Pedais de Freio Compósitos Revolucionários: Leves, Fortes e Produção Custo-Efetiva na Boge Rubber & Plastics

Fornecedora Tier 1 Boge Rubber & Plastics Group (Damme, Alemanha) produz o que diz serem os pedais de freio totalmente compósitos mais leves, menos custosos e mais fortes do mundo, e os primeiros em produção comercial. Conforme detalhado no FOD de janeiro (veja “Estrutura de compósito termoplástico substitui metais em pedais de freio críticos para segurança”) o fornecedor atualmente produz um quarto de milhão de pedais de freio por ano para quatro plataformas de veículos produzidas por montadoras alemãs e o sistema poderia produzir até 1 milhão de pedais anualmente. Isso é significativo porque os pedais são estruturais, precisam atender aos mesmos rigorosos requisitos de desempenho do aço e alumínio incumbentes, e os designs apresentam três tipos diferentes de compósitos termoplásticos reforçados com fibra de vidro.

Três materiais aumentam eficiência de fibra

Para manter pedais leves, finos, custo-efetivos e capazes de atender especificações desafiadoras de OEMs, a Boge usa organosheet de fibra de vidro contínua como estrutura de casca para suportar as cargas principais da peça, que podem chegar a 3.000 newtons. Blanks de organosheet são fornecidos pré-cortados no tamanho, com duas ou três camadas totalmente consolidadas pelo fornecedor Lanxess Deutschland GmbH (Colônia, Alemanha). Para reforçar os caminhos de carga principais no blank de organosheet, a Boge adiciona fitas unidirecionais (UD) de fibra de vidro (fornecidas pela Celanese Corp., Irving, Texas, EUA) em orientações e layups baseados em resultados de simulação de elementos finitos. Para fazer isso, a Boge usa software que modificou e cartas de material que a empresa desenvolveu com seus fornecedores baseadas em curvas de tensão/deformação medidas para cada material sob condições de temperatura e umidade especificadas por clientes OEM. Para adicionar geometria funcional, a Boge usa compostos de fibra de vidro picada sobremoldados (de múltiplos fornecedores) para fornecer nervuras estruturais e características de fixação.

Todos os materiais apresentam matrizes de poliamida 6 (PA6) preta pré-colorida, um polímero resistente amplamente usado na indústria automotiva. Caso especificações de OEMs exijam, a Boge também tem a opção de usar uma matriz PA6/6 de temperatura mais alta e menos higroscópica no composto de sobremoldagem, já que ambos os polímeros são similares o suficiente para se ligarem. Ao usar três tipos diferentes de compósitos com reforço de vidro em três formas diferentes, a Boge consegue posicionar fibra precisamente onde necessária para atender requisitos de desempenho evitando superengenharia. O efeito cascata desta abordagem de compósito híbrido é que reduz uso de material, espessura nominal de parede, tempo de ciclo e custo total da peça.

Etapas do processo e critérios de equipamento

Parceira com desenvolvedora de automação/linha de montagem M.A.i. GmbH & Co. KG (Kronach, Alemanha), a Boge desenvolveu um processo de produção de três etapas que é rápido, eficiente e produz peças verificadas em qualidade a custos acessíveis. No design de processo e equipamento, a equipe tinha vários requisitos. Primeiro, para manter custos de peça baixos, as empresas precisavam manter tempo de ciclo efetivo total em ~1 minuto. Alcançar isso exigiria automação para garantir que materiais se movessem suavemente pela célula de manufatura.

Segundo, enquanto os blanks de organosheet são fornecidos pré-empilhados, totalmente consolidados e pré-cortados no tamanho (contornados), os requisitos de vários designs de pedais significavam que a equipe precisava de flexibilidade para cortar, orientar e colocar tiras de fita de diferentes comprimentos em diferentes locais e direções para reforçar os caminhos de carga principais da casca de organosheet. Novamente, para manter custos baixos, um processo de colocação de fita sob medida foi projetado para oferecer alto nível de flexibilidade e controle, bem como velocidade.

No início do processo, a célula de manufatura contém duas pilhas de blanks de organosheet pré-cortados em cassetes e quatro creels de fitas UD ao mesmo tempo. Primeiro, um robô pega um blank contornado de organosheet e o move para a superfície de trabalho. Ao mesmo tempo, a fita UD é alimentada e cortada no comprimento necessário. As tiras são então colocadas em uma correia a vácuo que as mantém no lugar enquanto o transportador avança. Em seguida, um robô com uma unidade de pegar-e-colocar giratória (efetor final) pega uma tira por vez da correia a vácuo e uma câmera verifica cada tira quanto a qualidade, dimensão e posição. Quando todas as quatro peças foram pegas, o robô move para o espaço de trabalho e começa a colocar uma tira por vez no blank de organosheet no local e posição determinados por correção de posição baseada em imagem. Conforme cada tira é posicionada, é impedida de deslocar por múltiplas soldas ponto criadas por um laser. Enquanto isso, mais tiras de fita são cortadas e colocadas na correia a vácuo e o processo se repete até que todas as fitas requeridas para um dado design de pedal de freio sejam empilhadas e fixadas na posição correta no organosheet.

O sistema que produz este blank de fibra personalizada é 100% numericamente controlado, com todos os aspectos da operação totalmente programáveis para máxima flexibilidade. Em cada etapa, câmeras ou outros sensores, conectados ao sistema de controle de qualidade (QC) online do sistema, detectam todas as bordas e posições das tiras de fita e da casca de organosheet e comparam dados geométricos desses materiais contra parâmetros conhecidos para assegurar que cada material esteja posicionado onde precisa estar.

Para manter velocidades de produção altas, o blank de fibra personalizada move-se em seguida para um forno infravermelho para aquecer ambos os materiais pouco antes de drapeamento/preformagem/consolidação das fitas sobre o organosheet. Um pacote antioxidante especial nos sistemas de resina de fita e organosheet previne danos térmicos. Em seguida, o blank quente é movido rapidamente para a cavidade de drapeamento/preformagem onde alta pressão é usada para formar o blank em formato de canal-U enquanto assegura uma superfície de alta qualidade. O sistema QC novamente monitora qualidade de consolidação e preformagem via tempo, temperatura e pressão.

Finalmente, o pré-forma ainda quente e drapeado é transportado para um molde de injeção onde é sobremoldado com composto de fibra de vidro curta/PA para criar geometria adicional como uma estrutura de nervuras complexa na parte inferior. Após desmolde, um corte rápido e inspeção visual automatizados são feitos. Nenhuma pintura ou outro acabamento superficial é necessário. Tamanho final do pedal é aproximadamente 350 x 90 x 60 milímetros. Antes de sair da célula de manufatura, um código QR único é afixado em cada pedal para vinculá-lo de volta aos dados de manufatura e materiais daquele pedal no sistema de qualidade. Após montagem, um teste funcional do pedal dentro de seu suporte e uma inspeção robótica final são realizados. Assumindo que a unidade passe, outro código QR é afixado no conjunto do pedal de freio concluído para fornecer rastreabilidade completa de cada pedal e componentes adicionais antes do envio ao OEM.

Como pedais de freio são peças críticas para segurança e devem atender exigentes requisitos de desempenho e qualidade de OEMs, a Boge e seus parceiros construíram múltiplos mecanismos à prova de falhas no sistema QC compatível com Indústria 4.0 para verificar rápida e precisamente que especificações foram atendidas em cada etapa do processo. Dados de QC são armazenados e cada pedal recebe um número de identificação único na forma de código QR para assegurar 100% de rastreabilidade de material, turnos e condições de processo envolvidas na produção daquela peça.

Os pedais de freio totalmente compósitos que a Boge produz são aproximadamente metade do peso de pedais em metal. Eles também melhoram a haptação de direção para consumidores, são 100% recicláveis no fim da vida e atendem ou excedem o requisito de resistência do aço incumbente.