Reforços Compósitos em Estruturas de Carroceria de Veículos

Embora compósitos tenham feito alguns avanços em estruturas de carroceria body-in-white (BIW) automotivas, o uso de materiais nesta área do veículo tem sido dominado por muito tempo por aço e, mais recentemente, alumínio. Por causa disso, fabricantes de automóveis dependem fortemente de soldagem e fixadores mecânicos como parafusos e parafusos para unir estruturas metálicas. Embora geralmente robustas, juntas soldadas e fixadores podem falhar. Eles também fazem pouco para melhorar a rigidez (sem aumentar indevidamente a massa) ou para mitigar ruído/vibração/aspereza (NVH) ou energia de colisão passando através de um veículo. Uma maneira de enfrentar estes desafios é reforçar juntas e cavidades do BIW com compósitos acoplados com adesivos estruturais.

Soluções de Carroceria Compósito (CBS)

Um exemplo de tal solução é uma classe de materiais/tecnologias chamadas soluções de carroceria compósito (CBS). Estas incluem inserções estruturais 3D para reforçar estruturas primárias do veículo que combinam elementos do BIW ou outras subestruturas do veículo, suportes termoplásticos (com reforço de fibra contínua ou descontínua) e adesivos estruturais espumantes ativados por calor. Elementos CBS são instalados na seção da funilaria no início da construção do veículo, antes da aplicação de revestimento eletroforético de prevenção de ferrugem (E-coat).

Componentes CBS são tipicamente produzidos em um processo de sobremoldagem por injeção 2K onde o suporte — incorporando abas de soldagem ou snap-fits para unir temporariamente o CBS a componentes metálicos do BIW — é seletivamente sobremoldado com adesivo expansível e possivelmente um selante adicional (em um processo 3K) para funcionalidade adicional. O adesivo não curado seco ao toque (baseado em química epóxi personalizada) pode ser moldado em formas complexas, mas permite cobertura de E-coat de elementos metálicos mantendo um espaço entre superfícies compósito e metálicas antes da expansão induzida por calor durante a cura no forno pós-E-coat. Conforme a espuma expande, espaços são selados entre o suporte e componentes circundantes, travando-os juntos em uma "macro-estrutura" semelhante a uma caixa que melhora propriedades mecânicas, particularmente sob cargas altas e dinâmicas.

Quando incorporados no início do design do veículo, módulos CBS são opções eficientes em massa e custo para aumentar rigidez local e global do BIW e melhorar segurança e conforto do passageiro a menor massa. Eles também permitem custo neutro ou menor versus soluções totalmente metálicas mais pesadas. Inicialmente usados apenas em automotivo, um portfólio crescente de materiais de suporte e adesivo ampliou os usos da CBS, destaques dos quais seguem.

Engenharia para Desafios de Desempenho

A tecnologia CBS foi desenvolvida e comercializada pela L&L Products Inc. (Romeo, Michigan, EUA). Com longa história como fornecedora automotiva de selantes, contramedidas acústicas e reforços para melhorar desempenho do BIW, a L&L desenvolveu a tecnologia para ajudar clientes a aumentar segurança do passageiro e atender requisitos de colisão automotiva mais rigorosos a menor custo e peso enquanto melhora processamento e montagem durante a construção do veículo.

Entre 1995 e 2004, CORE Products, uma joint venture entre L&L e Gurit Essex (Wattwil, Suíça), foi responsável pelo desenvolvimento inicial de aplicações e manufatura CBS. A L&L eventualmente adquiriu todos os ativos da CORE, que agora opera como L&L Products Europe.

A L&L trabalhou de perto com seus fornecedores de materiais durante o desenvolvimento inicial e subsequente expansão da tecnologia CBS. Uma tal empresa, Lanxess AG (Colônia, Alemanha), há muito fornece materiais de suporte compósito e suporte de caracterização e simulação de materiais à L&L na Europa.

CBS em Aplicação

Além dos benefícios já mencionados, a tecnologia CBS proporciona melhor transição de caminho de carga, gerenciamento de carga multiaxial e absorção de energia; maior estabilidade de seção (resistência a colapso ou intrusão); menor NVH; e dinâmica de condução e desempenho de colisão aprimorados em cargas mais altas. Além disso, oferece implementação mais rápida durante design/redesign do veículo e não requer mudanças na sequência de montagem na funilaria. Como a tecnologia CBS torna mais fácil controlar transferência de energia através de estruturas de carroceria enquanto minimiza deformação e/ou intrusão, é idealmente adequada para aplicações projetadas para resistir a colisão frontal, lateral ou traseira ou esmagamento de teto para melhor proteger ocupantes, compartimentos de passageiros e baterias. Também é útil para estruturas que devem passar protocolos desafiadores como os testes de colisão de sobreposição pequena do Insurance Institute for Highway Safety (IIHS, Arlington, Virgínia, EUA).

"A versatilidade de design da tecnologia CBS ajuda a simplificar montagem em áreas com condições complexas ou de difícil acesso", explica Núria Ignés, gerente de engenharia de produtos estruturais, L&L Products Reinforce na L&L Products EMEA (Altorf, França). "Por exemplo, usar tecnologia CBS em portas e outros fechamentos não apenas reduz peso e aumenta rigidez, mas pode simplificar a manufatura de portas se integrado cedo no processo de design. Graças a ferramentas CAE e décadas de experiência, mais a combinação de suporte e espuma, que fornece uma fixação robusta ao BIW uma vez curada, podemos usar a quantidade certa do material certo no lugar certo para equilibrar rigidez com massa e custo ou absorção de energia com acústica e custo."

"Um aspecto realmente interessante da tecnologia CBS é sua natureza 'bio-mimética'", adiciona Peter Cate, gerente de marketing estratégico global da L&L. "Assim como as hastes de reforço celulares no centro dos ossos são o método mais eficiente em massa da natureza para adicionar rigidez e gerenciar cargas em estruturas ocas, uma vez que o adesivo expande, unidades CBS reforçam cavidades de carroceria do veículo da mesma maneira, ajudando engenheiros a otimizar rigidez estrutural na massa mais baixa."

"Ao aumentar rigidez local e geral e distribuir cargas mais efetivamente através de uma estrutura, reforços CBS são soluções sob medida para abordar problemas localizados de rigidez e fadiga de metal sem adicionar massa", continua Pal Swaminathan, gerente de desenvolvimento de negócios, Tepex Automotive, Lanxess Corp. (Pittsburgh, Pensilvânia, EUA). "Melhorias NVH também são comuns quando a tecnologia CBS é integrada em estruturas de carroceria. Novamente, análise de engenharia cuidadosa permite desenvolvimento e soluções otimizadas de localização para equilibrar características de condução e manuseio."

Aplicações Iniciais

Uma aplicação automotiva inicial da tecnologia CBS no então 2006 Citroën C4 Picasso do Grupo PSA envolveu nove unidades para reforçar pilares A e B e o cross-member traseiro. Os elementos de reforço cortaram 12 quilogramas do peso do veículo enquanto melhoravam a segurança dos ocupantes. O material preto é o compósito Lanxess, o vermelho é a espuma epóxi da L&L e o prateado é uma porção da estrutura metálica do corpo à qual o elemento CBS é anexado.

A primeira aplicação automotiva comercial da L&L da CBS foi em 1998; até 2002 a tecnologia estava ganhando aceitação de mercado. Um bom exemplo inicial foi implementado em sedãs Citroën C4 Picasso 2006 do Grupo PSA (Paris, França — agora Stellantis N.V., Amsterdã, Países Baixos). Nove componentes CBS — em seções inferiores de pilares A, seções inferiores e superiores de pilares B, e no cross-member acima do eixo traseiro — reduziram a massa do veículo em 12 quilogramas versus opções metálicas. Alguns inserts CBS aumentaram seletivamente a capacidade de carga e minimizaram intrusão no compartimento de passageiros durante impacto, melhorando segurança dos ocupantes. Outros melhoraram desempenho NVH do BIW. Todos os suportes foram moldados por injeção de 35% em peso vidro curto/poliamida 6 (PA6). Unidades CBS similares foram usadas em vans Ford Transit 2012 da Ford Motor Co. (Dearborn, Michigan, EUA).

Novas Opções de Suporte e Espuma

Ao longo dos anos, a L&L e seus fornecedores expandiram a tecnologia CBS com novas formulações de espuma, uma gama mais ampla de resinas e reforços de suporte e aplicando o conceito a diferentes estruturas.

Por exemplo, a maioria dos suportes CBS para aplicações de colisão são engenheirados usando PA6 reforçado com vidro 30% em peso estabilizado ao calor porque um equilíbrio entre rigidez e ductilidade dentro de uma forma 3D complexa é necessário. Dois tais suportes foram usados em membros longitudinais frontais para uma grande plataforma de veículo elétrico (VE) onde, supostamente, não apenas simplificaram a montagem (reduzindo contagem de peças) mas também reduziram intrusão de colisão no firewall em 20%.

Para requisitos de impacto mais altos, suportes híbridos estão agora disponíveis, como aqueles reforçando pilares A no 2019 Porsche 911 Carrera Cabriolet de carroceria largamente de alumínio da Porsche AG (Stuttgart, Alemanha). Sendo um conversível, enrijecer a estrutura sem teto era crítico para proteger passageiros em caso de capotamento. Para manter veículos leves e ágeis, a Porsche substituiu barras de rolamento tubulares de aço pesado por inserts CBS nos pilares A. Cascas de pilar foram produzidas em aço de alta resistência, que foram estabilizadas e enrijecidas por inserts CBS dentro de cada pilar. O corpo principal do suporte foi organosheet moldado por compressão (47% vol tecido twill vidro/PA6), que foi pré-aquecido, pré-formado, então sobremoldado por injeção com nervuras (30% em peso vidro curto/PA6/6). O lado do organosheet carrega o adesivo expansível L-5235 da L&L. Não apenas esta tecnologia híbrida atendeu a todos os alvos de desempenho e peso (que a opção de barra tubular de aço supostamente não atendeu), mas reduziu a massa do veículo em 5,4 quilogramas, facilitando a montagem e reduzindo o centro de gravidade do veículo, o que melhorou a dinâmica de condução.

Para aplicações onde um processo de forno não está disponível para ativar o adesivo expansível, ou onde suporte adicional é necessário na loja de pintura, a L&L diz que está trabalhando em outras soluções de cura ambiente.

Várias tecnologias relacionadas baseadas na CBS também foram desenvolvidas. Prestes a ter sua primeira aplicação comercial, o sistema compósito contínuo (CCS) da L&L combina suportes pultrudados reforçados com fibra de vidro ou carbono — ex: poliuretano (PUR) com ou sem tecidos bem como rovings — com selantes ou adesivos estruturais formulados sob medida. Elementos CCS, que também podem incorporar partes CBS e componentes metálicos, melhoram rigidez e resistência de estruturas de seção transversal constante a menor massa (tipicamente 75% menos que aço e 30% menos que alumínio). Eles são resistentes à corrosão, não condutores/eletricamente isolantes, oferecem baixo coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) e fornecem gerenciamento de energia altamente previsível, tornando-os ideais para reforçar membros estruturais em veículos monobloco ou seções de quadro para veículos body-on-frame, mais quadros de bateria para VEs.

Reforços de painel compósito compreendem adesivos estruturais expansíveis auto-aderentes co-extrudados com reforço de fibra de vidro que são aplicados a superfícies de painel metálico formadas na funilaria. O sistema não apenas melhora rigidez (reduzindo ondulação e flambagem) de painéis grandes/relativamente sem suporte, mas também melhora NVH devido ao aumento do momento de inércia. Além disso, oferece oportunidades de reduzir espessura de painéis para menor massa e custo. Aplicações comerciais incluem painéis de porta, teto e assoalho automotivos, capôs, para-lamas, liftgates e tailgates; aplicações potenciais incluem carcaças de bateria.

Reforços de painel favinho apresentam epóxi leve — em forma de pasta para aplicação manual ou líquido de baixa viscosidade para bombeamento automatizado — que, uma vez curado, pode ser usinado ou lixado. Estes são projetados para estabilizar núcleos de favinho, predominantemente em locais estratégicos em interiores de aeronaves, por exemplo, sem adicionar massa excessiva. Outros usos incluem melhoria de borda (vedação/reforço de bordas de painel compósito), colagem de inserts e reforço local onde dobradiças/inserts metálicos são instalados em painéis compósitos.

O Que o Futuro Reserva

Desde sua primeira patente em 1999, a L&L registrou numerosas invenções para a tecnologia CBS. Dada a ampla gama de opções de suporte e adesivo agora disponíveis dentro desta família de produtos, não é surpreendente que aplicações tenham se expandido além do automotivo para caminhões e aeroespacial. O que vem a seguir?

"Ao longo dos anos, produtos CBS evoluíram para servir novos requisitos de aplicação que combinam funções", adiciona Ignés. "Por exemplo, o que começou como apenas um reforço estrutural evoluiu para não apenas enrijecer mas também melhorar funções acústicas ou aumentar absorção de energia. Dada a suíte de propriedades altamente desejáveis que a tecnologia CBS oferece, esperamos não apenas ver o uso automotivo crescer, mas crescimento em outras indústrias também."