Primeira Porta Termoplástica Abre Caminho para Compósitos Automotivos Avançados

OEMs automotivos e Tier 1s estão lidando com a necessidade de reduzir massa do veículo para atender metas de economia de combustível e emissões de carbono. Materiais compósitos têm potencial para contribuir significativamente para este impulso de leveza em muitas áreas, mas custo, questões de design, processamento desconhecido e competição de outros materiais continuam a apresentar obstáculos. Para superar estes, muitos projetos estão investigando como compósitos podem ser integrados em estruturas automotivas multi-materiais para máximo benefício.

Um projeto abordando como compósitos podem reduzir sistemas de fechamento estruturais automotivos está sendo conduzido pelo Centro de Compósitos da Universidade Clemson (Clemson, SC, EUA), o Centro Internacional de Pesquisa Automotiva da Universidade Clemson (CU-ICAR) e Honda R&D Americas (Raymond, OH, EUA), com 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 Professor Endowado Jenkins de Engenharia Automotiva e bolsista do corpo docente do Dean em Clemson, é a questão de se compósitos podem permitir sistemas de fechamento ultra-leves — portas, capôs, tampas de porta-malas — para complementar avanços concorrentes em tecnologia de trem de força e melhor aerodinâmica: "Dentro do portfólio de tecnologia para leveza, muito da 'fruta ao alcance' já foi implementada — por exemplo, redução de motor. Acreditamos que há potencial para ganhos de eficiência na área de sistemas de fechamento estruturais, de carga, a um preço razoável."

Colaboração, Trabalho em Equipe São Chave

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 avançar ciência e engenharia em muitos tópicos, incluindo atender padrões de emissão automotivos. O pedido de proposta pedia design e desenvolvimento de uma porta de carro que oferecesse 42,5% de redução de peso sobre uma porta OEM padrão, mantendo desempenho de impacto, durabilidade e uso/mau uso similar, e desempenho similar de ruído, vibração e aspereza (NVH). E, independentemente de como a porta leve foi projetada, tinha que usar sistemas de materiais comercialmente disponíveis e escalar para volumes de produção de pelo menos 20.000 veículos por ano.

A Honda entrou como consultora OEM do projeto de pesquisa porque o projeto alinhava com "nossa visão de criar ultimamente uma sociedade livre de emissões", diz Skye Malcolm, engenheiro principal, Planejamento Avançado & Verificação de Fundamentos de Desenvolvimento de Veículos na Honda R&D Americas. A Honda também adicionou suas próprias restrições ao projeto, ele adiciona: "O design da porta a ser desenvolvido pela equipe deve usar a mesma geometria de vedação, ter todos os mesmos equipamentos funcionais da porta baseline, fornecer acabamento Classe A indistinguível do baseline e atender requisitos de durabilidade e envelhecimento da Honda." A equipe trouxe uma meta adicional de que a porta seja 100% reciclável. Talvez o mais importante, o DOE mandatou um custo máximo permitido por libra de peso economizado (sobre a porta baseline) de $5. Isso significava que para uma porta Acura MDX típica pesando 31,8 kg, uma redução de peso de 42,5% traria o peso alvo geral a 18,3 kg, o que (a $5/lb de peso economizado) significava que a porta compósito poderia apenas adicionar $150 ao custo da porta.

Apoiando Pilla no projeto estão vários estudantes de graduação e pós-graduação, Dr. Gang Li, professor de mecânica de engenharia em Clemson, e Drs. Bazle Haque e Shridhar Yarlagadda do CCM da Universidade de Delaware, especialistas em compósitos multi-materiais. Yarlagadda, co-investigador principal do projeto, aponta: "A Honda tem sido parte integral 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. Design, manufatura e integração de componentes compósitos devem ser combinados com uma série de requisitos 'suaves' dirigidos pelo 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, adiciona Pilla: "Simples substituição de material não era solução. Tivemos que olhar para uma abordagem de sistemas, e a Honda nos ajudou a entender todos os elementos do sistema de porta até o nível de componente. De fato, sua parceria e envolvimento são incomparáveis."

Projetando uma Nova Porta

Análise inicial incluiu benchmarking de outros esforços OEM em fechamentos leves para modelos de mercado limitado, incluindo estrutura de porta de alumínio da Audi para seu modelo A8, estrutura de porta de magnésio do Porsche Panamera e estrutura de porta de termofixo reforçado com fibra de carbono do BMW i8. Nenhuma dessas abordagens OEM anteriores, no entanto, atingiu as 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 não tinha sido tentada antes, e seria reciclável." Quando comparada a outros materiais candidatos, incluindo compósitos termofixos, alumínio e aço, termoplásticos ofereceram não apenas reciclabilidade mas altíssimo potencial para leveza e velocidades de processamento rápidas (comparado a termofixos) para atender metas de produção.

Com a porta Acura MDX original como baseline (Fig. 1), a equipe desfez sua mistura de materiais: 62% metal, 21% polímero rígido puro, 13% vidro e 4% elastômero. A maior oportunidade para leveza, 60%, viria da estrutura de porta metálica, que a equipe pretendia reduzir de um peso baseline de 15,4 kg para o peso alvo de 6,2 kg. Embora não houvesse chance de reduzir peso nos componentes internos e eletrônicos da porta (alto-falante de rádio, servo para subir/descer vidro, trava de porta, etc.), a equipe determinou que o peso do vidro da janela poderia ser reduzido em 20%, talvez tornando 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 até eliminados.

As principais tarefas do projeto rodaram concurrentemente nos primeiros dois anos. Alguns membros da equipe trabalharam em geração de dados de material, enquanto outros abordaram especificidades do design da porta. 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 mais — para determinar materiais candidatos para estrutura interna e painel externo; materiais foram contribuídos por vários parceiros fornecedores da indústria. Dados foram avaliados via gráficos de aranha, com resistência geral, resistência ao cisalhamento, custo permitido, densidade permitida, rigidez e tenacidade compondo os eixos do gráfico.

As melhores opções de material após avaliação inicial de dados — fitas de fibra contínua e pellets termoplásticos reforçados com fibra longa — passaram por modelagem de material, explica Pilla: "Foi possível construir uma matriz de rigidez ortotrópica simples para as fitas de fibra contínua, baseada na lei de Hooke." Para o polímero reforçado com fibra longa, no entanto, simulações secundárias foram necessárias para prever resistência e rigidez de uma peça de porta moldada por injeção, por causa da anisotropia introduzida tanto pela geometria final da peça quanto pelo processo de enchimento do molde. Adiciona Pilla, "Modelagem desses materiais de fibra longa é difícil, porque não muito foi feito em simulação." Para reunir os dados necessários, a equipe desenvolveu um loop de otimização de manufatura. Formas genéricas de peça para a estrutura interna e painel externo da porta foram geradas com o SolidWorks 3D da Dassault Systèmes (Waltham, MA, EUA); simulações de enchimento de molde daquelas formas foram conduzidas para determinar vetores de fluxo de fusão com auxílio do software Moldex3D da Moldex (Chupei City, Taiwan); dinâmica de fluxo de fusão e colisão foram analisadas para determinar orientação de 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 elementos finitos (FEA), incluindo cartas de material fornecidas pela solução CAE HyperWorks da Altair Engineering Inc. (Troy, MI, EUA). Como formas de peça foram modificadas, e como materiais foram testados, o loop de otimização foi repetido múltiplas vezes.

Concurrentemente, outros membros da equipe trabalharam no desenvolvimento real do conceito da porta, e eventualmente, simulações de ferramental e manufatura. Começando com esboços grosseiros e seleção de material de alto nível, uma gama de designs foi criada. Então, modelos CAD grosseiros foram gerados, junto 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 da porta para sete, para trabalho adicional. "Nossa filosofia de design desde o início foi maximizar integração funcional de peças e materiais, minimizar contagem de peças, maximizar eficácia de materiais utilizados através de otimização e simplificar montagem", diz Pilla.

Neste ponto, modelos CAD detalhados foram gerados e simulações FEA foram realizadas para cada conceito para validar desempenho estático em conformidade com metas da Honda. Levando em conta manufaturabilidade e integração de subsistemas, Conceito 7 (abordagem space frame) começou a convergir para Conceito 2 (estrutura frame de uma peça), então a equipe decidiu continuar com Conceito 2, incorporando lições aprendidas da abordagem space frame. Esse conceito consiste de quatro elementos: o painel externo Classe A, os internos da porta, uma estrutura interna ou painel, e os elementos de acabamento interior.

Estrutura Interna Multi-material, Externa Classe A

A equipe selecionou materiais e processos de manufatura para o design final da porta em meados de 2018, com congelamento de design em 15 de janeiro de 2019; manufatura de ferramental e prototipagem começou. 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). "Linha de cintura" refere-se a uma linha de estilo formada pela borda inferior do vidro da janela, onde enrijecedores foram colocados para ajudar a suportar os painéis compósitos moldados. Pilla nota que a viga anti-intrusão, para proteção de passageiro no caso de impacto lateral, teve que permanecer em aço para manter peso geral da porta menor — uma viga compósito com mesmo desempenho teria sido muito pesada. Um elemento chave do design é o sistema de fixação para conectar a estrutura interna ao painel externo. Pilla explica: "O painel externo Classe A será preso à porta no final da linha de montagem, o que permitirá que associados instalem facilmente os internos da porta antes, e também prevenir qualquer dano à superfície Classe A durante montagem." Características de encaixe moldadas na estrutura interna são ajustáveis, para acomodar tolerâncias de manufatura na direção Y, ele adiciona, enquanto furos oblongos para fixadores metálicos ajudam a compensar tolerâncias de manufatura nas direções X e Z, durante montagem.

Para ajudar com redução de peso, o design atual da porta não tem painel de acabamento interior convencional. Em vez disso, algumas peças funcionais moldadas foram projetadas, incluindo um porta-mapas moldado por injeção, um apoio de braço de madeira natural com molde traseiro em plástico ABS, e algum enchimento de couro laminado com espuma. Juntas, estas peças pesam 1,34 kg, comparado ao painel interior baseline a 3,49 kg. Pilla diz que a equipe espera economizar mais peso com otimização de design.

Atualmente, análise FEA e otimização estão em andamento, para modelar tanto casos de carga estática quanto cargas dinâmicas de impacto que a porta compósito terá que suportar. Os casos de carga estática sozinhos são assustadores, e incluem flacidez da porta, rigidez da linha de cintura, rigidez de montagem do espelho, rigidez de puxar maçaneta da porta e mais. O teste de carga dinâmica, diz Pilla, por enquanto consiste no teste quasi-estático de poste FMVSS 214, no qual uma porta de veículo é esmagada para dentro por um poste (que erra o teto e carroceria) por 18 polegadas enquanto todos os requisitos mínimos de força são mantidos: "Este caso é o menos computacionalmente intensivo em comparação aos outros dois testes de impacto [o teste de poste FMVSS 5ª Percentil Feminino (AF5) a 75° e o teste de Critérios de Impacto Lateral IIHS (IIHS SICE)]. Isso nos permitirá conduzir mais experimentos de design e loops de otimização."

Adiciona Gang Li: "A integração do processo de manufatura de compósitos e simulações de desempenho estrutural com algoritmos de otimização é tanto intrigante quanto desafiador. Enquanto o desafio reside na complexidade do sistema e na escala dos computadores envolvidos, tal integração funde os espaços de design estrutural, material e de processo de manufatura juntos e nos fornece mais oportunidades para leveza e desempenho aprimorado." E, atender a este caso de carga de poste significa que a porta está perto de atender aos outros dois testes de poste e impacto lateral, ele adiciona.

"Nossos testes até agora mostram que a porta compósito facilmente atende aos requisitos federais, mas o desempenho abrangente da porta baseline Acura é muito maior que aqueles requisitos", diz Pilla. Resultados FEA até agora mostram que a porta compósito leve absorve mais energia que a porta baseline (23,59 kJ vs. 15,34 kJ) o que Pilla atribui à capacidade dos compósitos de absorver energia deformacional adicional após o ponto de cedência inicial. Mas, simulações mostram que melhorias podem ser feitas, tanto no enrijecedor externo da linha de cintura 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 ferramental; criando um plano de produção em massa para escala e custos estimados de uma linha de produção; e produzindo protótipo(s) para testes de desempenho de impacto e mecânico, testes de ajuste e acabamento, e envelhecimento acelerado.

Diz Pilla, "A porta compósito ainda não está atingindo a meta, devido às espessuras dos painéis, e não está completamente otimizada. Embora sejamos muito mais leves que o baseline de aço, ainda não atingimos nossa meta de redução de peso de 42,5%, mas somos otimistas que podemos alcançá-la." Uma porta protótipo para testes de ajuste e funcionais estará pronta em breve. A equipe do projeto acredita que os materiais e tecnologias desenvolvidos para esta porta podem facilmente ser escalados para outros componentes automotivos (por exemplo, peças bolt-on e body-in-white), e o custo de infraestrutura relativamente baixo dos processos de compósitos pode permitir que novos OEMs e fornecedores implementem estas tecnologias — uma vitória para compósitos automotivos.