Revolucionando design de liftgate: Um teste de filament winding modificado

Liftgates automotivos, ou portas traseiras, têm transitado lentamente de metais para compósitos por décadas. Embora não fosse até 2013 que o primeiro liftgate totalmente plástico/compósito, menos estrutura de suporte metálico, foi comercializado, a maioria dos liftgates hoje ainda apresenta este componente de suporte no qual peles externas e painéis internos são anexados, particularmente em veículos utilitários esportivos (SUVs) e veículos utilitários crossover (CUVs) maiores e mais pesados com portas traseiras maiores.

No entanto, o que pode bem ser a próxima evolução em liftgates compósitos estreou em 2019 no Toyota Supra carro esportivo da Toyota Motor Corp. (Toyota City, Japão). Um quadro compósito filament wound substituiu um quadro metálico e diz oferecer maior rigidez e resistência a menor peso que estruturas metálicas tradicionais, com maior flexibilidade de design, especialmente em espaço de embalagem apertado. Relatadamente, o processo de filament winding foi modificado a tal extensão que, à medida que o interesse cresce e aplicações proliferam, ele pode atender às metas de velocidade e custo de produção de veículos de volume mais alto. Este é como o design e tecnologia vieram a ser.

Manufatura trilateral

A Magna International Inc. (Aurora, Ontário, Canadá) é um integrador Tier 1 na América do Norte, mas na Europa, sua subsidiária Magna Steyr AG & Co. KG (Graz, Áustria) também projeta e monta carros completos para OEMs que precisam de capacidade de fabricação extra.

Recentemente, a Magna participou de um programa interessante envolvendo as montadoras Toyota e BMW AG (Munique, Alemanha), que têm trabalhado cooperativamente em projetos de design e fabricação desde 2013. Para seu esforço mais recente, a Toyota estava procurando reviver sua placa de identificação Supra e tinha feito parceria com a BMW para fornecer design e ajuste para o veículo e um carro irmão, o roadster de 2 lugares Z4 da BMW. Os dois veículos compartilham motor, suspensão e sistemas de direção. A Magna Steyr montaria ambos os carros em Graz, bem como forneceria o Supra com assentos, painéis de carroceria, travas de porta e liftgates. Embora haja muita inovação em ambos os carros, o liftgate incorporado no Supra é onde a inovação de design compósito é mais aparente.

Manchester da Boêmia

Anos antes do envolvimento da Magna com o ano modelo 2020 Supra, sua operação em Liberec, República Tcheca, tinha explorado tecnologias para space frames compósitos para várias aplicações potenciais. Como a sorte teria, a área tem uma rica tradição como um centro têxtil líder e já foi conhecida como "a Manchester da Boêmia". A equipe de Liberec buscou uma arquitetura de tecnologia que suportasse altas cargas, reduzisse massa total, mantivesse tolerâncias dimensionais apertadas e pudesse ser produzida em um processo com alta repetibilidade e reprodutibilidade (R&R) para atender às demandas de desempenho e fabricação de montadoras europeias.

"Concluímos que precisávamos de um produto termofixo com alta estabilidade térmica e dimensional", relembra Riad Chaaya, diretor global de linha de produto - liftgates compósitos da Magna. "Também sabíamos que precisávamos de uma forma fechada com a capacidade de produzir seções transversais de formas e espessuras variáveis — necessário para otimizar desempenho mecânico, espaço de embalagem, massa e custo — que pudesse ser produzida em um processo capaz de fazer 150.000 peças anualmente. Olhamos muitas tecnologias, incluindo blow molding, braiding e filament winding, mas nenhuma atendeu totalmente nossas necessidades. Após muitos testes, selecionamos filament winding como a melhor correspondência para o que queríamos, pois nos deu controle de orientações e números de filamentos para extrair o maior módulo no menor peso."

Apesar de muitos benefícios, havia preocupação de que filament winding pudesse ser muito lento para produção automotiva convencional. Além disso, a equipe precisava de um método para iniciar e terminar o processo de winding para criar um quadro de forma fechada. Felizmente, enquanto a equipe não tinha histórico com filament winding, o legado de fabricação têxtil de Liberec significava que a comunidade local estava cheia de especialistas em rovings e winding de filamentos.

"Felizmente para nós, esses especialistas tinham a paixão para ressuscitar seu know-how tradicional para nos ajudar a aplicá-lo de novas maneiras para atender necessidades automotivas de alto volume", adiciona Dr.-Ing. Josef Půta, líder de tecnologia Magna Exteriors - República Tcheca.

"Como filament winding tradicional era muito lento para nossas necessidades, nós e nossos parceiros olhamos muitas maneiras de fazê-lo rodar mais rápido", relembra Lukáš Strouhal, chefe de industrialização, Magna Liberec. "Consideramos maneiras de acelerar cada etapa no processo, bem como fazer as coisas de forma bastante diferente. Embora não possamos dizer muito sobre como fizemos isso, podemos dizer que alcançamos enormes melhorias em velocidade, para que nosso processo modificado pudesse se tornar 'automotive worthy'."

A Magna e seus parceiros exploraram muitos sistemas de resina, incluindo epóxi, poliuretano (PUR) e uma mistura PUR/éster vinílico, além de uma variedade de reforços, de vidro a carbono a fibras de basalto. O sistema final apresenta PUR e fibras de vidro, que ofereceram o melhor equilíbrio de eficiência de fibra, desempenho, custo e velocidade de produção.

O space frame genérico filament wound da Magna é produzido em três etapas, cada uma cuidadosamente otimizada para velocidade. Primeiro, um núcleo celular rígido de PUR é produzido via moldagem por injeção de reação (RIM); segundo, esse núcleo, que funciona como um mandril, é enrolado com fibra de vidro; e terceiro, essa estrutura enrolada é então infundida com PUR e consolidada no processo de moldagem por transferência de resina de alta pressão (HP-RTM). Cuidado é tomado para garantir que o núcleo não colapse durante infusão/consolidação. Půta explica que muito trabalho foi feito em especificar os tipos de rovings, tamanhos e resinas usados — exigindo trabalho próximo com fornecedores em modificações de material — bem como determinar o número de enrolamentos e orientação de filamentos em cada camada. Não surpreendentemente, a empresa recebeu numerosas patentes cobrindo tudo desde design e produção de núcleo, até a máquina de filament winding, mais segredos comerciais adicionais que mantêm próximos.

"Fizemos múltiplas inovações em cada etapa de processo e produto", explica Strouhal. "Você poderia rasgar um de nossos quadros, ver as formas e geometrias usadas, e ainda se perguntaria por que e como fizemos isso."

Embora a equipe Magna Liberec não tivesse desenvolvido sua tecnologia de space-frame para uma aplicação particular, eles estavam prestes a obter uma oportunidade interessante para usá-la.

Liftgate desafiador

A Magna tem uma longa história de produção de liftgates de veículos de passageiros. A empresa supostamente construiu os primeiros liftgates all-olefin na América do Norte e Europa para o carro elétrico urbano BMW i3 2013, e projetou e construiu um liftgate all-olefin de próxima geração para os SUVs Jeep Cherokee 2019 da FCA NA LLC (Auburn Hills, Michigan, EUA). Dado que a produção de liftgate era um entregável para o programa Supra, a Magna não apenas se baseou no trabalho feito em Liberec, mas também em sua longa história de conversão de estruturas de liftgate metálicas para compósitos e plásticos.

"O liftgate do Supra ofereceu vários desafios imediatos", relembra Chaaya. "Primeiro, espaço de embalagem era muito limitado, significando que tolerâncias eram muito apertadas e valores de coeficiente de expansão térmica linear devem ser cuidadosamente gerenciados para manter liftgates abrindo e fechando livremente. Segundo, a forma desta porta era ainda mais desafiadora. A Toyota não apenas queria um liftgate mais leve, mas tinha requisitos de estilo muito específicos para como a traseira do veículo caía. Terceiro, com os volumes de construção projetados do veículo, ferramentas para alcançar aquela forma em metais seriam muito custosas. De fato, concluímos que o quadro do liftgate não podia ser produzido em uma única peça de metal e ainda atender aos requisitos de design e desempenho da Toyota. Isso significava que o space frame tinha que ser feito de compósitos e, mais especificamente, compósitos termofixos."

A pele externa seria um painel TPO reforçado com talco moldado por injeção pintado para lidar com a forma agressiva, enquanto o painel interno seria polipropileno (PP) de fibra de vidro longa; ambos seriam unidos ao quadro com um adesivo estrutural 2K PUR. Chaaya adiciona que muito trabalho foi feito para otimizar o space frame e completar o liftgate para atender requisitos de carga torsional. Um desafio inicial foi encontrar uma maneira de simular propriedades de material com precisão para alcançar correlação precisa entre resultados previstos versus medidos.

"Foi uma luta dura para obter boa correlação com nossos modelos de material, já que tínhamos que simular cada camada de winding e incorporar forma, raios e os próprios requisitos de winding", ele adiciona. "Embora começássemos estando fora 20%, após muito ajuste e determinando a melhor maneira de melhorar nossa rigidez, nossas previsões finais estavam muito próximas. Em um quadro tão grande, também conseguimos manter tolerâncias dimensionais a 1 milímetro."

Muitos benefícios

O quadro final em forma de donut apresenta diâmetros e espessuras de parede variáveis ao longo, mas tem um diâmetro nominal de 50-60 milímetros. Além de um pequeno suporte no canto, e anexos rígidos como travas e dobradiças, mais folha para aterrar as antenas integrais, o quadro inteiro — que é 104 x 111 centímetros — é inteiramente compósito. Até "orelhas" suportes, usadas para conectar o painel de acabamento interno à metade inferior do liftgate são compósitos e fabricados via HP-RTM. Embora o quadro compósito seja 10% mais leve que um quadro metálico comparável, efeitos de descomposição de massa significam que o liftgate completo é ~20-25% mais leve que um liftgate metálico. Liftgates mais leves requerem menos esforço para consumidores abrir/fechar, são mais fáceis para um trabalhador instalar durante montagem do veículo, economizam combustível durante a vida útil do veículo e fornecem o que Strouhal descreve como "um som sólido incrível" quando o liftgate fecha. O sistema compósito também eliminou etapas como bainha de bordas e pontos de solda/juntas requeridos com liftgates metálicos.

Chaaya insinua que sua empresa tem outro grande projeto automotivo filament wound em andamento. Ele também diz que a Magna vê outros usos para a tecnologia além de liftgates. "Portas, tampas de porta-malas, capôs, FEMs (módulos frontais) e até veículos autônomos — como um ônibus que é compreendido por um quadro envolvido em vidro — poderiam usar tal space frame", ele adiciona. "E nem precisaria ser escondido. Se usássemos tecido de fibra de carbono, seria um sinal de prestígio deixar aquela superfície bonita exposta e não esconder o quadro por dentro."