Tecnologia Híbrida de Perfil Oco: Unindo Compósito e Metal para Reforço Superior

A sobremoldagem por injeção tem estado muito nas notícias da indústria de compósitos ultimamente, mas principalmente no âmbito da criação de compósitos híbridos. Pré-impregnados de fibra contínua moldados ou formas compósitos pré-curadas são posicionados dentro da cavidade do molde e então encapsulados dentro de uma peça maior moldada por injeção reforçada com fibra curta de tal forma a fornecer reforço extra apenas onde necessário para evitar peças superdimensionadas e controlar custos de produção. Quase despercebido neste turbilhão de publicidade está notícia sobre estruturas híbridas plástico/metal (PMH) — aquelas que combinam subestruturas de chapa metálica sobremoldadas por injeção com um compósito termoplástico.

Estruturas Híbridas Plástico-Metal "Tradicionais"

A tecnologia PMH foi inicialmente desenvolvida por volta de 1995 pela Bayer AG (Leverkusen, Alemanha). A equipe de compósitos e tecnologia PMH foram desmembradas como parte dos negócios de Químicos e Polímeros da Bayer em 2004 para se tornar a LANXESS Corp. (Pittsburgh, PA, EUA).

PMH usa uma subestrutura de chapa de aço ou alumínio estampada e perfurada seletivamente que é colocada em uma ferramenta de moldagem por injeção que é, tipicamente, seletivamente sobremoldada (ou seja, o substrato metálico não é totalmente encapsulado) com poliamida 6 reforçada com fibra de vidro (GR-PA 6). A estrutura híbrida resultante apresenta a escolha do designer de peças funcionais, incluindo suportes, nervuras, bosses e outras geometrias em compósito no exterior. As perfurações, que permitem o compósito termoplástico fluir através e ao redor da subestrutura metálica, encorajam uma forte ligação entre ambos os materiais e permitem que a estrutura resultante ofereça o melhor dos dois mundos. Ou seja, a peça beneficia-se da alta rigidez e resistência de chapa metálica de parede fina, mas é enrijecida e estabilizada por, por exemplo, nervuras compósitos que previnem o flambagem do metal. Adicionalmente, o compósito contribui com resistência à corrosão, bom acabamento superficial, menor peso e maior consolidação de peças e integração funcional alcançada em uma única etapa, eliminando assim hardware, suportes e operações secundárias. E como a matriz é PA 6, também oferece boa e ampla resistência química mais excelente tenacidade (resistência a impacto).

Estruturas PMH são mais leves e têm muito menos peças (produzidas em muito menos etapas) que estruturas de chapa metálica comparáveis com a mesma funcionalidade, ainda têm propriedades mecânicas mais altas que um compósito termoplástico reforçado com fibra descontínua sozinho. Isso é particularmente útil em casos onde o espaço é limitado, e seções de parede grossa são indesejáveis. A capacidade de reduzir drasticamente contagem de peças e etapas de produção não apenas reduz custo e pegada de fabricação, mas também reduz custos de estoque e garantia. E como sua matriz é um termoplástico, a estrutura híbrida pode ser separada e reciclada no fim da vida do veículo.

Por causa de sua reciclabilidade e benefícios de desempenho, a tecnologia PMH tem sido usada por muitos anos para produzir uma variedade de componentes automotivos, desde grandes montagens como módulos frontais e vigas de para-choque a componentes sob o capô. Também tem sido usada em aplicações não-automotivas, como patins em linha, e componentes em scooters e pequenos carros off-road.

Estruturas Tubulares

Como é verdade para qualquer tecnologia, PMH tem algumas desvantagens. Primeiro, amortização de custos de ferramentas de metal e plástico (ambos os tipos são necessários com esta técnica) provavelmente necessitará aplicação a programas de veículos de médio a alto volume. É muito caro para produção de nicho a menos que custos de ferramentas possam ser compartilhados com modelos similares na mesma plataforma. Segundo, como aplicada convencionalmente, a tecnologia PMH é melhor usada com subestruturas de chapa metálica simples 2D ou 2.5D, ex.: seções em L, C ou mais planas. No entanto, estas estruturas frequentemente carecem de resistência à torção suficiente para atender certos requisitos de alto desempenho. Também, não é possível fazer estruturas de forma fechada/tubulares (pense seção O e outras seções transversais tubulares ou quadradas) via PMH porque um perfil fechado colapsaria sob as altas pressões de moldagem por injeção.

"A ideia para estruturas híbridas de perfil oco evoluiu de uma lista de aplicações automotivas estruturais de alta carga, onde era altamente desejável reduzir massa e adicionar integração funcional, mas onde a tecnologia PMH atual não era forte o suficiente para atender requisitos de desempenho", explica Joseph Aiello, engenheiro de desenvolvimento de aplicação estrutural da LANXESS. Ele cita a viga transversal do carro (cross-car beam) como um componente HPH teoricamente ideal, já que é pesada e contém uma multidão de suportes e outros acessórios em metal. Vigas transversais do carro são usadas em todo veículo de passageiros para fornecer rigidez torsional ao chassi. Elas também fornecem pontos de fixação para componentes que penetram do compartimento do motor para o interior do veículo (ex.: volantes) e para componentes que se fixam de pontos na frente do painel corta-fogo e projetam para a cabine de passageiros (ex.: painéis de instrumentos e consoles centrais). Trabalho anterior aplicando tecnologia PMH a uma viga transversal carecia de desempenho mecânico suficiente porque o esforço centrou-se em torno de uma tentativa de criar as subestruturas metálicas tubulares (forma fechada) para a viga soldando duas estruturas PMH abertas em L juntas após serem sobremoldadas. "Já que uma estrutura de forma fechada é bem conhecida em engenharia por ser mais forte que uma estrutura aberta, um lugar lógico para começar a aumentar o desempenho mecânico de híbridos plástico-metal era encontrar uma forma de aplicar a tecnologia a vigas ou tubos ocos com seções transversais redondas ou retangulares", adiciona Aiello.

O desafio, como sempre, era alcançar uma ligação de alta resistência entre a subestrutura metálica e qualquer componente funcional compósito que fosse sobremoldado sobre ela — uma característica particularmente importante para componentes críticos de estrutura como vigas transversais. Inicialmente, a equipe trabalhou em uma tecnologia adequada para sobremoldar tubos padrão sem necessidade de equipamento especial. A questão tornou-se como deformar seletivamente o tubo — criar covinhas ou depressões — na máquina de moldagem por injeção que garantisse um bom encaixe entre o tubo metálico e a matriz, e assim alcançar alta resistência de ligação entre a subestrutura metálica e compósito sobremoldado sem causar o colapso do tubo nas altas pressões tipicamente vistas durante o ciclo de moldagem. Após muito estudo, a mesma equipe da LANXESS que inicialmente desenvolveu a tecnologia PMH também desenvolveu o processo HPH.

Basicamente, HPH usa elementos "estruturais" de PA 6 altamente reforçado com vidro e alto fluxo — tubos sólidos moldados por injeção com nervuras/aletas especialmente desenhadas projetando-se para fora — que são colocados no centro oco de um tubo de aço ou alumínio que é, por sua vez, inserido em uma máquina de moldagem por injeção e sobremoldado com compósito GR-PA 6 adicional para formar suportes externos e outros componentes funcionais. Os elementos estruturais — que são inseridos em um tubo antes que este seja colocado na prensa para sobremoldagem — previnem colapso do tubo durante a moldagem e ajudam a moldar/deformar o tubo via um processo chamado beadning ou dimpling, durante o processo de moldagem de alta pressão, assegurando assim uma forte ligação entre materiais metálicos e compósitos. Este elemento interno permanece no tubo para adicionar suporte estrutural.

A LANXESS reporta que os elementos internos nervurados/aletados podem até ser desenhados para serem usados com tubos de aço ou alumínio perfurados. Estes funcionam como as perfurações usadas na tecnologia PMH convencional.

Para eliminar a necessidade de um segundo molde, aquela ferramenta pode ser desenhada para incluir espaço em uma cavidade lateral para moldar elementos estruturais para tubos a serem usados no próximo ciclo enquanto sobremolda um dado tubo reforçado com elementos estruturais. E todo o processo reportadamente pode ser totalmente automatizado, se desejado.

Comparadas com estruturas PMH convencionais, com subestruturas estampadas ou estampadas-mais-soldadas, estruturas HPH dizem oferecer maior rigidez e resistência torsional e melhor estabilidade dimensional em seção transversal, massa e espessura comparáveis, ainda fornecendo todos os benefícios clássicos do processo PMH original da LANXESS.

O Que Vem a Seguir?

Aplicações-alvo HPH incluem estruturas híbridas compósito/metal com altas demandas mecânicas que incluem não apenas vigas transversais mas também estruturas de assentos de carro e módulos frontais, portas traseiras de caminhão e suportes de espelho. Fora da arena automotiva, poderia ser usado para produzir móveis, escadas ou até carrinhos de bebê. Muito novo para ter aplicações comerciais estabelecidas ainda, HPH diz ser parte de muitos projetos de desenvolvimento em andamento e a LANXESS diz que continua avaliando oportunidades, e reporta que ainda está trabalhando em algumas liberações de tecnologia para completar sua aplicação de patente, que será submetida ainda este ano.

O que poderia ser o próximo para HPH? A LANXESS também diz que anteriormente fez pesquisa PMH usando matrizes PA 6/6 e polibutileno tereftalato (PBT) e reforço de fibra de carbono, e até avaliou subestruturas de magnésio, embora a vasta maioria de aplicações comerciais permaneça em GR-PA 6 com níveis de carga de vidro de 30-60%. Teoricamente as mesmas combinações de materiais poderiam ser usadas para HPH, embora o foco da equipe permaneça em 60% GR-PA 6. Se reforço de fibra de carbono fosse usado, subestruturas metálicas precisariam ser isoladas (provavelmente via revestimento) para prevenir corrosão galvânica. Ou, para aplicações menos estruturais, deveria ser possível usar um tubo extrudado ou pultrudado de um plástico ou compósito.