Design "Esqueleto" Melhora Estruturas Compostas Automotivas com Custo-Efetividade

À medida que os fabricantes buscam reduzir o custo de componentes compostos, os designers esforçam-se para usar os materiais constituintes da forma mais eficiente possível, permitindo produção automatizada e integração de múltiplas funções. Para aplicações automotivas, esse desafio é exacerbado pela necessidade de tempos de ciclo tão curtos quanto 1-2 minutos.

Sobremoldagem e Abordagem "Esqueleto"

A sobremoldagem — moldagem por injeção de características de compósito termoplástico sobre pré-formas de fibra contínua — tem sido perseguida como solução possível há anos. Por exemplo, o projeto CAMISMA demonstrou um encosto de assento composto sobremoldado em 2014. "Mas esta abordagem foi levada ao próximo nível, agora alcançando produção totalmente automatizada de estruturas BIW [body-in-white] de compósito termoplástico", explica Dr. Christoph Ebel, chefe do Centro de Leveza e Aplicação (LAC) da SGL Carbon (Wiesbaden, Alemanha) em Meitingen, Alemanha.

Este avanço deve-se a uma abordagem de design "esqueleto" em desenvolvimento há vários anos. Demonstrada pela primeira vez no projeto MAI Skelett em 2015, o processo envolve o uso de pultrusões termoplásticas de fibra de carbono unidirecional (UD) que são termoformadas e sobremoldadas em um processo de duas etapas e 75 segundos para produzir um elemento estrutural do teto que excede todos os requisitos das versões anteriores. Também integra clipes para fixações e altera o comportamento de colapso de frágil para dúctil, aumentando a resistência residual do BIW.

Demonstrador MAI Skelett: Quadro do Para-brisa

O projeto MAI Skelett de 17 meses foi apoiado pelo Ministério Federal de Educação e Pesquisa da Alemanha (BMBF) e concluído pela MAI Carbon, divisão regional da rede Carbon Composites e.V. (Augsburg). Liderado pela BMW (Munique, Alemanha), o foco era realizar um demonstrador específico: o quadro do para-brisa, localizado entre os dois pilares A acima do vidro. Seu design baseou-se na estrutura atual do BMW i3, incluindo todos os requisitos funcionais e de espaço. O quadro serve não apenas como elemento transversal estrutural do teto, mas também fornece rigidez (reduzindo ruído, vibração e aspereza - NVH), resistência (teste de prensagem do teto) para atender requisitos de colisão, fixação para componentes internos (para-sol, acabamento interno, chicote de fiação para iluminação, etc.) e suporte para conexões com para-brisa, teto solar e painel de teto externo.

O quadro do para-brisa com design esqueleto compreendia quatro barras pultrudadas reforçadas com fibra UD nos cantos da peça, encapsuladas em um quadro sobremoldado para fornecer rigidez torsional e fixações funcionais de formato complexo. Os perfis pultrudados não estão todos em um plano, mas dispostos em alturas diferentes: dois próximos à base da peça de 60 mm de altura e dois próximos ao topo.

Pultrusões como Parte do Kit de Ferramentas Termoplástico

Para o quadro do para-brisa MAI Skelett, uma seção transversal quadrada de 10x10 mm foi finalizada. O objetivo era usar fibras de carbono de tow pesado mais baratas. No entanto, a fibra de 50K tow escolhida tem um empacotamento apertado de miríades de filamentos que torna a impregnação de resina mais difícil. "Em geral, este desafio pode ser superado por orientação otimizada da fibra e espalhamento para atingir impregnação ótima e alto teor de fibra em volume em torno de 50%", diz Veronika Bühlers, gerente de produto de termoplásticos da SGL. A SGL dominou essa tecnologia e agora oferece pultrusões como parte de seu kit de ferramentas termoplástico. "Já tínhamos amplo conhecimento de semiacabados por causa de nossas fitas termoplásticas, que também são baseadas em pultrusão. Então conseguimos adaptar rapidamente nossas tecnologias de pultrusão atuais para criar nossos próprios perfis." O processo inclui testes de qualidade para teor de fibra, porosidade e precisão dimensional. "Esta última é muito importante devido à automação e manipulação por robôs. Não pode haver curvatura, por exemplo, devido a tensões residuais nos perfis pultrudados."

Além dos reforços de pultrusão, resinas termoplásticas também foram investigadas no MAI Skelett. Vários tipos de poliamida 6 (PA6 ou nylon 6) foram testados para determinar a viscosidade e reologia necessárias para qualidade e velocidade de pultrusão otimizadas. A SGL ofereceu uma gama de materiais para o projeto via seu kit de ferramentas termoplástico, que compreende fitas UD, organofolhas, fibra picada para compostos reforçados com fibra curta e longa, e agora pultrusões reforçadas UD, todas baseadas em fibras de carbono SIGRAFIL 50K com dimensionamento adequado para matriz de polipropileno (PP) e poliamidas, incluindo PA6 ou PA6 in-situ. "É essencial harmonizar fibras, dimensionamento e matriz para atingir desempenho ótimo de estruturas compostas", diz Bühlers.

Ela também explica PA6 in-situ: "É quando você reage monômeros de caprolactama, ou um único monômero com catalisador e ativador, que então polimerizam [formam longas cadeias poliméricas] durante a moldagem da peça composta." Em outras palavras, a caprolactama polimeriza in-situ em uma poliamida. Bühlers observa que poliamidas como grupo de polímeros incluem PA66 e PA12, bem como certos tipos de PPA como opções adicionais de matriz.

Outro aspecto importante da fabricação do quadro do para-brisa é a capacidade de produtos semiacabados termoplásticos serem termoformados durante e após a moldagem. Isso permite maior funcionalização da forma, bem como fusão (bonding) durante a sobremoldagem. Ambos foram fatores importantes no design do demonstrador MAI Skelett.

Termoformagem e Sobremoldagem

A produção do quadro do para-brisa MAI Skelett começou com perfis pultrudados de fibra de carbono/PA6. Estes tiveram que ser modificados para acomodar a forma do componente e introdução de carga em diferentes pontos. A termoformagem foi escolhida para isso, com a preocupação principal de que a alta resistência e rigidez da fibra de carbono só poderiam ser realizadas mantendo-a o mais reta possível. Isso foi alcançado quando as barras pultrudadas foram esticadas na direção do fluxo da matriz, e depois achatadas e dobradas nas extremidades das barras.

A segunda etapa do processo foi colocar os perfis pultrudados termoformados sob um aquecedor infravermelho para levá-los à temperatura em menos de 50 segundos, seguido de transferência para um molde de injeção usando um sistema de manipulação automatizado desenvolvido para o propósito. Todas as peças do projeto foram produzidas em máquinas de moldagem por injeção existentes. Composto reforçado com fibra foi então sobremoldado sobre e ao redor dos perfis. Precisão foi necessária tanto no molde quanto no processo durante a sobremoldagem para manter as quatro barras pultrudadas termoformadas em posição.

O tempo total de ciclo para o processo de duas etapas (termoformagem e sobremoldagem de pultrusões pré-fabricadas) foi de aproximadamente 75 segundos. "Como a matriz termoplástica é refundida antes da sobremoldagem, permite formar e fundir as barras pré-fabricadas e termoformadas na peça final em tempos de ciclo muito curtos", explica Ebel. "Geralmente, a fusibilidade dos termoplásticos também permite união com componentes metálicos", adiciona Bühlers, notando que processos de termoformagem e moldagem por injeção termoplásticos oferecem excelente reprodutibilidade e controle de processo, fatores críticos para produção em alto volume.

Falha Dúctil

Perfis de PPA e PA6 com compostos de moldagem compatíveis usando fibra de vidro e carbono foram avaliados para explorar um modo de falha mais dúctil para o componente. Embora um modo de falha mais dúctil tenha diminuído a quantidade de carga que o quadro do para-brisa poderia transferir, melhorou a integridade estrutural do BIW como um todo.

Métodos de análise incluíram modelagem sólida, modelagem de vergalhão (modelagem geométrica onde as pultrusões atuam como vergalhões reforçando a sobremoldagem) e modelagem usando elementos de casca, bem como várias combinações destes. Software incluiu o solucionador FE ABAQUS (Dassault Systèmes, Paris, França) e solucionador de parâmetros Dakota desenvolvido pelos Laboratórios Nacionais Sandia (Albuquerque, NM, EUA). OptiStruct (Altair Engineering, Troy, MI, EUA) foi usado para otimização topológica.

Embora a BMW não tenha especificado uma combinação de material preferida em seu relatório final do projeto, concluiu que resultados finais de simulação e teste mostraram que os componentes esqueleto excederam todos os requisitos para a peça atual de plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP) exceto rigidez torsional, que foi determinada como não sendo um driver chave de design para o quadro do para-brisa. O design esqueleto excedeu tanto o nível de carga quanto a absorção de energia em casos de carga de colisão vs. a peça CFRP atual. Também conseguiu alcançar um modo de falha mais dúctil, o que avança não apenas o desempenho de colisão de estruturas compostas, mas também a compreensão desse desempenho de colisão e como se relaciona com a estrutura BIW como um todo.

Aplicações Futuras do Design Esqueleto

No relatório final do MAI Skelett, a BMW observou que identificou outros seis componentes de veículos que poderiam se beneficiar da redução significativa nos custos de fabricação, material e ferramentas proporcionada pela abordagem de design esqueleto. A SGL Carbon sugere aplicações em estruturas de assentos automotivos e aeroespaciais, painéis, braços robóticos, mesas de raio-X e mais.

No entanto, a abordagem de design esqueleto foi desenvolvida ainda mais, estendendo-se a componentes solicitados multiaxialmente no projeto subsequente MAI Multiskelett (realizado de setembro de 2015 a junho de 2017). Este analisou áreas onde componentes de apoio e perfis pultrudados se intersectam, e também áreas de alta introdução de carga, particularmente para grandes componentes estruturais onde vários caminhos de carga principais se cruzam. Como no projeto Skelett anterior, designs de componentes e linhas de produção seriais custo-efetivas foram investigados.

Um exemplo de como o design esqueleto pode otimizar ainda mais componentes compostos existentes é o Carbon Carrier frontal interno para um veículo elétrico desenvolvido pela SGL e pelo especialista em tecnologia automotiva Bertrandt (Ehningen, Alemanha) em 2017. Integrando todos os principais componentes de função e acabamento de um painel de instrumentos convencional, o Carbon Carrier baseava-se em um organofolha termoformada como "espinha dorsal" de suporte de carga para adicionar rigidez. "No futuro, esta peça poderia ser substituída por um design com perfis termoplásticos sobremoldados", diz Ebel. "Isso omitiria operações de corte, posicionamento e acabamento para o organofolha. Além disso, o elemento transversal seria obsoleto porque o integraríamos como perfis pultrudados e os sobremoldaríamos para alcançar o design do painel. Esta peça sobremoldada também forneceria mais espaço e flexibilidade para acomodar os elementos de fixação necessários, bem como parafusos e clipes para fixar esses elementos ou cabos, etc."

Ebel concede que isso seria uma grande mudança de design, "mas reduz custo e torna todo o componente mais eficiente." Ele aponta que é possível projetar um processo com quase zero desperdício porque os perfis são cortados exatamente no comprimento necessário e nenhum reforço de fibra de carbono é perdido nestas etapas ou na termoformagem antes da sobremoldagem. Bühlers aponta que assentos também são candidatos principais para design esqueleto. "Em compostos, eles são tipicamente feitos com tecidos ou fitas, e ainda são estruturas do tipo chapa. Mas poderíamos diminuir a espessura na área plana integrando perfis na base e aumentando a rigidez." Ela nota que perfis pultrudados não são o único produto UD eficiente possível para construir. "Também poderia ser fita, que é facilmente adaptada aos caminhos de carga para cada peça."

"Estamos visitando muitas empresas no Centro de Leveza e Aplicação", diz Ebel. "O design esqueleto como um conceito inovador adicional inspirou muito interesse e é visto como muito promissor por nossos visitantes." Ele explica que o centro desenvolveu suas capacidades de design e pode ajudar empresas a integrar ideias inovadoras como o conceito esqueleto para abrir um novo espaço de design para componentes futuros eficientes em material.

"Há muitas aplicações onde podemos usar designs semelhantes ao quadro do para-brisa", diz Bühlers. "É importante para a indústria avançar do posicionamento quasi-isotrópico, que deixa grande parte da resistência e rigidez da fibra de carbono na mesa. Em vez disso, devemos explorar formas de material mais eficientes, colocando cada material apenas onde é necessário. É isso que a indústria precisa para o futuro."