Compostos termoplásticos:Vista panorâmica

Uma equipe na França liderada por Webasto SC em Les Châtelliers-Chateaumur desenvolveu um novo módulo de teto solar de vidro fixo e estore que, pela primeira vez, usa trilhos-guia de composto termoplástico para substituir os trilhos de alumínio convencionais. Comercializada inicialmente em diversos veículos multifuncionais (MPVs) produzidos pelo Groupe Renault (Boulogne-Billancourt), a mudança economiza peso, custo e ferramentas, elimina hardware e várias etapas de processamento, simplifica a instalação da linha de montagem, reduz o ruído operacional e libera 13 mm de altura livre adicional entre os ocupantes do veículo e o painel de vidro do teto solar.

Comum na Europa, mas incomum na América do Norte, os módulos de teto solar com persianas são normalmente usados ​​para cobrir sistemas de teto de vidro fixo - muitas vezes grandes tetos panorâmicos que abrangem quase toda a largura e comprimento da linha do teto do veículo. Quando implantados, eles têm praticamente a mesma função que os guarda-sóis rígidos dos veículos norte-americanos, bloqueando o excesso de luz solar e amortecendo o ruído da chuva e do vento. Eles são compostos por um tecido fino, mas que bloqueia a luz, que se desenrola e se estende ao longo de uma pista motorizada e, em seguida, é enrolado novamente em torno de um fuso que fica alojado sob o forro do teto na parte traseira do teto no interior do veículo.

Conjunto de teto solar convencional

A indústria automobilística tem usado historicamente trilhos de alumínio para conectar um módulo de estore do teto solar à estrutura do teto body-in-white (BIW), especialmente no caso de sistemas de teto solar de vidro fixo grandes e transparentes, que normalmente cobrem quase todo o comprimento e largura do teto do carro. Esses trilhos guia, montados ao longo dos lados do motorista e do passageiro do teto, têm dupla função em sistemas de teto solar de estore porque formam a superfície deslizante ao longo da qual a cortina de tecido motorizada se desloca conforme a cortina é enrolada para permitir mais luz para dentro o interior do veículo, ou como ele é implantado para reduzir essa luz. Ao contrário dos guarda-sóis rígidos comuns na América do Norte, quando retraídos os guarda-sóis de enrolar ocupam pouco espaço sob os headliners onde não podem ser vistos pelos ocupantes do veículo, mas ainda fornecem o mesmo isolamento térmico do sol e isolamento acústico do vento e da chuva que guarda-sóis rígidos sim.

O processo de fabricação convencional para trilhos de alumínio começa com um perfil de alumínio de seção transversal constante e requer um processo de fresagem e acabamento de várias etapas e trabalho intensivo para atingir a forma complexa do trilho:

• corte no comprimento,
• formando pequenas dobras por meio de estampagem e perfuração,
• curvas de modelagem,
• usinagem / fresamento de formas complexas que não podem ser pré-formadas por meio de ferramentas de estampagem (requer um conjunto de ferramentas / operação e uma verificação de controle de qualidade após cada etapa),
• trilho de anodização em preto ou cor natural,
• e montagem de clipes de cabos elétricos, clipes de cabos em espiral, pinos e porcas de centralização / posicionamento.

Cada marca e modelo de veículo de passeio usa um trilho de formato e comprimento ligeiramente diferente, portanto, os fabricantes de teto solar devem produzir e estocar um estoque significativo durante a produção de um determinado módulo de teto solar. E quando um novo modelo é adicionado, ferramentas totalmente novas são necessárias, a menos que o veículo compartilhe peças comuns com o módulo para o sistema de teto solar de um modelo existente.

Os trilhos-guia de alumínio não são apenas trabalhosos na produção no fabricante do teto solar, mas também durante a instalação na fábrica de montagem de veículos. Convencionalmente, os trilhos são fixados manualmente por meio de parafusos no BIW. Em seguida, o módulo do teto solar é passado através do compartimento do pára-brisa e carregado pela parte inferior na abertura no teto, onde o operador o fixa aos trilhos recém-instalados. Por último, o próprio teto de vidro é colado, por meio de adesivo estrutural, à parte superior do carro, vedando o módulo do teto solar e o interior da cabine.

Embora os trilhos de alumínio representem uma tecnologia conhecida e estabelecida, eles têm desvantagens. Por um lado, o alumínio é uma matéria-prima cara e é mais desafiador do que o aço para dobrar em formas complexas. Por outro lado, para proteger o meio ambiente, o descarte dos produtos químicos de anodização usados ​​para prevenir a corrosão é um custo adicional significativo. Conforme detalhado acima, o processo de fabricação é longo e complicado e seus custos com ferramentas são altos. Além disso, os esforços para aumentar a funcionalidade requerem o uso de hardware adicional aplicado por meio de etapas de montagem adicionais.

Novo conceito de ferrovia

Com base em outras conversões bem-sucedidas de armações de teto solar de alumínio para compósitos em sistemas de teto solar de vidro móvel de formato muito menor, uma equipe da Webasto decidiu realizar um estudo para ver se os trilhos laterais muito maiores em sistemas de teto solar com persianas também poderiam ser convertido em composto. (As vigas cruzadas dianteira e traseira já haviam sido convertidas em compósito - normalmente polipropileno reforçado com vidro (GR-PP) - em tais sistemas.) O objetivo era adicionar funcionalidade, reduzir etapas de fabricação, contagem de peças, custo e peso da peça, ainda ainda atender aos requisitos de desempenho do OEM.

A equipe começou estudando a funcionalidade do trilho-guia e as condições de operação e identificou a característica mais crítica dos trilhos como sua capacidade de facilitar o movimento suave do pára-sol motorizado com a mesma força da frente para trás e da esquerda para a direita ao longo do caminho da pista . Para isso, os trilhos requerem uma geometria precisa e uma seção transversal constante ao longo de todo o seu comprimento, que pode ser superior a um metro. Além disso, os trilhos devem ser suficientemente estruturais para fornecer uma conexão segura a outros componentes do teto solar / módulo, incluindo vigas cruzadas do teto solar dianteiro e traseiro e a própria estrutura do teto, o mecanismo do motor, o vidro do teto e o forro do teto. Para atender aos requisitos do OEM, o pára-sol motorizado deve operar em níveis baixos de ruído deslizante para reduzir o ruído / vibração / aspereza (NVH) no interior da cabine.

Uma varredura de compostos automotivos comumente usados ​​eliminou rapidamente aqueles com matrizes termofixas e termoplásticos favorecidos. Em comparação com os compósitos termoplásticos, aqueles umedecidos com termofixos tendem a ter maior densidade, têm ciclos de moldagem mais lentos e requerem mais acabamento pós-molde. Além disso, os termoplásticos remodeláveis ​​oferecem uma opção de montagem sem adesivo e sem fixadores entre os trilhos superior e inferior e simplificam enormemente a reciclagem no final da vida útil. Além disso, os termofixos introduziram a preocupação sobre a possível nebulização e emissões de compostos orgânicos voláteis (VOC), que são rigidamente regulamentados para interiores de veículos na União Europeia.

Devido aos requisitos do OEM para controle dimensional extremamente rígido - particularmente para evitar empenamento, o que impediria o bom funcionamento do guarda-sol - poliamida, polipropileno (PP) e poliésteres termoplásticos foram eliminados. Como os trilhos de alumínio exigem graxa para uma operação suave do guarda-sol e porque os engenheiros da Webasto ainda não tinham certeza se o lubrificante seria necessário nos trilhos de compósito, o policarbonato foi eliminado devido à sua fraca resistência química e tendência a rachaduras por tensão. O acrilonitrila butadieno estireno (ABS) foi rejeitado devido aos requisitos térmicos de 110 ° C do teto solar.

A equipe da Webasto já havia usado anidrido estireno maleico / ABS reforçado com fibra de vidro (GR-SMA / ABS) para a moldura do teto solar de vidro móvel, por isso chamou a atenção para este material, que tem sido usado na indústria automotiva por décadas para painel de instrumentos substratos. GR-SMA / ABS é de baixa densidade, rígido e forte, tem empenamento muito baixo e baixa deformação em uma ampla faixa de temperaturas e níveis de umidade. Por ser amorfo, não há preocupação com a cristalização e retração pós-molde. Além disso, é fundido reprocessável, solda bem e seu componente de anidrido maleico garante alta resistência de ligação a uma variedade de substratos, incluindo o adesivo estrutural de poliuretano usado para unir o telhado de vidro ao módulo do teto solar.

A Webasto procurou seu fornecedor de resina GR-SMA / ABS, Polyscope Polymers BV (Geleen, Holanda) para sugerir graus que funcionariam. A Polyscope forneceu duas possibilidades - 15% -GR XIRAN SGH30EB e 30% -GR XIRAN SGH60EB - que foram então submetidas a testes de laboratório em pequena escala na Webasto. O grau de 30% -GR era mais rígido, mas seu módulo E mais alto não era necessário para garantir o bom funcionamento do protetor solar. Os testes indicaram que o grau de 15% -GR atenderia às metas de propriedade mecânica, então a equipe optou por usar esse material, não apenas para trilhos dos lados esquerdo e direito, mas também para a viga transversal dianteira. A travessa traseira permaneceu em GR-PP.

A próxima decisão foi qual processo usar para produzir os trilhos. Inicialmente, a extrusão de perfis foi considerada porque pode produzir formas ocas e sólidas, e funcionalmente se assemelha ao processo usado para produzir perfis de alumínio. É também um processo contínuo, rápido o suficiente para atender aos requisitos de produção, mas seus custos com ferramentas são relativamente baixos. Infelizmente, os pesquisadores estavam preocupados que a extrusão não produziria superfícies interiores suaves o suficiente de resinas reforçadas com fibra para permitir que o guarda-sol se movesse suave e silenciosamente ao longo da pista. Além disso, o processo limitaria a capacidade de alterar a geometria do perfil ao longo do comprimento do trilho para incorporar uma integração mais funcional sem adicionar hardware (como pinos e clipes extras) durante as etapas de pós-processamento.

O outro processo considerado foi a moldagem por injeção, que pode produzir estruturas 3D muito complexas com acabamentos lisos e alta estética com rapidez, precisão e com excelente repetibilidade e reprodutibilidade (R&R). Além disso, permite a moldagem de furos, recortes, encaixes e até clipes, reduzindo o acabamento secundário.

Para a aplicação alvo, a desvantagem é que a moldagem por injeção não pode produzir uma estrutura oca em uma única etapa (sendo necessário que cada trilho seja moldado em duas peças e depois unidas). Além disso, o ferramental pode ser caro.

A equipe decidiu-se pela moldagem por injeção com o objetivo de incorporar várias peças em uma ferramenta familiar para reduzir os custos com ferramentas.

Teste de conceito

Com o conceito básico parecendo promissor, a equipe de desenvolvimento se expandiu para incluir o OEM Groupe Renault e o moldador ARRK-Shapers (La Séguinière, França). O objetivo era projetar um sistema ferroviário composto para um módulo de teto solar de vidro fixo nos veículos multifuncionais (MPVs) do ano modelo Renault Scenic (cinco lugares) e Grand Scenic (sete lugares). A equipe decidiu projetar cada trilho para incluir um alto nível de integração funcional, ter simetria espelhada entre os trilhos para os lados esquerdo e direito e para o projeto acomodar tanto o padrão (sedan / saloon / cinco lugares) quanto o longo (vagão / carrinha modelos de veículos automóveis / sete lugares). Aspectos do design da equipe agora são cobertos por três patentes.

Para manter os custos de ferramentas gerenciáveis, a equipe otimizou o projeto do molde para permitir as partes superior e inferior dos trilhos esquerdo e direito, a viga transversal dianteira, além de três peças de interface de ligação que se conectam à viga GR-PP traseira ( moldado separadamente) a ser produzido em cada ciclo. Outra etapa de redução de custos foi o uso de blocos modulares pela ARRK-Shapers (que são inseridos / removidos para executar versões de trilhos longos e curtos) em vez de slides de ferramentas caros. Para moldar todos os oito componentes GR-SMA / ABS em uma grande família de ferramentas, uma prensa de injeção com uma força de fixação de 1.500 kN foi necessária. A soldagem ultrassônica foi selecionada para unir os trilhos superior e inferior, e um gabarito de montagem especial foi projetado e construído.

Uma fase de prototipagem e teste permitiu à equipe finalizar o projeto do trilho, antecipar os desafios de produção e garantir que as peças passariam nos testes de validação da Renault, que incluíram:

• Teste de durabilidade para 10.000 ciclos de vida.
• Teste de vibração tri-eixo em uma faixa de temperatura de -20 ° C a 110 ° C a 95% de umidade relativa (UR).
• Ciclos de temperatura de 85 ° C a -20 ° C a 50 ° C a 95% UR a 110 ° C.
• Resistência ao destacamento e resistência ao cisalhamento após a colagem.
• Teste de ruído de direção da Renault para NVH.
• Teste de rollover “saca-rolhas”.
• Velocidade de operação da cortina de rolo de pelo menos 75 mm / seg a 23 ° C alcançada após cada teste.

“A ideia de converter trilhos-guia de alumínio extrudado em uma solução de plástico em uma persiana de teto solar é uma ideia da Webasto e que foi patenteada por muito tempo”, explica Jacques Vivien, Webasto R&D, design to cost, especialista industrial. “No entanto, até recentemente, nenhum plástico de engenharia atendia aos rígidos requisitos dessa função.” Ele nos lembra que o candidato de plástico tinha que cumprir os requisitos de precisão dimensional; estabilidade ao longo do tempo, resistência às mudanças de temperatura e umidade; retém a rigidez e a capacidade de deslizamento; exibem excelente capacidade de ligação; e fazer tudo isso e permanecer competitivo em termos de custos. “Ficamos muito satisfeitos com a escolha do XIRAN SGH30EB da Polyscope, que tornou o projeto um sucesso total para todos os envolvidos.”

Superando as expectativas

Com mais de dois anos de fabricação e venda, os trilhos-guia compostos estão funcionando conforme o previsto e muitos benefícios foram observados nos níveis de camada, OEM e cliente. Por exemplo, as ferramentas inteligentes da ARRK-Shapers cortaram custos significativos do programa. O uso da Webasto de um design com integração funcional significativamente maior do que o conjunto de alumínio legado e a escolha de moldagem por injeção para criar as estruturas complexas em uma única injeção eliminou o hardware e o acabamento pós-molde, reduzindo também os custos. A produção ferroviária sozinha foi reduzida de sete etapas para duas.

Na fábrica de montagem da Renault, o novo sistema de teto solar, incluindo a cortina de enrolar, chega totalmente montado e pré-testado como uma unidade de uma peça que é roboticamente ligada ao telhado, eliminando duas a três etapas de montagem e permite que um operador seja reatribuído, reduzindo custos e o tempo ainda mais longe. Alegadamente, a redução de custo do sistema inicial foi de cerca de 20%, mas o novo módulo tem menos peças, o que deve reduzir os custos de garantia a longo prazo, conforme indicado por peças menores por milhão (PPM) de defeitos e maior qualidade visto na Renault. Outro benefício dos novos trilhos compostos é que uma redução da pilha de elementos do eixo Z de> 13 mm foi alcançada porque todo o módulo é colado diretamente ao BIW em vez do processo convencional de duas a três etapas, durante o qual os trilhos são fixados com parafusos ao BIW e o módulo é então fixado aos trilhos. Isso não apenas fornece mais espaço de trabalho na linha de montagem para os trabalhadores, mas também dá aos ocupantes de veículos mais altos mais espaço livre. Outra melhoria sutil foi que o NVH foi reduzido durante a operação do guarda-sol para abrir ou fechar a enorme abertura para a luz do dia em ambos os modelos do veículo. Como o alumínio, os trilhos compostos são totalmente recicláveis, mas menos energia é necessária para produzi-los inicialmente e reciclá-los no final da vida útil do veículo, o que, sem dúvida, também os torna melhores para o meio ambiente. (Curiosamente, a equipe também descobriu que nenhum lubrificante era necessário nos trilhos compostos para uma operação confiável do pára-sol.)

“Quando Jacques Vivien, da Webasto França, me disse pela primeira vez que estava pensando em substituir os trilhos-guia de alumínio por composto SMA em um módulo de persiana de teto solar, achei que seria um pouco desafiador, mas vale a pena arriscar”, observa Henri. Paul Benichou, gerente de vendas e desenvolvimento de negócios da Polyscope. “Esta aplicação inovadora provou ser um sucesso técnico e industrial, proporcionando inúmeros benefícios para fornecedores, para a Renault e para os clientes da Renault.”