Novo Processo de Moldagem por Compressão Combina Fitas Contínuas e D-LFT para Carrocerias Leves de Veículos Elétricos

Um programa de pesquisa plurianual financiado publicamente, supervisionado pelo Ministério Federal de Educação e Pesquisa da Alemanha (BMBF) e chamado de Design Leve Multi-Material Integrado ao Sistema para E-mobilidade (SMiLE), combinou compósitos e metais não ferrosos para reduzir massa e custos para toda a estrutura body-in-white (BIW) de um veículo elétrico a bateria (BEV). O módulo do assoalho traseiro foi projetado usando dois tipos de compósitos termoplásticos mais perfis e inserções metálicas. Para produzir rapidamente e de forma custo-eficiente este assoalho de carga, um novo subprocesso de moldagem por compressão em uma etapa foi desenvolvido e uma nova tecnologia para aquecer e consolidar rapidamente fitas termoplásticas foi usada.

Fita UD + D-LFT

O assoalho traseiro híbrido-compósito usa fitas termoplásticas unidirecionais (UD) mais compósitos termoplásticos de fibra longa direta (D-LFT). Fitas termoplásticas forneceram alta rigidez/resistência em uma estrutura fina e leve capaz de resistir a altas cargas de flambagem em colisão; D-LFT forneceu a capacidade de formar geometrias complexas, integração funcional/consolidação de peças e a capacidade de insert-moldar características de fixação metálicas. Ultramid B3K poliamida 6 (PA6) D-LFT com 40% em peso de reforço de fibra de vidro e oito camadas de Ultratape B3WG12 PA6 com 60% em peso de carga de fibra de vidro, ambos da BASF SE (Ludwigshafen, Alemanha), foram usados.

Embora D-LFT possa ser moldado por injeção ou compressão, e laminados de fita podem ser sobremoldados por injeção, ambos os materiais são comumente moldados por compressão – um processo automotivo bem compreendido com capacidade instalada suficiente local e globalmente para suportar a meta do programa SMiLE de 300 veículos/dia.

Fitas UD e D-LFT frequentemente são combinadas na mesma peça de duas maneiras: ou fitas são adicionadas seletivamente a caminhos de carga em estruturas predominantemente D-LFT que precisam de melhores propriedades mecânicas – uma técnica chamada D-LFT personalizado, que também pode usar rovings de fibra contínua em vez de ou em combinação com fitas – ou fitas e D-LFT são usadas para cobrir lados opostos de uma peça. Na primeira técnica, é fácil para o D-LFT fluido empurrar fitas finas para fora de posição durante a sobremoldagem, necessitando uso de clipes ou outro hardware dentro da ferramenta para manter a posição da fita. Embora seja menos custoso usar fitas seletivamente em estruturas predominantemente D-LFT, tais peças não são tão fortes ou leves quanto aquelas que usam uma proporção maior de fitas para D-LFT. Com a segunda técnica, aplicando fitas e D-LFT em lados opostos de uma peça, melhor integração funcional/consolidação de peças é alcançada no lado D-LFT, e maior rigidez/resistência é alcançada no lado de fita UD, mas a estrutura resultante ainda é relativamente pesada e não tão rígida e forte quanto poderia ser.

Dada a natureza crítica de segurança dos assoalhos de veículos, e o desejo dos pesquisadores do SMiLE de usar todo o assoalho traseiro termoplástico-compósito para absorver energias de impacto (não apenas com perfis metálicos montados nos lados axiais de assoalhos convencionais totalmente metálicos ou do novo assoalho híbrido-compósito), era importante tornar o assoalho traseiro o mais rígido e forte possível. Como os pesquisadores precisavam reduzir tanto peso quanto custo para atingir as metas do projeto, queriam manter o assoalho fino enquanto evitavam flambagem durante impacto, e também desejavam adicionar funcionalidade em locais-chave (por exemplo, pontos de fixação para cintos de segurança da segunda fileira), eles desenvolveram um novo subprocesso D-LFT/moldagem por compressão onde a maior parte do assoalho era fita termoplástica (preconsolidada em um laminado antes da moldagem), com D-LFT aplicado seletivamente apenas onde nervuras e geometrias complexas eram necessárias, mas impossíveis de formar apenas com laminados de fita.

A equipe também decidiu tentar produzir o assoalho traseiro de 1,3 x 1,3 m em uma única etapa dentro da prensa de moldagem por compressão. Para realizar todos esses objetivos, a equipe precisava de uma combinação de ferramentas interessantes e inovadoras e um processo de conformação sequencial.

LFT Avançado Personalizado Local

O design final do assoalho traseiro é uma estrutura near-net-shape de casca fina produzida via fitas UD preconsolidadas em um laminado. Grandes corrugações são incluídas ao longo do eixo longitudinal da peça para alta resistência a baixa massa e espessura. No entanto, os pesquisadores sabiam que essas corrugações seriam difíceis de moldar no grande laminado. Para garantir boa conformação, simulação foi usada para projetar o molde para verificar conformação reproduzível das corrugações (50 mm de altura por 115 mm de largura) e minimizar enrugamento. Se errassem e as corrugações não moldassem corretamente, o laminado poderia enrugar ou deslocar fora do plano, e a resistência de união com o D-LFT seria ruim. Prototipagem virtual previu que a melhor sequência de conformação era do interior/centro para fora em direção aos lados, semelhante ao que é tipicamente feito com hand layup. A única maneira de um processo de conformação sequencial poder ser feito em uma etapa de moldagem (onde o laminado não era pré-conformado fora da prensa principal) era usar ação de ferramenta (slides).

Slides são comuns em ferramentas de injeção muito complexas. Embora não sejam inéditos em moldagem por compressão, são menos comuns e tendem a ser muito menos complexos quando usados. Pesquisadores projetaram a ferramenta com seis cavidades deslocáveis (usando quatro slides) para formar corrugações e outras estruturas no laminado, em vez de apenas sobremoldá-las em D-LFT, o que adicionaria massa e espessura significativas à peça.

Trabalhos anteriores sobre resistência interfacial nas juntas laminado/nervuras D-LFT mostraram que resistência de união superior era alcançada se, antes da sobremoldagem, o laminado mantivesse uma temperatura de pelo menos 130°C – abaixo do ponto de fusão da matriz PA6 – e D-LFT fosse entregue à ferramenta a 280°C, acima do ponto de fusão do PA6. Para evitar que o laminado esfriasse muito rapidamente contra a ferramenta antes das cargas D-LFT serem colocadas, os pesquisadores o colocaram sobre pinos ejetores totalmente estendidos no lado da cavidade da ferramenta. À medida que duas cargas D-LFT eram entregues, os pinos ejetores baixavam e o molde começava a fechar. Em seguida, os quatro slides – três dos quais operavam usando o sistema hidráulico da máquina, com o quarto operado via ação de mola – estendiam em sequência para formar o laminado, incluindo suas corrugações profundas. Uma vez que a prensa estava totalmente fechada, as estruturas de nervuras D-LFT (em uma rede complexa em forma de X) eram formadas. Os pesquisadores chamaram esta técnica de conformação sequencial de local advanced tailored LFT.

Em outro desvio do design convencional de ferramenta de compressão, o molde foi construído com bordas de cisalhamento apenas em seções onde D-LFT fluía para uma borda da peça a fim de moldar cargas seletivas de D-LFT fluido contra o laminado de fita não fluido que compunha a maior parte da estrutura.

Tecnologia de Consolidação a Vácuo Induzida por Radiação

Uma etapa importante do processo para garantir comportamento de conformação reproduzível e alto desempenho mecânico na peça final é a consolidação da fita. Aquecendo rapidamente pilhas de fita termoplástica logo antes da conformação, vazios são eliminados dentro e entre camadas e excelente consolidação/impregnação de fibra é alcançada. Para evitar que isso se tornasse a etapa limitante da taxa, o processo foi igualado à velocidade de colocação automatizada de fita termoplástica – uma máquina de colocação de fita Fiberforge RELAY da Dieffenbacher GmbH (Eppingen, Alemanha) foi usada – bem como ciclos de moldagem na prensa de compressão, uma prensa Compress Plus DCP-G 3600/3200 AS de 3.600 toneladas, também da Dieffenbacher, usada para formar o assoalho traseiro.

Antes do SMiLE, o Instituto Fraunhofer de Tecnologia Química (F-ICT, Pfinztal, Alemanha) – que liderou o desenvolvimento dos assoalhos dianteiro e traseiro no maior programa SMiLE, e também ajudou a desenvolver o processo de moldagem sequencial local advanced tailored LFT com outros parceiros do programa – havia desenvolvido um processo inovador chamado tecnologia de consolidação a vácuo induzida por radiação para consolidar rapidamente pilhas de fita UD em laminados que foi subsequentemente aplicado para produzir o assoalho traseiro termoplástico. A Dieffenbacher comercializou desde então com uma máquina chamada Fibercon. O processo foi projetado para curar defeitos de impregnação em fitas, o que permite o uso de fitas menos custosas enquanto minimiza vazios nas peças finais. Envolve aplicação de grandes quantidades de calor infravermelho (IR) nas camadas superior e inferior da pilha de camadas (a transmissão é através de placas de vidro transparentes a IR sobre as quais a pilha de camadas repousa) enquanto mantém toda a pilha sob vácuo. Isso remove ar, flui a resina e preenche lacunas dentro e entre fitas. O calor é aplicado apenas por curta duração, permitindo que as fitas se unam e solidifiquem rapidamente sem mover a pilha de camadas fora do lugar. Também foi projetado para consolidação rápida e homogênea da pilha de camadas em um laminado com propriedades altas e consistentes em todo o seu volume, tornando o comportamento de conformação reproduzível e mais fácil de simular, e garantindo altas propriedades mecânicas na peça final. Outra preocupação era como manter o calor no laminado consolidado a caminho da prensa, para garantir boas propriedades de moldagem sem desperdiçar energia para reaquecer o laminado antes da conformação. Uma vez consolidado, o laminado agora fundido é rapidamente reaquecido antes de ser removido da máquina e movido rapidamente para a prensa para conformação.

Sequência Final do Processo

A sequência final do processo para o assoalho traseiro ocorreu em quatro equipamentos, três dos quais operam simultaneamente na célula de trabalho.

Primeiro, fitas foram colocadas automaticamente usando orientações determinadas por simulação via sistema de colocação de fita Fiberforge RELAY. Uma mesa indexadora facilita a colocação de fita em virtualmente qualquer orientação em cada camada da pilha de camadas. Fitas individuais em cada camada são levemente unidas à camada abaixo via solda por pontos, e a camada inferior é mantida no lugar durante a colocação via vácuo. Como a fita é cortada individualmente para cada peça de cada camada, há desperdício mínimo e corte pós-moldagem mínimo é necessário. O sistema também pode colocar furos/janelas na pilha aparando bordas da fita antes da fixação, o que reduz corte pós-moldagem e ainda mais reduz sucata e custos.

Em seguida, a pilha de camadas foi movida da máquina Fiberforge RELAY para a máquina Fibercon e colocada entre as placas de vidro dessa unidade. À medida que a unidade fechava, vácuo era aplicado na pilha e calor IR era projetado por curto tempo através das placas superior e inferior, aquecendo rapidamente a matriz PA6 acima de seu ponto de fusão (~230°C), fluindo resina e removendo vazios. O laminado era então resfriado abaixo da temperatura de cristalização da resina (~180°C), consolidando fitas individuais em um único laminado.

Na prensa de compressão agora aberta, que acabara de ejetar sua peça anterior, pinos ejetores foram deixados estendidos e os pesquisadores carregaram manualmente dois perfis de alumínio e várias inserções metálicas no lado superior/núcleo da ferramenta enquanto aguardavam a próxima rodada de materiais.

O laminado ainda quente no Fibercon era novamente aquecido acima do ponto de fusão do PA6, a unidade era aberta e o laminado era transferido para a prensa de compressão aberta. Como o ar é um condutor térmico pior que o aço, o laminado era então colocado sobre pinos ejetores totalmente estendidos no lado da cavidade da ferramenta para ajudar a manter o calor no laminado antes da chegada das cargas D-LFT.

Enquanto as fitas eram colocadas e consolidadas, o material D-LFT próximo era composto usando dois extrusores (o sistema In-Line Compounder da Dieffenbacher). O primeiro extrusor combinava resina e aditivos enquanto o segundo picava fibra no comprimento desejado e então combinava resina/aditivos com fibra para produzir cargas totalmente misturadas, pré-pesadas, de D-LFT quente que então eram entregues à prensa de compressão. No caso do assoalho, duas cargas D-LFT eram colocadas no laminado enquanto este era baixado à ferramenta pela retração dos pinos ejetores.

Com as cargas D-LFT mais quentes sobre o laminado mais frio, a prensa começava a fechar enquanto os quatro slides se desdobravam em sequência para pré-formar o laminado antes do fechamento total da ferramenta. A aplicação sequencial dos slides evitava enrugamento do laminado enquanto características 3D, incluindo corrugações, se formavam. Uma vez que a ferramenta superior fechava, o laminado de fita era totalmente formado e as cargas D-LFT quentes eram moldadas a 1.430 MT em estruturas de rede nervuradas. A peça completa, com inserções metálicas totalmente integradas, era então ejetada após a prensa abrir.

Em ambiente de produção, todo manuseio de materiais seria feito usando robôs gantry equipados com garras de agulha, mas para o programa de pesquisa SMiLE foi feito manualmente. Para o programa de pesquisa, o ciclo total de moldagem foi de 240 segundos, retardado pela moldagem das nervuras grossas do assoalho. Pesquisadores acreditam que em ambiente de produção poderiam obter tempos de ciclo abaixo de 100 segundos com mais modificações na ferramenta, e que poderiam reduzi-los ainda mais se o laminado fosse pré-conformado antes da colocação na prensa.