicial foi selecionar o material — especificamente um que a FNG já tinha experiência e que tinha aprovações da GM. Escolheram um polipropileno de fibra de vidro longa (LFT-PP) preto com 40% fração de peso de fibra (FWF) da Lotte Chemical (Seul, Coreia do Sul) chamado Supran PP1340 GMW15890P. Como suportes não são expostos à luz solar e estão suficientemente distantes do calor do motor, o polímero olefínico tough ofereceria performance térmica adequada. O grau injetável de alto fluxo tinha índice de fluidez (MFI) de 40, garantindo bom preenchimento de geometria complexa sem necessidade de adicionar gates extras; gates extras criam linhas de solda (knitlines) mais fracas que material circundante e devem ser evitados em peça estrutural, especialmente uma que deve passar testes de colisão.

Para balancear necessidades competitivas de durabilidade de longo prazo com alta performance em colisão, a equipe adotou abordagem híbrida e dividiu o suporte. A porção que une para-choque ao chassi permaneceria em aço HSLA, mas a porção externa seria convertida para compósito. Esta abordagem permitiria maior liberdade de design para consolidar peças, reduzir massa e permitir incorporação dos faróis de neblina, mas a porção compósito seria projetada para se separar (break away) em colisão lateral de alta velocidade para garantir que orientação da roda permanecesse longitudinal pelo maior tempo possível para ajudar a manter capacidade de direção. Para atender todos requisitos da GM, alguns inserts metálicos foram adicionados ao lado compósito do suporte, junto com três buchas, que permitem ajuste durante montagem. Designers descobriram que o material não teve problemas permitindo que a perna do suporte (as peças finais curvas mostradas no design CAE compósito/marrom) fosse estendida para abranger o farol de neblina, eliminando necessidade de suporte separado naquele local (Fig. 1).

Conforme o projeto progredia, e peças físicas eram produzidas e testadas, a equipe ficou feliz em saber que seus modelos CAE eram bastante precisos. "Inicialmente, nos perguntávamos se conseguiríamos simular a peça propriamente, dado que tentávamos prever fadiga de alto ciclo, em termos de durabilidade, e alta carga G, em modelagem de colisão," nota Heo. "Surpreendentemente, correlação entre resultados previstos e medidos de testes de vibração foram próximos, até mesmo em colisão." O design final do suporte foi completado em menos de seis meses. É aproximadamente 41 x 46 cm, tem parede nominal de 3 mm e apresenta nervuras para mecânicos mais altos.

Ferramental produzido pela Integrity Tool & Mold Inc. (Oldcastle, Ontario, Canadá) e apresentava molde 2+2 bem ventilado com duas cavidades/placa e dois drops diretos (canais frios) com gating de válvula sequencial que produz quatro peças/ciclo devido ao alto volume de construção da plataforma Silverado. Divisão Ventra Evart da FNG é o moldador. Tempo de ciclo button-to-button de 60 segundos.

Conquistas Significativas

Em seu primeiro uso comercial, a abordagem híbrida da GM no suporte de para-choque estrutural (Fig. 2) trouxe numerosos benefícios. Primeiro, atingiu performance equivalente ou superior em testes modal, tensão, fadiga e colisão (veja tabela abaixo).

Design	10 Gx	20 Gx
	1ª Frequência Modal (Hz)	Deslocamento Máx (mm)	Tensão Máx (MPa)	Deslocamento Máx (mm)	Tensão Máx (MPa)
Suporte híbrido aço/compósito	2.00	213	3.97	381	31.7
Suporte benchmark todo aço	2.36	259	4.45	480	30.1

Não apenas o suporte híbrido compósito com inserts metálicos reduziu massa, mas sua geometria adaptada melhorou tanto performance de tensão quanto modal.

Segundo, a liberdade de design dos compósitos permitiu estilo mais agressivo em espaço de embalagem relativamente pequeno. Terceiro, massa do par de suportes híbridos foi reduzida 2,5 kg/veículo versus benchmark. E graças a efeitos de descomposição de massa, cantos de para-choque mais leves permitiram redução de espessura no suporte de montagem do para-choque e outros componentes, então massa total do sistema de para-choque dianteiro foi reduzida 7,3 kg versus o modelo 2016 anterior.

Adicionalmente, risco de corrosão e custos de garantia foram reduzidos já que o suporte compósito não enferruja. Benefícios de redução de massa beneficiam consumidores contribuindo para economia de combustível melhorada ou permitindo carga útil mais pesada sem exceder limites legais de carga por eixo.

Base peça-por-peça, o suporte híbrido foi um empate (wash), devido ao custo adicional do molde de injeção. Base sistema, houve economias devido à capacidade de reduzir espessura de componentes adicionais, embora economia real seja difícil quantificar. O suporte está em produção há mais de três anos sem problemas.

Para a próxima geração do Silverado, a equipe de Heo planeja continuar usando suportes híbridos no para-choque dianteiro, mas ele já desafiou membros da equipe a começar a pensar como adotar abordagem híbrida nos suportes do para-choque traseiro. Isso é complicado pelo fato que para-choques traseiros contêm features de assistência de degrau nos cantos para permitir pessoas subirem/descerem da caçamba mais fácil e seguro. Adicionalmente, mais componentes (como sensores de aviso de ré) são embalados atrás da pele de aço, reduzindo espaço de embalagem.

"Continuaremos usando abordagem de engenharia inteligente de olhar problemas, descobrir como produtos são usados e quais seus requisitos funcionais e então empurrar o envelope," conclui Heo.