Termoplásticos Híbridos Melhoram Resistência a Impacto do Assoalho em Design Automotivo

Um programa ambicioso plurianual do consórcio System integrated Multi-Material Lightweight Design for E-mobility (SMiLE) da Alemanha desenvolveu um módulo demonstrador de assoalho automotivo que faz parte de uma estrutura body-in-white (BIW) híbrida maior e que mostra grande promessa para uso de compósitos e metais não ferrosos em ambiente de produção de médio volume. O assoalho traseiro deste veículo elétrico a bateria (BEV) compreende dois tipos de compósito termoplástico, mais perfis e inserções metálicas. Ele funciona como piso do porta-malas e compartimento de passageiros traseiro. Por sua vez, é unido adesiva e mecanicamente a um segundo assoalho híbrido/termo-fixo, que é moldado por transferência de resina (RTM) a partir de epóxi reforçado com fibra de carbono com inserções metálicas e estruturas de sanduíche locais contendo núcleos de espuma de poliuretano. Esta estrutura é o piso para a metade frontal do veículo e abriga suas baterias. O módulo completo de assoalho é colado e parafusado a longarinas/rails laterais de alumínio, que por sua vez são parafusados a travessas no monocoque de alumínio do veículo. O demonstrador completo do módulo de assoalho foi projetado para reduzir 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

Membros do consórcio que trabalharam no assoalho traseiro incluíram montadoras Audi AG (Ingolstadt, Alemanha – também líder de todo o programa SMiLE) e proprietária da Audi Volkswagen AG (Wolfsburg, Alemanha); Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, Instituto de Tecnologia de Sistemas de Veículos (KIT-FAST, Karlsruhe, Alemanha); Instituto Fraunhofer de Tecnologia Química (F-ICT, Pfinztal, Alemanha, líder dos projetos de assoalho dianteiro e traseiro), e Instituto Fraunhofer de Mecânica de Materiais (F-IWM, Freiburg, Alemanha); fornecedor de compósitos termoplásticos BASF SE (Ludwigshafen, Alemanha); OEM de maquinário Dieffenbacher GmbH Maschinen- und Anlagenbau (Eppingen, Alemanha), e fabricante de ferramentas/moldador Frimo Group GmbH (Lotte, Alemanha).

A decisão foi produzir o assoalho traseiro usando compósitos termoplásticos com inserções metálicas. A equipe queria adicionar características do porta-malas e estruturas de fixação de cintos de segurança da segunda fileira, mas também queria usar o assoalho para absorver energias de impacto significativas. Normalmente, montadoras confiam principalmente em perfis metálicos nos lados de assoalhos metálicos para gerenciar energias de impacto traseiro em veículos de passageiros. No entanto, dada a resistência a impacto de compósitos termoplásticos, pesquisadores se perguntaram se toda a largura e comprimento de um assoalho compósito poderia ser usado para gerenciar cargas de impacto. Também se perguntaram se energias de impacto maiores poderiam ser absorvidas.

Pesquisadores revisaram compósitos termoplásticos automotivos comuns. Matrizes de polipropileno (PP) e poliamida 6 (PA6) foram consideradas, mas PP foi eliminada por razões de temperatura, já que o assoalho traseiro percorre com o BIW pelo processo de revestimento eletroforético (e-coat) de prevenção de ferrugem de alta temperatura. Reforço de fibra contínua era necessário para alcançar a maior rigidez e resistência, então o trabalho preliminar focou em organosheet reforçado com tecido (uma forma de compósito termoplástico de esteira de vidro (GMT)) e fitas pré-impregnadas termoplásticas unidirecionais (UD). Por muitas razões, fitas foram selecionadas para prototipagem adicional.

Pesquisadores sabiam que a geometria do assoalho traseiro seria complexa. Uso de máquinas de colocação automatizada de fita (ATL) – que colocam fitas UD em qualquer orientação e fazem janelas/furos com menos material que organosheet – reduziria sucata, massa e custo, e permitiria o uso mais eficiente de fibras local e globalmente pela peça. Além disso, como 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 consequente perda de rigidez e resistência.

Fitas UD têm limitações, no entanto: são relativamente caras e têm baixa conformabilidade com quase nenhum fluxo, dificultando o preenchimento de geometrias complexas. Esses problemas foram superados usando seletivamente compósitos termoplásticos de fibra longa direta descontínua/picada (D-LFT), que são fluidos, permitem altos níveis de integração funcional/consolidação de peças e são muito mais fáceis de formar em nervuras complexas sem ponte de fibra, ainda podendo absorver energia de impacto significativa. Com D-LFT, também é mais fácil inserir fixações metálicas, especialmente se inserções são pré-furadas para que furos permitam compósito fluir através e ao redor do metal, criando uma forte união por interlocking mecânico. Além disso, D-LFT é menos custoso que fitas ou organosheet e muito mais fácil de moldar em seções espessas. Composto ao lado da prensa, D-LFT simplifica gestão de inventário de materiais e oferece alta flexibilidade em programas de desenvolvimento para mudar rapidamente características do material – comprimento e tipo de fibra, fração de volume de fibra (FVF) e matriz – conforme peças são feitas e avaliadas. Durante produção, configurações de material/processo são controláveis para alcançar altos níveis de repetibilidade e reprodutibilidade (R&R), razão pela qual o automotivo usa o processo para produção de médio a alto volume há quase duas décadas.

Como pesquisadores queriam manter o assoalho traseiro fino e leve e capaz de resistir à flambagem enquanto absorvia altas cargas de impacto, conduziram simulações e desenvolvimento inicial através de testes de peças pequenas com fitas e D-LFT reforçados com fibra de vidro e carbono em diferentes frações de peso de fibra (FWF) para avaliar desempenho mecânico vs. comportamento de preenchimento. Embora compósitos de carbono produzissem estruturas mais finas, leves e rígidas que as de vidro, como custo também era preocupação e o assoalho dianteiro já usava reforço de fibra de carbono, pesquisadores selecionaram vidro para reforçar o assoalho traseiro durante escala para peças de tamanho real. 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, foram usados.

Após muito trabalho de simulação, o design final do assoalho traseiro de 1,3 x 1,3 m compreende uma estrutura near-net-shape de casca fina produzida a partir de fitas UD preconsolidadas em um laminado entrelaçado com uma zona de esmagamento D-LFT mais espessa. Grandes corrugações, também feitas de fita UD, com vales profundos (50 mm de altura por 115 mm de largura) foram moldadas ao longo do eixo longitudinal da peça para alta rigidez a baixa massa e espessura. Além disso, duas janelas foram formadas durante a colocação de fita para permitir que D-LFT penetrasse através do laminado para onde era necessário. Como corrugações profundas são difíceis de formar em grandes laminados, foi necessário modificar tanto processo de moldagem quanto ferramenta para produzir boas peças. Essas corrugações, em combinação com duas cargas de D-LFT que formaram nervuras complexas em estruturas de rede em X, geram alto momento de inércia para a área, aumentando rigidez da peça no design fino e leve enquanto evitam flambagem em colisão. Redes D-LFT na traseira da peça formaram zona de esmagamento para absorver energia em colisões traseiras. Perfis de alumínio foram moldados integralmente nos lados axiais do assoalho e unidos a D-LFT e laminado via tratamentos de superfície especiais bem como furos que fornecem interlocking. Esses perfis foram cuidadosamente projetados para aumentar ainda mais rigidez da peça, fornecer bom comportamento de flambagem e transferir força para a zona de esmagamento D-LFT durante colisão. Eles também fornecem pontos de fixação para montagem direta do assoalho traseiro a estruturas metálicas circundantes. Inserções metálicas adicionais, também moldadas integralmente na estrutura, forneceram montagem direta para travas de cinto de segurança.

Implementação Bem-Sucedida

Trabalho de simulação, bem como testes de peças pequenas e grandes, verificaram que todo o assoalho traseiro híbrido poderia ser usado para gerenciar cargas de impacto. Avaliação adicional revelou que esta tecnologia deve ser tão segura quanto estruturas metálicas convencionais.

Uma meta maior do projeto – reduzir massa total do BIW para 200 kg – foi teoricamente atingida durante simulação e desenvolvimento de peças pequenas. No entanto, à medida que o projeto evoluiu, melhor desempenho de colisão foi desejado, o que exigiu adição de massa às estruturas compósitas. Além disso, considerações de custo levaram a uma mudança de fibra de carbono para reforço de fibra de vidro para o assoalho traseiro. O assoalho traseiro resultante com inserções pesa 32,9 kg, enquanto o assoalho dianteiro (com inserções mas sem baterias) pesa 12,1 kg. Para peças de teste finais, a meta de massa foi perdida por apenas 4,3% para alcançar maior segurança e menores custos. O BIW SMiLE também seria mais custoso que sistemas metálicos convencionais devido ao uso intensivo de reforço de fibra de carbono no assoalho dianteiro.

O projeto do assoalho traseiro levou ao desenvolvimento pelo F-ICT de um subprocesso de compressão D-LFT chamado local advanced tailored LFT, que aplica seletivamente material D-LFT a estruturas predominantemente 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 via consolidação a vácuo induzida por radiação, uma tecnologia agora comercialmente disponível da 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 demonstradoras foram produzidas para testes e demonstração subsequentes. Embora a equipe tenha projetado o processo de moldagem para ser feito em uma única etapa, Dr.-Ing. Sebastian Baumgärtner, líder de equipe do F-ICT para processamento termoplástico e líder do projeto do assoalho traseiro, acredita que em ambiente de produção seria mais eficiente formar esta peça complexa em duas etapas, com pré-conformação do laminado feita em ferramenta separada. "Optamos por tentar o processo mais difícil de uma etapa primeiro e funcionou bem", explica Baumgärtner. "No entanto, a ferramenta era muito complexa e o controle de processo não era tão fácil. Se o laminado ficasse muito quente em pontos, tinha interação muito forte com os fios LFT. Para garantir boa repetibilidade durante produção, seria melhor simplificar e escolher um processo de duas etapas, que seria mais robusto." Ainda, dado o grande tamanho desta peça compósita e o processo complexo usado para formá-la, a equipe ficou muito satisfeita com os resultados finais. "Demonstramos que podíamos produzir uma peça inovadora e econômica que era otimizada em peso e desempenho e apresentava alta integração funcional usando tecnologia comercial", ele adiciona.

O assoalho completo ganhou o Prêmio de Inovação CCE-JEC 2018 na China e o governo alemão reconheceu o maior programa SMiLE como projeto Farol, significando que a tecnologia será importante para uso em design de mobilidade futura. A equipe está em discussão sobre próximos passos.