Revolucionando Design de Teto Solar com Trilhos Guia de Compósito Termoplástico

Uma equipe na França liderada pela Webasto SC em Les Châtelliers-Chateaumur desenvolveu um novo módulo de teto solar de vidro fixo com persiana enrolável que, pela primeira vez, usa trilhos guia de compósito termoplástico para substituir trilhos de alumínio convencionais. Primeiramente comercializado em vários veículos multi-purpose (MPVs) produzidos pela Groupe Renault (Boulogne-Billancourt), a mudança economiza peso, custo e ferramental, elimina hardware e múltiplas etapas de processamento, simplifica instalação em linha de montagem, reduz ruído operacional e libera 13 mm de espaço adicional para cabeça entre ocupantes do veículo e o painel de vidro do teto solar.

Montagem Convencional de Teto Solar

A indústria automotiva historicamente usou trilhos de alumínio para conectar o módulo de persiana enrolável de um teto solar à estrutura body-in-white (BIW) do teto, especialmente no caso de grandes sistemas de teto solar de vidro fixo e transparente, que tipicamente abrangem quase todo o comprimento e largura do teto do carro. Estes trilhos guia, montados ao longo dos lados do motorista e passageiro do teto, fazem dupla função em sistemas de teto solar com persiana enrolável porque formam a superfície deslizante ao longo da qual a persiana de tecido motorizada viaja conforme a sombra é enrolada para permitir mais luz no interior do veículo, ou implantada para reduzir aquela luz. Diferente das sombrinhas rígidas comuns na América do Norte, quando retraídas as persianas enroláveis ocupam pouco espaço sob forros de teto onde não podem ser vistas por ocupantes do veículo, ainda fornecendo o mesmo isolamento térmico do sol e isolamento acústico do vento e chuva que sombrinhas rígidas fazem.

O processo de fabricação convencional para trilhos de alumínio começa com um perfil de alumínio de seção transversal constante e requer um processo multi-etapa de fresamento e acabamento intensivo em mão de obra para alcançar a forma complexa do trilho:

• corte no comprimento,
• formação de pequenas dobras via estampagem e furação,
• conformação de curvas,
• usinagem/fresamento de formas complexas que não podem ser pré-formadas via ferramentas de estampagem (requer um conjunto de ferramentas/operação e um controle de qualidade após cada etapa),
• anodização do trilho em preto ou cor natural,
• e montagem de clipes de cabo elétrico, clipes de cabo espiral, pinos de centragem/posicionamento e porcas.

Cada marca e modelo de veículo de passageiros usa trilho de forma e comprimento ligeiramente diferentes, então fabricantes de teto solar devem produzir e estocar inventário significativo durante a produção de um dado módulo de teto solar. E quando um novo modelo é adicionado, ferramental totalmente novo é requerido a menos que o veículo compartilhe partes comuns com o módulo de sistema de teto solar de um modelo existente.

Trilhos guia de alumínio não são apenas intensivos em mão de obra na produção no fabricante de teto solar, mas também durante instalação na planta de montagem do veículo. Convencionalmente, trilhos são fixados manualmente via parafusos ao BIW. Então o módulo de teto solar é passado pela baía do para-brisa e carregado pela parte inferior na abertura no teto onde o operador o fixa aos trilhos recentemente instalados. Por fim, o teto de vidro em si é colado, via adesivo estrutural, ao topo do carro, selando o módulo de teto solar e o interior da cabine.

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

Novo Conceito de Trilho

Baseado 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 na Webasto decidiu conduzir um estudo para ver se os trilhos laterais muito maiores em sistemas de teto solar com persiana enrolável também poderiam ser convertidos para compósito. (Vigas transversais dianteira e traseira já haviam sido convertidas para compósito — tipicamente polipropileno reforçado com fibra de vidro (GR-PP) — em tais sistemas.) O objetivo era adicionar funcionalidade, reduzir etapas de fabricação, contagem de peças, custo e peso da peça, ainda atender requisitos de desempenho do OEM.

A equipe começou estudando funcionalidade e condições operacionais do trilho guia e identificou a característica mais crítica dos trilhos como sua capacidade de facilitar movimento suave da persiana motorizada com a mesma força frente-trás e esquerda-direita ao longo do caminho da trilha. Para alcançar isso, trilhos requerem geometria precisa e seção transversal constante ao longo de todo seu comprimento, que pode ser maior que um metro. Adicionalmente, os trilhos têm que ser suficientemente estruturais para fornecer conexão segura a outros componentes de teto solar/módulo, incluindo vigas transversais dianteira e traseira e a estrutura do teto em si, mecanismo motor, vidro do teto e forro de teto. Para atender requisitos do OEM, a persiana motorizada tem que operar em níveis baixos de ruído de deslizamento para reduzir ruído/vibração/aspereza (NVH) no interior da cabine.

Uma varredura de compósitos automotivos comumente usados rapidamente eliminou aqueles com matrizes termofixas e favoreceu termoplásticos. Comparados a compósitos termoplásticos, aqueles molhados com termofixos tendem a ser maiores em densidade, têm ciclos de moldagem mais lentos e requerem mais acabamento pós-moldagem. Além disso, termoplásticos refundíveis oferecem opção de montagem sem adesivo e sem fixadores entre trilhos superior e inferior e enormemente simplificam reciclagem fim de vida. Mais, termofixos introduziram preocupação sobre possível neblina e emissões de compostos orgânicos voláteis (VOC), que são estritamente regulados para interiores de veículos na União Europeia.

Devido a requisitos do OEM para controle dimensional extremamente apertado — particularmente para evitar empenamento, que impediria operação suave da persiana — poliamida, polipropileno (PP) e poliésteres termoplásticos foram eliminados. Porque trilhos de alumínio requerem graxa para operação suave da persiana, e porque engenheiros da Webasto não tinham certeza ainda se lubrificante seria necessário em trilhos compósitos, policarbonato foi eliminado devido à sua baixa resistência química e tendência a trinca por tensão. Acrilonitrila butadieno estireno (ABS) foi rejeitado devido aos requisitos térmicos de 110°C do teto solar.

A equipe da Webasto tinha anteriormente usado fibra de vidro reforçada estireno anidrido maleico/ABS (GR-SMA/ABS) para a armação de teto solar de vidro móvel, então focou atenção neste material, que tem sido usado na indústria automotiva por décadas para substratos de painel de instrumentos. GR-SMA/ABS é baixa densidade, rígido e forte, tem empenamento muito baixo e baixa deformação sobre ampla gama de temperaturas e níveis de umidade. Porque é amorfo, não há preocupação com cristalização e encolhimento pós-moldagem. Adicionalmente, é reprocessável por fusão, solda bem e seu componente anidrido maleico garante alta resistência de ligação a uma variedade de substratos, incluindo o adesivo estrutural de poliuretano usado para unir o teto de vidro ao módulo de teto solar.

A Webasto recorreu ao seu fornecedor de resina GR-SMA/ABS Polyscope Polymers BV (Geleen, Países Baixos) para sugerir grades 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. A grade 30%-GR era mais rígida, mas seu módulo E mais alto não era requerido para garantir operação suave da persiana. Testes indicaram que a grade 15%-GR atenderia metas de propriedades mecânicas, então a equipe optou por usar aquele material, não apenas para trilhos lado esquerdo e direito mas também para viga transversal dianteira. A viga transversal traseira permaneceu em GR-PP.

A próxima decisão foi que processo usar para produzir os trilhos. Inicialmente, extrusão de perfil foi considerada porque pode produzir formas ocas e sólidas, e funcionalmente se assemelha ao processo usado para produzir perfis de alumínio. Também é um processo contínuo, rápido o suficiente para atender requisitos de produção, ainda seus custos de ferramental são relativamente baixos. Infelizmente, pesquisadores estavam preocupados que extrusão não produziria superfícies internas lisas o suficiente de resinas reforçadas com fibra para permitir que a persiana se movesse suave e silenciosamente ao longo da trilha. Também, o processo limitaria a capacidade de mudar geometria do perfil ao longo do comprimento do trilho para incorporar mais integração funcional sem adicionar hardware (como pinos e clipes extras) durante etapas de pós-processamento.

O outro processo considerado foi moldagem por injeção, que pode produzir estruturas 3D muito complexas com acabamentos lisos e alta estética rapidamente, precisamente e com excelente repetibilidade e reprodutibilidade (R&R). Adicionalmente, permite furos, recortes, snap-fits e até clipes serem moldados, reduzindo acabamento secundário.

Para a aplicação alvo, a desvantagem é que moldagem por injeção não pode produzir estrutura oca em uma única etapa (necessitando que cada trilho seja moldado em duas peças e então unido.) Também, ferramental pode ser custoso.

A equipe decidiu por moldagem por injeção com objetivo de incorporar múltiplas peças em uma ferramenta de família para reduzir custos de ferramental.

Comprovação do Conceito

Com o conceito básico parecendo promissor, a equipe de desenvolvimento expandiu para incluir OEM Groupe Renault e moldador ARRK-Shapers (La Séguinière, França). O objetivo era projetar um sistema de trilho compósito para módulo de teto solar de vidro fixo com persiana enrolável no ano modelo 2016 Renault Scenic (cinco lugares) e Grand Scenic (sete lugares) veículos multi-purpose (MPVs). A equipe decidiu projetar cada trilho para incluir alto nível de integração funcional, ter simetria espelhada entre trilhos para lados esquerdo e direito e para o design acomodar tanto modelos de veículo padrão (sedan/saloon/cinco lugares) quanto longos (wagon/estate car/sete lugares). Aspectos do design da equipe são agora cobertos por três patentes.

Para manter custos de ferramental gerenciáveis, a equipe otimizou o design do molde para permitir que as partes superior e inferior de ambos trilhos esquerdo e direito, a viga transversal dianteira, mais três peças de interface de colagem que conectam à viga transversal traseira GR-PP (moldada separadamente) sejam produzidas em cada ciclo. Outra etapa de economia de custo foi o uso de blocos modulares pela ARRK-Shapers (que são inseridos/removidos para rodar versões de trilho longo e curto) em vez de deslizadores de ferramental custosos. Para moldar todos os oito componentes GR-SMA/ABS em uma grande ferramenta de família, uma prensa de injeção com força de fechamento de 1.500 kN foi necessária. Soldagem ultrassônica foi selecionada para unir trilhos superior e inferior, e um gabarito de montagem especial foi projetado e construído.

Uma fase de prototipagem e testes permitiu à equipe finalizar design do trilho, antecipar desafios de produção e assegurar que peças passariam nos testes de validação da Renault, que incluíram:

• Teste de durabilidade para 10.000 ciclos de vida.
• Teste de vibração tri-axial sobre faixa de temperatura de -20°C a 110°C a 95% umidade relativa (UR).
• Ciclagem de temperatura de 85°C a -20°C a 50°C a 95% UR a 110°C.
• Resistência ao descascamento e cisalhamento após colagem adesiva.
• Teste de ruído de direção Renault para NVH.
• Teste "sacacorchos" de capotamento.
• Velocidade de operação da persiana enrolável de pelo menos 75 mm/seg a 23°C alcançada após cada teste.

"A ideia de converter trilhos guia de alumínio extrudado para solução plástica em teto solar rollerblind é uma ideia da Webasto e que foi patenteada há muito tempo", explica Jacques Vivien, especialista em design to cost, industrial de P&D da Webasto França. "No entanto, até recentemente, nenhum plástico de engenharia atingiu os requisitos duros desta função." Ele nos lembra que o candidato plástico tinha que cumprir requisitos para precisão dimensional; estabilidade ao longo do tempo, resistência a mudanças de temperatura e umidade; reter rigidez e capacidade de deslizamento; exibir excelente colabilidade; e fazer tudo isso e permanecer custo-competitivo. "Ficamos muito satisfeitos com a seleção do XIRAN SGH30EB da Polyscope, que fez do projeto um sucesso total para todos os envolvidos."

Excedendo Expectativas

Com mais de dois anos de fabricação e venda, os trilhos guia compósitos estão performando como previsto e muitos benefícios têm sido vistos nos níveis tier, OEM e cliente. Por exemplo, o ferramental esperto da ARRK-Shapers cortou custos significativos do programa. O uso da Webasto de um design com nível significativamente maior de integração funcional que a montagem de alumínio legada, e a escolha de moldagem por injeção para criar as estruturas complexas em um único tiro eliminou hardware e acabamento pós-moldagem, também reduzindo custo. Produção do trilho sozinha foi reduzida de sete etapas para duas.

Na planta de montagem da Renault, o novo sistema de teto solar, incluindo a persiana enrolável, chega totalmente montado e pré-testado como unidade de uma peça que é roboticamente colada ao teto, eliminando duas a três etapas de montagem e permitindo um operador ser realocado, reduzindo custo e tempo ainda mais. Reportadamente, a redução inicial de custo do sistema foi cerca de 20%, mas o novo módulo tem menos peças, o que é esperado para reduzir custos de garantia long-term como indicado por menores defeitos por milhão de peças (PPM) e maior qualidade vista na Renault. Outro benefício dos novos trilhos compósitos é que redução de empilhamento de elemento Z-axis de >13 mm foi alcançada porque o módulo inteiro é colado adesivamente diretamente ao BIW em vez do processo convencional de duas a três etapas, durante o qual trilhos são parafusados ao BIW e o módulo é então fixado aos trilhos. Isso não apenas fornece mais espaço de trabalho na linha de montagem para trabalhadores, mas também dá ocupantes de veículos mais altos mais espaço para cabeça. Outra melhoria sutil foi que NVH foi reduzido durante operação da persiana para abrir ou fechar a enorme abertura de luz do dia em ambos modelos do veículo. Como alumínio, os trilhos compósitos são totalmente recicláveis, mas menos energia é necessária para produzi-los inicialmente e reciclá-los no fim da vida do veículo, o que, arguivelmente, também os torna melhores para o meio ambiente. (Curiosamente, a equipe também descobriu que nenhum lubrificante era necessário nos trilhos compósitos para operação confiável da persiana.)

"Quando Jacques Vivien da Webasto França me disse pela primeira vez que estava considerando substituir trilhos guia de alumínio por compósito SMA em módulo de teto solar roller-blind, pensei que poderia ser um pouco desafiador, mas valia a chance", nota Henri-Paul Benichou, gerente de vendas e desenvolvimento de negócios da Polyscope. "Esta aplicação inovadora provou ser um sucesso técnico e industrial, fornecendo numerosos benefícios para fornecedores, para Renault e para clientes da Renault."