Reducción de peso y montaje rentable mediante estructuras híbridas

Pádraig Naughton, Roland Janssen, Orhan Imam
Dow Automotive
15/06/2006
Debido al alza continua en los precios de la energía, la tendencia de la industria de automoción hacia la reducción del peso y de los consumos seguirá ganando importancia durante los próximos años. Sin embargo, los consumidores no están dispuestos a hacer ninguna concesión en materia de seguridad y prestaciones. Este trabajo presenta una tecnología viable, interesante para los metales, para aplicaciones estructurales en las que rigidez, resistencia a los impactos e integración funcional deban combinarse en una solución ligera y rentable. Este trabajo examina el uso de estructuras metal-termoplástico como método para reducir el peso, manteniendo e incluso mejorando el rendimiento. Se utiliza metal en las zonas que requieren alta rigidez y resistencia, mientras el termoplástico facilita la integración funcional, gracias a la formación de geometrías complejas durante el proceso de moldeado. La combinación de ambos materiales permite optimizar el rendimiento y la funcionalidad de la aplicación por unidad de peso, mediante un equilibrio de la contribución del metal y del termoplástico.
Los termoplásticos con base de polipropileno (PP) tienen un alto potencial de uso en numerosas aplicaciones estructurales de automoción, por sus costes y sus propiedades. La disponibilidad del material matriz y las grandes capacidades de producción existentes en todo el mundo para los termoplásticos de PP lo convierten en una opción obvia para un amplio espectro de aplicaciones y fabricantes de equipos originales.

Una vez admitidas las posibilidades de este enfoque, la cuestión es cómo combinar dos materiales tan distintos. Este trabajo muestra las ventajas del empleo de adhesivos, que reducen sustancialmente la concentración de tensión y reparten las cargas, en comparación con las uniones mecánicas. El resultado es un aprovechamiento más eficiente de los materiales. La elección del adhesivo se discute en el contexto de los plásticos y metales utilizados. Cuando se utilizan plásticos con superficies de baja energía, como polipropileno, se requieren varios pasos de proceso para obtener una unión eficaz. Se presenta también un nuevo adhesivo, desarrollado específicamente para aplicaciones en las que se desea unir metal a un termoplástico de PP para formar un componente estructural, sin tratamiento previo. El rendimiento de esta unión se compara con el de otros métodos alternativos de sujeción.

Por último, se presentan varios ejemplos de desarrollo de aplicaciones y se discute el potencial de innovación futura.

El caso de los híbridos metal-plástico

Una de las grandes ventajas del plástico es la facilidad con que permite moldear formas complejas e integrar distintas funciones en una misma pieza. Esta facilidad permite eliminar piezas y pasos de proceso. En un mundo ideal, los ingenieros tendrían a su disposición materiales con la densidad y las posibilidades de moldeo del plástico, pero con la rigidez y la resistencia del acero. Un intento de acercarse a este ideal llevó al desarrollo de distintas formas de termoplásticos, cuya propiedades mecánicas se mejoraron mediante la adición de vidrio, fibra de carbono y otras cargas, conservando al tiempo las ventajas del proceso de fabricación. En la mayoría de los casos, el diseñador debe llegar a un compromiso entre costes, dimensiones, prestaciones y peso para alcanzar una solución aceptable.

En años recientes, las tendencias en la industria de automoción apuntan al empleo de sistemas híbridos metal-plástico. El objetivo, en este caso, consiste en utilizar el metal para las zonas que requieran propiedades mecánicas, y combinarlo con la integración funcional y la complejidad geométrica que permite el plástico. Esta empieza a ser la norma, por ejemplo, en los soportes de las secciones delanteras de vehículos, en las que se emplea una combinación de metal y plástico para formar un travesaño superior que contribuya a la rigidez del coche y que sea capaz de soportar cargas como, por ejemplo, la del cierre de un pestillo [1], [2]. Pueden verse ejemplos de este tipo en vehículos de Fords, VW, Audi, Renault, Nissan y otros fabricantes.

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Figura 1. Resultados de torsión por unidad de masa para distintas técnicas de unión en un travesaño híbrido metal-plástico
Un estudio anterior sobre selección de plásticos y métodos para combinarlos en estructuras híbridas metal-plástico [3] mostró que un material compuesto por polipropileno con carga de fibra de vidrio de cadena larga, unido a un refuerzo metálico por medio del adhesivo Betamate Lesa, proporcionaba un rendimiento superior a otros métodos de formación de sistemas híbridos. En la Figura 1 se muestran algunos datos de rigidez torsional por unidad de masa.

Desarrollo de módulos para secciones delanteras (MSD)

En lo que supone el hasta ahora más reciente desarrollo en tecnología para soportes de secciones delanteras, VW lanzó al mercado un Polo con un soporte híbrido metal-plástico en su sección delantera, utilizando tecnología desarrollada por Dow Automotive. Este resultado ha sido la culminación de un trabajo de desarrollo tecnológico, prototipado y pruebas [2], en el que se consiguió mejorar las propiedades de rigidez con una reducción significativa de la masa. Este desarrollo se basó en el VW Golf IV, que se muestra en la Figura 2. La rigidez se incrementó entre un 50 y un 100 por ciento, según las condiciones de temperatura, mientras la masa se redujo en un 25 por ciento.

Desde aquel proyecto, la tecnología ha seguido desarrollándose, con mejoras en los resultados del adhesivo Betamate Lesa. Concretamente, el adhesivo ha visto mejoradas sus propiedades de elongación y garantiza un excelente comportamiento ante cargas de impacto.

El VW Polo A04FP entró en producción a principios de 2005, con un soporte de la sección delantera consistente en un componente de LGF-PP moldeado por inyección con un refuerzo metálico adherido con Betamate Lesa. En colaboración con Dow Automotion y Simildes, Volkswagen desarrolló una solución que no sólo redujo el peso, sino que al mismo tiempo cumplía todos los requisitos en cuanto a rigidez y coste de la pieza. En comparación con otras soluciones, se consiguió una reducción de peso del 25% (0,5 kg). En la Figura 3 se muestra una imagen del soporte de la sección delantera del Polo, con el refuerzo metálico en posición.

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Figura 2. Prototipo de MSD ensamblado, con un soporte híbrido de la sección delantera unido mediante adhesivo

Método de unión

El método de unión que se propone y presenta en este trabajo consiste en unir el metal al plástico por medio de un adhesivo. La unión mediante un adhesivo produce un contacto continuo entre el metal y el plástico, y permite maximizar el momento de inercia por medio de una sección cerrada y, con ello, la rigidez. Un contacto continuo ayuda a distribuir la carga uniformemente y reduce los problemas creados por las concentraciones de tensión. El resultado es una estructura con mayor capacidad para acomodar cargas, que permite:

(1) una mejora de las prestaciones mecánicas totales de la estructura;

(2) una reducción del peso de la estructura, para unas prestaciones dadas, con respecto a otras soluciones;

(3) una reducción de las dimensiones necesarias para alcanzar las prestaciones mecánicas objetivo; y (4) un equilibrio entre las distintas ventajas, en función de los requisitos.

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Figura 3. El soporte híbrido de la sección delantera unido mediante adhesivo del nuevo VW Polo, que entró recientemente en producción
El diseño de la línea de adhesión, así como el diseño general de las piezas que se van a unir, pueden tener un efecto importante en las prestaciones resultantes y en el propio proceso de montaje. En términos generales, las piezas deben admitir la aplicación automática del adhesivo y deben poderse ensamblar mediante un robot. El empleo del adhesivo Betamate Lesa permite unir piezas sin necesidad de utilizar un tratamiento de llama o plasma, y elimina la necesidad de un tratamiento de imprimación, incluso en superficies de baja energía como las de los sustratos de PP.

Entre otros beneficios de esta solución, cabe citar:

• Mayor flexibilidad en el proceso de desarrollo, con reducción de los costes en caso de modificaciones, ya que puede ser posible cambiar el diseño de una herramienta sin afectar al de la otra. Por ejemplo, los cambios en la pieza de plástico que no afecten a la región de la línea de unión no requieren ninguna modificación en la herramienta utilizada para la pieza metálica.

• Menor riesgo de que las piezas metálicas con electrorrecubrimientos sufran daños, ya que la manipulación de las piezas se limita al montaje en la pieza de plástico correspondiente. Con ello, se evita el contacto con herramientas metálicas, que pueden dañar el recubrimiento.

• Un diseño cuidadoso y bien planteado permite ampliar o introducir variaciones posteriores en las piezas metálicas, sin necesidad de cambiar el molde de la pieza de plástico.

El diseño de la línea de adhesión, así como el diseño general de las piezas que se van a unir, pueden tener un efecto importante en las prestaciones resultantes y en el propio proceso de montajex

Tendencias futuras

Se espera que el uso de MSD y de soportes híbridos plástico-metal en secciones delanteras aumente sustancialmente en los próximos años. Existe una tendencia hacia el uso de soportes moldeados por inyección, que favorecen una mejor integración funcional. Igualmente, el moldeo por inyección es un proceso muy extendido y utilizado, que permite producir piezas en prácticamente cualquier lugar del mundo, en grandes tiradas y de forma rentable. La necesidades de una mejor gestión de los costes y de un menor peso exigirá inevitablemente mejores soluciones técnicas que permitan utilizar materiales de bajo coste, como PP, con refuerzos de fibras que le doten de rigidez. Los materiales de fibra de vidrio de cadena larga son, en muchos casos, una buena opción para garantizar la resistencia a los impactos y la durabilidad de las estructuras.

Además de los requisitos estructurales y de proceso, el diseño y la geometría del soporte de una sección delantera debe tener en cuenta otros factores:

  • Geometría y diseño de los componentes que se montan en el soporte de la sección delantera;
  • Unidad de refrigeración;
  • Condensador de AA;
  • Unidad de refrigeración del aire de carga;
  • Unidades de refrigeración de otros fluidos;
  • Estilo y diseño de componentes visibles que se vean influidos por el soporte de la sección delantera;
  • Diseño del capó y de su pestillo;
  • Diseño de las aletas y guardabarros;
  • Diseño del paragolpes;
  • Diseño del grupo óptico;
  • Diseño de la parrilla y del salpicadero;
  • Normativa sobre protección de peatones, especificaciones sobre rigidez y comportamiento en caso de colisión.

La Figura 5 muestra un ejemplo de las regiones de la estructura que influyen en estos factores. La Región A afecta al montaje de los distintos componentes en el soporte, mientras la Región B influye (y a su vez se ve influida) por el diseño de los grupos ópticos, el capó, los anclajes del paragolpes y las aletas.

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Figura 5. Zonas del soporte de la sección delantera afectadas por la plataforma y por el diseño
Las actuales estrategias de distintos fabricantes tratan de utilizar elementos comunes en áreas no visibles de una plataforma. En lo que respecta a las secciones delanteras, podríamos citar, por ejemplo, el empleo de una misma unidad de refrigeración para diferentes modelos de coches que compartan plataforma. Para diferenciar unos modelos de otros, basta con modificar el diseño exterior del paragolpes, los faros, el capó y las aletas. La combinación de estos requisitos resultaría en el diseño de un soporte modular para la sección delantera (como el que se muestra en la Figura 6).

El concepto de los híbridos unidos por medio de adhesivo no está limitado a las secciones delanteras.

También se ha aplicado en paneles de instrumentos.Se construyó un prototipo que permitiera sustituir el tradicional travesaño metálico por un híbrido plástico-metal unido mediante adhesivo. La estructura permitió integrar los conductos de ventilación en la sección comprendida entre el metal y el plástico, reducir los requisitos de espacio y rebajar el peso en un 20 por ciento. Se identificaron otras posibilidades de reducción del peso. Se espera que este planteamiento se extienda a otras muchas aplicaciones, por ejemplo, paneles de instrumentos, puertas, portones traseros y techos, aparte de los soportes de secciones delanteras.

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Figura 6. Funciones de los componentes constituyentes del módulo de la sección delantera
Los sistemas híbridos de plástico-metal pueden desempeñar una importante función en el futuro, debido a sus interesantes relaciones rigidez/peso

Conclusiones

Los sistemas híbridos de plástico-metal pueden desempeñar una importante función en el futuro, debido a sus interesantes relaciones rigidez/peso.

Se espera que las soluciones híbridas tengan mayor campo de aplicación que el sobremoldeo por inyección, ya sea a través de aplicaciones de sobremoldeo por compresión o a través de una tendencia hacia sistemas unidos por adhesivo, que ofrecen la posibilidad de incrementar la rigidez mediante el empleo de secciones cerradas, y de ampliar la flexibilidad de desarrollo debido a la interdependencia con el diseño. Algunos requisitos de última hornada, como la seguridad de los peatones o la obligación de reciclabilidad, podrían influir poderosamente en el desarrollo de diseños que combinen, por un lado, rigidez y comportamiento estructural, para ajustarse a unas exigencias mecánicas cada vez mayores y, por otro, soluciones más adecuadas a las necesidades de desmontaje y reciclado.

Otro factor importante que puede condicionar las soluciones futuras será la mayor integración de funciones y componentes.

Una posibilidad sería la integración del capó y los guardabarros en el módulo de la sección delantera, con lo que se daría una nueva dimensión a la funcionalidad de este tipo de módulos.

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