Revolucionando Pedais de Freio: Compósitos Termoplásticos Substituem Metal para Segurança e Desempenho Inigualáveis

A indústria automotiva converteu pedais de acelerador de metais para termoplásticos reforçados com fibra de vidro curta moldados por injeção nos anos 1990. No entanto, pedais de freio — sendo componentes críticos para segurança com requisitos desafiadores de rigidez, resistência e carga torsional — levaram muito mais tempo para converter. O fornecedor Tier 1 automotivo Boge Rubber & Plastics Group (Damme, Alemanha) diz ser o primeiro fornecedor a atender metas exigentes de desempenho e custo de OEMs para pedais de freio em compósitos termoplásticos. Design único, três materiais diferentes e um processo de produção sob medida permitem à empresa produzir pedais mais fortes, mais rígidos, menor peso e menor custo.

Encontrando um nicho que conta

A Boge é desenvolvedora e produtora de produtos para amortecimento de vibração e montagem de trem de força/chassi, bem como módulos plásticos leves e caixas de pedais (incluindo combinações de pedais de freio, embreagem e acelerador) para a indústria automotiva. Produz componentes automotivos em organosheet de fibra contínua com compostos de sobremoldagem de fibra de vidro curta desde 2008. Adicionou fitas termoplásticas unidirecionais (UD) à mistura em 2018. Através de inovação contínua de processo, tempo de ciclo e custos foram reduzidos e o negócio aumentou.

“Em 2015, meu chefe veio a mim e disse, ‘Essas mudanças que você fez são legais, Daniel, mas seria bom se você pudesse encontrar um mercado maior com volumes de produção que realmente contam’”, recorda Dr.-Ing. Daniel Häffelin, gerente sênior/chefe da equipe leve no Centro de Inovação Global da Boge. Uma equipe de engenheiros da Boge aceitou o desafio e fez brainstorming sobre como aumentar a eficiência de fibra para reduzir custos e ganhar mais negócios.

“Organosheet é um ótimo produto, mas você tem que usá-lo da maneira certa, apenas onde necessário”, explica Häffelin. “Já tornamos nosso processo de produção muito enxuto, então não ganharíamos muito tentando reduzir tempos de ciclo ainda mais. Raciocinamos que a melhor maneira de reduzir custo era reduzir a quantidade de fibra contínua que usávamos usando essa fibra mais eficientemente.”

Simplesmente tornar pedais menores ou mais finos também não funcionaria porque há restrições práticas de tamanho e forma do pedal de freio, sem mencionar especificações de desempenho desafiadoras devido à sua natureza crítica para segurança. O que fazia mais sentido era encontrar maneiras de melhor controlar a orientação da fibra para otimizar propriedades locais em áreas da peça que viam as maiores cargas de pico, proporcionando oportunidades para reduzir espessura de parede em áreas menos críticas.

“Buscamos uma maneira de localmente ‘direcionar’ fibras para poder colocá-las exatamente onde precisávamos para manter rigidez e resistência”, adiciona Dr. Torsten Bremer, CEO da Boge Rubber & Plastics Group. “Sabíamos, em princípio, que isso era possível porque já havíamos considerado máquinas de pegar-e-colocar usadas em artigos esportivos e médicos, mas eram muito caras. Foi quando decidimos que precisávamos de um novo processo.”

“Já estávamos trabalhando com uma OEM alemã para encontrar maneiras de fazer pedais de freio totalmente compósitos que atendessem seus requisitos de desempenho e custo”, recorda Burkhard Tiemann, vice-presidente executivo da Boge Plastics & Rubber Group, líder de linha de produto – Plásticos. “Dissemos ao nosso cliente, ‘Desenvolveremos um novo processo usando fitas UD e organosheet.’ Eles nos disseram, ‘Se você puder reduzir massa e custo ainda mais, faremos.’ Esse foi nosso ponto de partida. Fizemos uma grande promessa em 2015 de que poderíamos entregar um pedal de freio totalmente compósito mais barato, mais leve e que pudesse ser produzido em altas quantidades. Levou três anos para resolver os detalhes e entregar nossos primeiros produtos.”

Direcionamento de fibra

Pedais de freio compósitos devem atender às mesmas especificações de desempenho de pedais em aço ou alumínio incumbentes. Isso inclui requisitos especiais de modo de falha com cargas de até 3.000 newtons e deflexão semelhante ao aço na carga máxima. Dados esses requisitos e o espaço de embalagem restrito disponível, a estrutura principal da casca do pedal, que suporta as cargas máximas, requer reforço de fibra contínua. Portanto, a equipe decidiu usar organosheet para formar a espinha dorsal do pedal. Fitas UD seriam então usadas para aumentar localmente rigidez/resistência e reforçar paredes internas durante tensões de pico na área da peça que subsequentemente seria dobrada em um canal-U durante a preformagem. E em áreas onde geometria funcional como nervuras era necessária, composto de sobremoldagem de fibra picada foi especificado. A equipe sentiu que esta abordagem híbrida aumentaria a eficiência de fibra enquanto reduziria uso de material, espessura média de parede e tempo de ciclo.

A equipe começou trabalho intensivo de simulação para otimizar localizações de fibra durante produção. A base para o trabalho da Boge foi baseada em um programa de pesquisa alemão publicamente financiado de 2011-2014 chamado SoWeMa (Software, Ferramentas e Desenvolvimento de Máquinas para uma Cadeia de Manufatura Leve Totalmente Automática e Fechada).

“A pesquisa SoWeMa cobriu muitas das perguntas que faríamos um ano depois para nosso próprio empreendimento”, explica Häffelin. “Como design é parte do know-how central da Boge, começamos com os fundamentos do programa SoWeMa e construímos nossas próprias capacidades de simulação FE (elementos finitos) para estruturas de layup anisotrópico.”

Uma área de foco foi otimização de topologia combinada para layup de fita e estrutura de nervuras. “Criamos um ciclo de iteração para otimizar posicionamento de fitas e adaptar a estrutura de nervuras de acordo, já que ambas estão ligadas pela rigidez e resistência da peça”, continua, K. Siebe, engenheiro FEA, Centro de Inovação CRRC. “Como a combinação de materiais de fitas UD, organosheet e materiais de fibra curta é única e sua aplicação está vinculada a uma janela específica de umidade e temperatura, construímos nossas próprias cartas de material para caracterizar mais precisamente como esses materiais se comportariam durante testes físicos.”

A Boge especificou a estrutura de camadas e arquitetura de fibra para cada material baseada em resultados de simulação e um dado design de pedal. A Lanxess Deutschland GmbH (Colônia, Alemanha) fornece organosheet em frações de volume de fibra (FVF) de 45-50%. Fitas termoplásticas UD com FVF de 55-60% foram fornecidas pela Celanese Corp. (Irving, Texas, EUA). Compostos de injeção de fibra de vidro curta para esta aplicação, em 40-60% de fração de peso de fibra (FWF), foram fornecidos por múltiplas fontes. Todos os materiais são pretos e apresentam matriz de poliamida 6 ou 6/6 (PA6, PA6/6). Para atender especificações do cliente, PA6 é a resina padrão para todos os três tipos de compósito. No entanto, dependendo dos níveis de umidade e temperatura durante a manufatura, bem como restrições de espaço e geometria do pedal, a Boge também pode usar PA6/6 para a resina de sobremoldagem, já que os dois polímeros são similares o suficiente para se ligarem bem.

Produção em três etapas

Paralelamente ao design, a equipe trabalhou em um processo de produção de três etapas. Na primeira etapa, um blank de fibra personalizada é criado usando organosheet pré-cortado e pré-consolidado como base estável sobre a qual tiras de fita UD alinhadas aos caminhos de carga são estrategicamente fixadas para reforçar a estrutura da casca da peça. Na segunda etapa, o blank é movido e sequencialmente aquecido, consolidado e moldado/drapeado. Na terceira etapa, é sobremoldado com composto de fibra curta para criar a estrutura nervurada.

Para atingir tempos de ciclo rápidos, manuseio robótico era dado para este sistema. Uma característica chave do processo que a equipe queria incluir era a flexibilidade para colocar fitas de qualquer comprimento, em qualquer orientação, e em qualquer posição em um lado da casca de organosheet e soldar a laser aquelas fitas à casca para que não se deslocassem em etapas subsequentes.

Outra decisão da equipe foi não pré-consolidar o blank personalizado imediatamente após o layup, mas apenas antes do drapeamento/preformagem e sobremoldagem. A equipe raciocinou que o material teria que ser reaquecido durante drapeamento/preformagem de qualquer forma e, para ser custo-efetivo, tinham que manter o tempo de ciclo total próximo a 1 minuto. Portanto, a Boge aquece e consolida o blank pouco antes do drapeamento/preformagem usando aumento rápido de temperatura combinado com alta pressão para criar uma ligação mecânica forte entre fita e organosheet. O aquecimento para e a temperatura da peça começa a cair enquanto o blank consolidado ainda quente move para a cavidade de drapeamento antes de ser movido novamente e sobremoldado com nervuras e outras características funcionais em uma segunda cavidade. Ligações mecânicas fortes, com penetração de cadeia polimérica verificada, são alcançadas entre todos os três materiais. Nenhum acabamento pós-molde é necessário.

Para atender requisitos de qualidade para estas peças críticas para segurança, a equipe também desenvolveu um sistema rápido, preciso e compatível com Indústria 4.0 que usa visão, força, tempo, pressão e sensores de temperatura que verificam material em cada etapa do processo de manufatura. O sistema então armazena esses dados e os vincula de volta ao número de identificação único de cada pedal. Isso garante 100% de rastreabilidade de todos os materiais, turnos e configurações de processo envolvidos.

Realizações até o momento

O processo sob medida, totalmente automatizado e controlado em qualidade da Boge deu o passo de protótipo para produção em série de alto volume em 2018. Produzindo um novo pedal aproximadamente a cada minuto, a célula de manufatura atual pode fabricar até 1 milhão de peças por ano. Os pedais totalmente compósitos usam 33% menos organosheet que designs anteriores e a espessura nominal de parede caiu de 3 para 2 milímetros. Os pedais também são 50-55% mais leves, mas atendem ou excedem requisitos de resistência para aço. Os pedais mais leves melhoram a haptação de direção para consumidores e todo o sistema é 100% reciclável no fim da vida. Com o processo atual, pedais compósitos estão em paridade de custo com alumínio e custo ligeiramente superior ao aço. Outras aplicações automotivas e de artigos esportivos estão em desenvolvimento.

O que o futuro reserva conforme montadoras mudam recursos para eletrificação de frotas? “À medida que drive-by-wire [sistemas de atuação eletromecânicos] e eletrificação do trem de força se tornam mais comuns, pedais de acelerador poderiam desaparecer, mas pedais de freio permanecerão”, reflete Häffelin. “No entanto, provavelmente veremos maior integração de eletrônicos, incluindo sensores, em pedais de freio. Isso aumentará substancialmente a complexidade da peça, tornando compósitos ainda mais competitivos que metais.”

Uso de material, etapas de processo e critérios de equipamento são explicados em mais detalhes no artigo de acompanhamento de janeiro de 2021 da CW, “Processo sob medida produz pedal de freio compósito a cada minuto.”