Termoplásticos híbridos fornecem resistência ao impacto do piso de carga

Um ambicioso programa plurianual do consórcio alemão System integrado Multi-Material Lightweight Design para E-mobilidade (SMiLE) desenvolveu um módulo de piso de carga automotivo demonstrador que é parte de uma estrutura híbrida maior corpo-em-branco (BIW) e que mostra grande promessa para o uso de compósitos e metais não ferrosos em um ambiente de produção de médio volume. O piso de carga traseiro deste veículo elétrico a bateria (BEVs) é composto por dois tipos de composto termoplástico, além de perfis metálicos e inserções. Ele funciona como piso do porta-malas e do compartimento de passageiros traseiro. Por sua vez, é adesiva e mecanicamente unido a um segundo piso de carga composto híbrido / termoendurecido, que é moldado por transferência de resina (RTM’d) de epóxi reforçado com fibra de carbono com inserções metálicas e estruturas sanduíche locais contendo núcleos de espuma de poliuretano. Essa estrutura é o piso da metade dianteira do veículo e contém suas baterias. O módulo completo do piso de carga é colado e aparafusado aos balancins / trilhos laterais de alumínio, que são aparafusados ​​às vigas transversais do monocoque de alumínio do veículo. Todo o demonstrador do módulo do piso de carga foi projetado para reduzir a massa e fornecer absorção significativa de energia de impacto para um veículo de produção em série com volumes de construção de 300 carros / dia.

Decisões de design

Os membros do consórcio que trabalharam no piso de carga traseiro incluíram as montadoras Audi AG (Ingolstadt, Alemanha - também líder de todo o programa SMiLE) e a proprietária da Audi, Volkswagen AG (Wolfsburg, Alemanha); Instituto de Tecnologia de Sistema Veicular do Karlsruhe Institute of Technology (KIT- FAST, Karlsruhe, Alemanha); Instituto Fraunhofer de Tecnologia Química (F-ICT, Pfitztal, Alemanha, líder de projetos de piso de carga dianteiro e traseiro) e Instituto Fraunhofer de Mecânica de Materiais (F-IWM, Freiburg, Alemanha); fornecedor de compósitos termoplásticos BASF SE (Ludwigshafen, Alemanha); maquinário OEM Dieffenbacher GmbH Maschinen- und Anlagenbau (Eppingen, Alemanha) e fabricante de ferramentas / moldador Frimo Group GmbH (Lotte, Alemanha).

A decisão foi feita para produzir o piso de carga traseira usando compósitos termoplásticos com inserções metálicas. A equipe queria adicionar recursos para o porta-malas e estruturas de fixação do cinto de segurança da segunda fila, mas também queria usar o piso de carga para absorver energias de impacto significativas. Normalmente, os fabricantes de automóveis confiam principalmente em perfis metálicos nas laterais dos pisos de carga metálica para gerenciar as energias de colisão traseira em veículos de passageiros. No entanto, dada a resistência ao impacto dos compostos termoplásticos, os pesquisadores se perguntaram se toda a largura e comprimento de um piso de carga composto poderia ser usado para gerenciar cargas de impacto. Eles também se perguntaram se energias mais altas de impacto poderiam ser absorvidas.

Os pesquisadores revisaram os compósitos termoplásticos automotivos comuns. Matrizes de polipropileno (PP) e poliamida 6 (PA6) foram consideradas, mas PP foi eliminado por razões de temperatura, uma vez que o piso de carga traseiro viaja com o BIW através do processo de prevenção de ferrugem de revestimento eletroforético de alta temperatura (e-coat). O reforço contínuo da fibra foi necessário para atingir a maior rigidez e resistência, portanto, o trabalho pré-teste concentrou-se em folhas orgânicas reforçadas com tecido (uma forma de composto termoplástico de esteira de vidro (GMT)) e pré-gravações termoplásticas unidirecionais (UD). Por muitas razões, as fitas foram selecionadas para posterior prototipagem.

Os pesquisadores sabiam que a geometria do piso de carga traseiro seria complexa. O uso de máquinas automáticas de colocação de fita (ATL) - que colocam as fitas UD em qualquer orientação e fazem janelas / orifícios com menos material do que as folhas orgânicas - reduziria a sucata, a massa e o custo, e permitiria o uso mais eficiente de fibras local e globalmente em todo o papel. Além disso, uma vez que as fibras colocadas via ATL ficam planas e paralelas em cada camada da pilha de camadas e não são tecidas como tecidos, não há ondulação e a consequente perda de rigidez e resistência.

No entanto, as fitas UD têm limitações:elas são relativamente caras e têm baixa capacidade de drapeamento com quase nenhum fluxo, dificultando o preenchimento de geometrias complexas. Esses problemas foram superados seletivamente usando compósitos termoplásticos de fibra longa direta descontínuos / picados (D-LFT), que são fluidos, permitem altos níveis de integração funcional / consolidação de peças e são muito mais fáceis de formar em costelas complexas sem ligação de fibra, mas podem absorver energia de impacto significativa. Com o D-LFT, também é mais fácil inserir acessórios metálicos, especialmente se os insertos forem pré-perfurados de forma que os orifícios permitam que o composto flua através e ao redor do metal, criando uma forte ligação por meio de travamento mecânico. Além disso, o D-LFT é menos caro do que fitas ou folhas orgânicas e muito mais fácil de moldar em seções grossas. Composto no lado da prensa, o D-LFT simplifica o gerenciamento de estoque de materiais e oferece alta flexibilidade em programas de desenvolvimento para alterar rapidamente as características do material - comprimento e tipo de fibra, fração de volume de fibra (FVF) e matriz - conforme as peças são feitas e avaliadas. Durante a produção, as configurações de material / processo são controláveis ​​para atingir altos níveis de repetibilidade e reprodutibilidade (R&R), razão pela qual o setor automotivo tem usado o processo para produção de médio a alto volume por quase duas décadas.

Como os pesquisadores queriam manter o piso de carga traseiro fino e leve e capaz de resistir à flambagem enquanto absorviam cargas de alto impacto, eles realizaram simulações e desenvolvimento inicial por meio de testes de peças pequenas com fitas reforçadas com fibra de vidro e carbono e D-LFT em diferentes fibras -frações de peso (FWFs) para avaliar o desempenho mecânico vs. comportamento de enchimento. Embora os compostos de carbono produzissem estruturas mais finas, leves e rígidas do que o vidro, porque o custo também era uma preocupação e o piso de carga frontal já usava reforço de fibra de carbono, os pesquisadores selecionaram o vidro para reforçar o piso de carga traseiro durante a ampliação para peças de tamanho real. Foram utilizados Ultramid B3K PA6 D-LFT com 40% em peso de fibra de vidro e oito camadas de Ultratape B3WG12 PA6 com 60% em peso de fibra de vidro, ambos da BASF.

Depois de muito trabalho de simulação, o 1,3 por 1,3 m O projeto final do piso de carga traseiro compreende uma estrutura de casca fina, quase líquida produzida a partir de fitas UD pré-consolidadas em um laminado entrelaçado com uma zona de esmagamento D-LFT mais espessa (ver Fig. 2). Grandes ondulações, também feitas de fita UD, com calhas profundas (50 mm de altura por 115 mm de largura) foram moldadas ao longo do eixo longitudinal da peça para alta rigidez com baixa massa e espessura. Além disso, duas janelas foram formadas durante a colocação da fita para permitir que o D-LFT penetrasse através do laminado onde fosse necessário. Como ondulações profundas são difíceis de formar em laminados grandes, foi necessário modificar o processo de moldagem e a ferramenta para produzir boas peças (consulte “Como a pesquisa em um módulo de piso automotivo levou ao desenvolvimento de um novo subprocesso de moldagem por compressão / D-LFT”). Essas ondulações, em combinação com duas cargas de D-LFT que formaram nervuras complexas em estruturas reticuladas em forma de X, geram um alto momento de inércia para a área, aumentando a rigidez parcial no design fino e leve, evitando a flambagem em uma colisão. As treliças D-LFT na parte traseira da peça formaram uma zona de esmagamento para absorver energia em colisões traseiras. Os perfis de alumínio foram moldados integralmente nos lados axiais do piso de carga e unidos ao D-LFT e laminado por meio de tratamentos de superfície especiais, bem como orifícios que fornecem intertravamento. Esses perfis foram cuidadosamente projetados para aumentar ainda mais a rigidez da peça, fornecer um bom comportamento de flambagem e transferir força para a zona de esmagamento D-LFT durante uma colisão. Eles também fornecem pontos de fixação para montagem direta do piso de carga traseiro nas estruturas metálicas circundantes. Inserções metálicas adicionais, também moldadas integralmente na estrutura, forneciam montagem direta para as travas dos cintos de segurança.

Implementação bem-sucedida

O trabalho de simulação, bem como o teste de peças pequenas e grandes, verificou que todo o piso de carga traseiro híbrido poderia ser usado para gerenciar cargas de colisão. Uma avaliação posterior revelou que essa tecnologia deve ser tão segura quanto as estruturas metálicas convencionais.

Um objetivo maior do projeto - reduzir a massa total da BIW para 200 kg - foi teoricamente encontrado durante a simulação e o desenvolvimento de pequenas peças. No entanto, à medida que o projeto evoluía, um melhor desempenho em colisões era desejado, o que exigia adicionar massa às estruturas compostas. Além disso, as considerações de custo levaram a uma mudança de fibra de carbono para reforço de fibra de vidro para o piso de carga traseiro. O piso de carga traseiro resultante com inserções pesa 32,9 kg, enquanto o piso de carga frontal (com inserções, mas sem baterias) pesa 12,1 kg. Para as peças de teste finais, a meta de massa foi perdida por apenas 4,3% para alcançar maior segurança e custos mais baixos. O SMiLE BIW também seria mais caro do que os sistemas metálicos convencionais devido ao uso intensivo de reforço de fibra de carbono no piso de carga frontal.

O projeto do piso de carga traseiro levou ao desenvolvimento da F-ICT de um subprocesso D-LFT / compressão denominado local avançado personalizado LFT , que aplica seletivamente o material D-LFT a estruturas de fita UD para produzir geometrias localmente complexas (como nervuras) que não podem ser feitas com fitas. Outra tecnologia F-ICT desenvolvida antes do SMiLE, mas usada no projeto, é um método para aquecer e consolidar rapidamente fitas termoplásticas por meio de consolidação por vácuo induzida por radiação, uma tecnologia agora disponível comercialmente pela Dieffenbacher em uma máquina chamada Fibercon.

Notavelmente, o processo experimental e a ferramenta altamente complexa produzida pela Frimo funcionaram desde o início e mais de 100 peças de demonstração foram produzidas para testes e demonstração subsequentes. Embora a equipe tenha projetado o processo de moldagem para ser feito em uma única etapa, o Dr.-Ing. Sebastian Baumgärtner, líder da equipe F-ICT para processamento de termoplásticos e líder do projeto do piso de carga traseira, acredita que em um ambiente de produção seria mais eficiente formar essa parte complexa em duas etapas, com a pré-formação do laminado feita em uma ferramenta separada. “Optamos por tentar primeiro o processo mais difícil de uma etapa e funcionou bem”, explica Baumgärtner. “Porém, a ferramenta era muito complexa e o controle do processo não era tão fácil. Se o laminado ficava muito quente em alguns pontos, ele tinha uma interação muito forte com os fios LFT. Para garantir uma boa repetibilidade durante a produção, seria melhor simplificar as coisas e escolher um processo de duas etapas, que seria mais robusto. ” Ainda assim, devido ao grande tamanho dessa peça composta e ao complexo processo usado para formá-la, a equipe ficou muito satisfeita com os resultados finais. “Demonstramos que podíamos produzir uma peça inovadora e econômica com peso e desempenho otimizados e com alta integração funcional usando tecnologia comercial”, acrescenta.

O piso de carga completo ganhou o Prêmio de Inovação CCE-JEC 2018 na China e o governo alemão reconheceu o programa SMiLE maior como um projeto Lighthouse, o que significa que a tecnologia será importante para uso em projetos de mobilidade futuros. A equipe está em discussão sobre as próximas etapas.