Porta termoplástica a primeira para compósitos automotivos

OEMs automotivos e Tier 1s estão lutando com a necessidade de reduzir a massa do veículo para atender às metas de economia de combustível e emissão de carbono. Os materiais compostos têm o potencial de contribuir significativamente para esse impulso de redução de peso em muitas áreas, mas o custo, os problemas de design, o processamento desconhecido e a competição de outros materiais continuam a apresentar obstáculos. Para superar isso, muitos projetos estão investigando como os compósitos podem ser integrados em estruturas automotivas multimateriais para obter o máximo benefício.

Um projeto que trata de como os compostos podem reduzir as estruturas automotivas de suporte está sendo conduzido pelo Centro de Compósitos da Universidade Clemson (Clemson, SC, EUA), pelo Centro Internacional de Pesquisa Automotiva da Universidade Clemson (CU-ICAR) e pela Honda R&D Américas (Raymond, OH , EUA), com o apoio do Centro de Materiais Compósitos da Universidade de Delaware (CCM, Newark, DE, EUA) e financiamento do Departamento de Energia dos EUA (DOE, Washington, DC, EUA).

O foco do projeto, diz o investigador principal Dr. Srikanth Pilla, que é o Jenkins Endowed Professor de Engenharia Automotiva e Dean na Clemson, é a questão de saber se os compostos podem permitir sistemas de fechamento ultraleves - portas, capôs, tampas de tronco - para complementam os avanços simultâneos na tecnologia do trem de força e melhor aerodinâmica:“Dentro do portfólio de tecnologia para redução de peso, muito do 'fruto mais fácil' já foi implementado - por exemplo, redução do tamanho do motor. Acreditamos que há potencial para ganhos de eficiência na área de sistemas de fechamento estrutural de suporte de carga a um preço razoável. ”

Colaboração e formação de equipes são fundamentais

O projeto de quatro anos, que começou em 2016, surgiu como uma solicitação do DOE, parte da série de Grandes Desafios da administração Obama para promover a ciência e a engenharia em muitos tópicos, incluindo o cumprimento dos padrões de emissão automotiva. A solicitação de proposta solicitava o design e desenvolvimento de uma porta de carro que oferecesse uma redução de peso de 42,5% em relação a uma porta OEM padrão, enquanto mantinha desempenho em colisão, durabilidade e desempenho de uso / mau uso semelhantes e desempenho semelhante de ruído, vibração e aspereza (NVH) . E, independentemente de como a porta leve foi projetada, ela teve que usar sistemas de materiais disponíveis comercialmente e escala para volumes de produção de pelo menos 20.000 veículos por ano.

Honda entrou a bordo como consultor de OEM do projeto de pesquisa porque o projeto estava alinhado com "nossa visão de criar uma sociedade livre de emissões", disse Skye Malcolm, engenheira principal, Fundações de Desenvolvimento de Veículos de Verificação e Planejamento Avançado da Honda R&D Américas. A Honda também adicionou suas próprias restrições ao projeto, ele acrescenta:“O design da porta a ser desenvolvido pela equipe deve usar a mesma geometria de vedação, ter todos os mesmos equipamentos funcionais da porta de base, fornecer um acabamento Classe A indistinguível do linha de base e atender aos requisitos de durabilidade e envelhecimento da Honda. ” A equipe trouxe a meta adicional de que a porta seja 100% reciclável. Talvez o mais importante, o DOE determinou um custo máximo permitido por libra de peso economizado (acima da porta da linha de base) de $ 5. Isso significava que, para um Acura MDX típico porta pesando 31,8 kg, uma redução de peso de 42,5% traria o peso alvo geral para 18,3 kg, o que (em US $ 5 / lb de peso salvo) significava que a porta composta poderia apenas adicionar $ 150 para o custo da porta.

Apoiando Pilla no projeto estão vários alunos de graduação e pós-graduação, o Dr. Gang Li, professor de mecânica de engenharia na Clemson, e os drs. Bazle Haque e Shridhar Yarlagadda, da University of Delaware CCM, especialistas em compósitos multimateriais. Yarlagadda, o co-investigador principal do projeto, destaca:“A Honda tem sido uma parte integrante de nosso esforço e forneceu um nível excepcional de colaboração e compromisso com nosso programa, incluindo suporte de computação HPC e acesso a engenheiros da Honda em todo o espectro. O projeto, a fabricação e a integração de componentes compostos devem ser combinados com uma série de requisitos ‘leves’ direcionados ao cliente para criar um design de sistema aceitável, e isso não teria sido possível sem o suporte da Honda ”. Este sentimento é compartilhado pelos outros membros da equipe, acrescenta Pilla:“A simples substituição de material não era uma solução. Tivemos que olhar para uma abordagem de sistemas, e a Honda nos ajudou a entender todos os elementos do sistema de portas até o nível dos componentes. Na verdade, sua parceria e envolvimento são incomparáveis. ”

Projetando uma nova porta

A análise inicial incluiu benchmarking de outros esforços de OEM em fechamentos leves para modelos de mercado limitados, incluindo a moldura da porta de alumínio da Audi para seu A8 modelo, o Porsche Panamera moldura da porta de magnésio e BMW i8 moldura da porta termofixa reforçada com fibra de carbono. Nenhuma dessas abordagens OEM anteriores, no entanto, atendeu às metas de custo ou peso deste projeto. Diz Pilla:“Queria fazer parte de algo que beneficiasse o futuro, que contribuísse para uma economia circular. Uma porta termoplástica nunca havia sido tentada antes e seria reciclável. ” Quando comparados a outros materiais candidatos, incluindo compostos termofixos, alumínio e aço, os termoplásticos oferecem não apenas reciclabilidade, mas um potencial muito alto de redução de peso e velocidades de processamento rápidas (em comparação com termofixos) para atender às metas de produção.

Com o Acura MDX original porta como linha de base (Fig. 1), a equipe quebrou sua mistura de materiais:62% metal, 21% polímero puro rígido, 13% vidro e 4% elastômero. A maior oportunidade de redução de peso, 60%, viria da moldura da porta metálica, que a equipe pretendia reduzir de um peso básico de 15,4 kg para o peso alvo de 6,2 kg. Embora não tenha havido chance de reduzir o peso nos componentes internos e eletrônicos da porta (alto-falante do rádio, servo para levantar e abaixar a janela, fechadura da porta, etc.), a equipe determinou que o peso do vidro da janela poderia ser reduzido em 20%, talvez fazendo o vidro mais fino, mas sem comprometer as métricas-alvo de NVH e durabilidade. Além disso, a equipe estimou que o peso dos elementos de acabamento na superfície interna da porta poderia ser reduzido em 30% ou mesmo eliminado.

As principais tarefas do projeto ocorreram simultaneamente nos primeiros dois anos. Alguns membros da equipe trabalharam na geração de dados de materiais, enquanto outros abordaram os detalhes do projeto das portas. O grupo de dados de material gerou dados de teste de material para uma variedade de termoplásticos - fitas contínuas, esteiras, polímeros reforçados com fibra curta e longa e muito mais - para determinar os materiais candidatos para a estrutura interna e o painel externo; os materiais foram contribuídos por vários parceiros fornecedores da indústria. Os dados foram avaliados por meio de gráficos de aranha, com resistência geral, resistência ao cisalhamento, custo permitido, densidade permitida, rigidez e tenacidade compondo os eixos do gráfico.

As opções de material de melhor desempenho após a avaliação inicial dos dados - fitas de fibra contínua e pelotas termoplásticas reforçadas com fibra longa - passaram pela modelagem do material, explica Pilla:“Foi possível construir uma matriz de rigidez ortotrópica simples para as fitas de fibra contínua, com base em Hooke's lei." Para o polímero reforçado com fibra longa, no entanto, simulações secundárias foram necessárias para prever a resistência e rigidez de uma peça de porta moldada por injeção, devido à anisotropia introduzida tanto pela geometria da peça final quanto pelo processo de preenchimento do molde. Pilla acrescenta:“A modelagem desses materiais de fibra longa é difícil, porque não muito foi feito na simulação.” Para reunir os dados necessários, a equipe desenvolveu um ciclo de otimização de fabricação. Formas genéricas de peças para a moldura interna e o painel externo da porta foram geradas com o software de design SolidWorks 3D da Dassault Systémes (Waltham, MA, EUA); simulações de enchimento de moldes dessas formas foram conduzidas para determinar vetores de fluxo de fusão com a ajuda do software Moldex3D da Moldex (Chupei City, Taiwan); a dinâmica do fluxo de fusão e o conluio foram analisados ​​para determinar a orientação da fibra via software Digimat da e-Xstream (Hautcharage, Luxemburgo, uma empresa Hexagon); e orientações de fibra mapeadas foram usadas para gerar uma matriz de rigidez usando ferramentas de análise de elemento finito (FEA), incluindo cartões de material fornecidos pela solução HyperWorks CAE da Altair Engineering Inc. (Troy, MI, US). Conforme as formas das peças foram modificadas e os materiais foram testados, o ciclo de otimização foi repetido várias vezes.

Ao mesmo tempo, outros membros da equipe trabalharam no desenvolvimento do conceito de porta real e, eventualmente, em simulações de ferramentas e manufatura. Começando com rascunhos e seleção de materiais de alto nível, uma variedade de designs foi criada. Em seguida, modelos de CAD aproximados foram gerados, juntamente com simulações FEA iniciais para casos de carga estática simples. No outono de 2016, diz Pilla, um workshop de design foi realizado no CU-ICAR, onde a equipe reduziu as opções de conceito de porta para sete, para trabalho posterior. “Nossa filosofia de projeto desde o início foi maximizar a integração funcional de peças e materiais, minimizar a contagem de peças, maximizar a eficácia dos materiais utilizados por meio da otimização e simplificar a montagem”, diz Pilla.

Neste ponto, modelos CAD detalhados foram gerados e simulações FEA foram realizadas para cada conceito para validar o desempenho estático em conformidade com as metas da Honda. Levando em consideração a capacidade de fabricação e integração de subsistemas, o Conceito 7 (uma abordagem de estrutura espacial) começou a convergir para o Conceito 2 (uma estrutura estrutural de uma peça), então a equipe decidiu continuar com o Conceito 2, incorporando lições aprendidas com a abordagem de estrutura espacial . Esse conceito consiste em quatro elementos:o painel externo Classe A, as partes internas das portas, uma moldura ou painel interno e os elementos de acabamento interno.

Interno multimaterial, externo Classe A

A equipe selecionou materiais e processos de fabricação para o projeto final da porta em meados de 2018, com um congelamento de projeto em 15 de janeiro de 2019; a fabricação de ferramentas e a prototipagem já começaram. A Figura 2 mostra os detalhes para a estrutura interna de 1,2 mm de espessura e seus componentes (o painel externo Classe A não é mostrado). “Beltline” refere-se a uma linha de estilo formada pela borda inferior do vidro da janela, onde reforços foram colocados para ajudar a apoiar os painéis compostos moldados. Pilla observa que a viga anti-intrusão, para proteção dos passageiros no caso de um impacto lateral, teve que permanecer em aço para manter o peso geral da porta mais baixo - uma viga composta com o mesmo desempenho teria sido muito pesada. Um elemento chave do design é o sistema de fixação para conectar a moldura interna ao painel externo. Pilla explica:“O painel externo de Classe A será preso à porta no final da linha de montagem, o que permitirá que os associados instalem facilmente os internos da porta com antecedência e também evitará qualquer dano à superfície de Classe A durante a montagem.” Os recursos de encaixe moldado na estrutura interna são ajustáveis ​​para acomodar as tolerâncias de fabricação na direção Y, acrescenta ele, enquanto os orifícios com fenda para fixadores metálicos ajudam a compensar as tolerâncias de fabricação nas direções X e Z, durante a montagem.

Para ajudar na redução de peso, o design atual das portas não tem painel de acabamento interno convencional. Em vez disso, algumas peças moldadas funcionais foram projetadas, incluindo um bolso de mapa moldado por injeção, um descanso de braço de madeira natural moldado por trás com plástico ABS e um pouco de forro de couro laminado com espuma. Juntas, essas peças pesam 1,34 kg, em comparação com o painel interno da linha de base com 3,49 kg. Pilla diz que a equipe espera economizar mais peso com a otimização do design.

Atualmente, a análise e otimização da FEA estão em andamento, para modelar casos de carga estática e cargas de colisão dinâmicas que a porta composta terá que suportar. Os casos de carga estática por si só são assustadores e incluem a curvatura da porta, rigidez da linha de cintura, rigidez de montagem em espelho, rigidez de puxar maçaneta da porta e muito mais. O teste de carga dinâmica, diz Pilla, por enquanto consiste no teste de poste quase estático do Padrão Federal de Segurança de Veículos Motorizados (FMVSS) 214, no qual uma porta do veículo é esmagada para dentro por um poste (que não atinge o teto e o corpo) por 18 polegadas enquanto todos os requisitos de força mínima são mantidos:“Este caso é o menos computacionalmente intensivo em comparação com os outros dois testes de colisão [o 75 ° FMVSS 5 ^th Teste de pólo feminino de percentil (AF5) e teste do Instituto de Seguros para Avaliação de Critérios de Impacto Lateral da Segurança em Rodovias (IIHS SICE)]. Isso nos permitirá realizar mais experimentos de design e loops de otimização. ”

Gang Li acrescenta:“A integração do processo de fabricação de compostos e simulações de desempenho estrutural com algoritmos de otimização é intrigante e desafiadora. Embora o desafio esteja na complexidade do sistema e na escala dos cálculos envolvidos, essa integração mescla os espaços de design de processos estruturais, de material e de manufatura e nos oferece mais oportunidades de redução de peso e desempenho aprimorado ”. E, atender a este caso de carga de teste de pólo significa que a porta está perto de atender aos outros dois testes de impacto lateral e de pólo, acrescenta.

“Nossos testes até agora mostram que a porta composta atende facilmente aos requisitos federais, mas o desempenho abrangente de nossa porta Acura de base é muito maior do que esses requisitos”, diz Pilla. Os resultados da FEA até agora mostram que a porta de compósito leve absorve mais energia do que a porta da linha de base (23,59 kJvs.15,34 kJ), que Pilla atribui à capacidade dos compósitos de absorver energia deformacional adicional após o ponto de escoamento inicial. Mas, as simulações mostram que melhorias podem ser feitas, tanto no reforço da linha de cintura externa quanto na arquitetura de reforço da estrutura interna.

Com um ano restante no cronograma inicial do projeto, o grupo está gerando simulações de manufatura e abordagens de ferramentas; criar um plano de produção em massa para aumento de escala e custos estimados de uma linha de produção; e produção de protótipo (s) para testes de desempenho mecânico e de colisão, testes de ajuste e acabamento e envelhecimento acelerado.

Pilla disse:“A porta composta ainda não está atingindo a meta, devido às espessuras dos painéis, e não está totalmente otimizada. Embora sejamos muito mais leves do que a linha de base de aço, ainda não atingimos nossa meta de redução de peso de 42,5%, mas estamos otimistas de que podemos alcançá-la. ” Um protótipo de porta para teste de ajuste e funcional estará pronto em breve. A equipe do projeto acredita que os materiais e tecnologias desenvolvidas para esta porta podem ser facilmente escalonáveis ​​para outros componentes automotivos (por exemplo, peças aparafusadas e carroceria em branco), e o custo de infraestrutura relativamente baixo dos processos de compósitos pode permitir novos OEMs e fornecedores implementem essas tecnologias - uma vitória para os compostos automotivos.