Novel Manufacturing Approaches For Car Body Shell Applications Based On Sandwich Structures

1. Introducción

El sector del transporte está siendo el promotor del desarrollo de nuevos materiales ligeros e innovadores. Como tal, se encuentra un número creciente de aplicaciones en componentes estructurales dentro de las industrias aeronáutica y automotriz y, en menor medida, en los sectores marítimo y ferroviario. El presente estudio se centra en el trabajo desarrollado en un proyecto europeo (CARBODIN https://carbodin.eu/) enmarcado en el sector ferroviario donde uno de los principales objetivos es desarrollar soluciones ligeras y asequibles para carrocerías de vehículos. Los materiales compuestos podrían alcanzar estos ambiciosos objetivos dado su bajo peso, pero también considerando sus beneficios adicionales (resistencia a la degradación/corrosión, aislamiento acústico, libertad de diseño, etc.). En última instancia, se han encontrado desarrollos que apuntan a un 50% de ahorro de peso con diseños íntegramente en materiales compuestos en comparación con los diseños metálicos tradicionales [1-3]. A pesar de ello, la industria sigue siendo reticente a adoptar estos materiales y el coste es uno de los impedimentos para la mayoría de sectores y aplicaciones.

En los últimos años han surgido varias estrategias para reducir los costes de las aplicaciones de materiales compuestos. Se han explorado conceptos multimaterial en los que se puede lograr fácilmente un uso racionalizado mediante el uso del material adecuado en el lugar adecuado [4]. Asimismo, la integración de procesos donde se integran diferentes componentes en una sola pieza es una línea en auge, especialmente en el sector aeronáutico, ya que permite reducir las horas de fabricación, que son clave para conseguir tasas de producción y reducción de costes [5, 6]. Finalmente, se ha buscado automatizar el proceso mediante tecnologías robotizadas (DRP, AFP) que son especialmente ventajosas en industrias donde se fabrican piezas de gran tamaño [7, 8].

El trabajo presentado en este artículo aborda enfoques de integración de procesos y sistemas multimaterial para el desarrollo de carrocerías de trenes, mientras que la automatización ya se ha tratado en una publicación anterior [9]. Se ha llevado a cabo una evaluación con el fin de determinar la idoneidad de los materiales investigados para fabricar un demostrador que represente una sección de una pared lateral.

2. Caso de estudio.

Actualmente, la carrocería de los vehículos ferroviarios se fabrica con materiales metálicos tradicionales por lo que, dadas las dimensiones, restricciones geométricas o el peso, este estudio se centra en la pared lateral de la carrocería de un vehículo ferroviario. El diseño actual incluye también diferentes insertos que son necesarios para anclar los asientos de los pasajeros, así como los paneles interiores o portaequipajes. Convencionalmente, las ranuras de estos insertos se extruyen directamente junto con los perfiles de aluminio de una carrocería metálica. Esto implica a una estructura pesada con un margen de mejora considerable. Para evitarlo, se desarrolló un diseño innovador para integrar insertos poliméricos con ranuras tipo C en paredes laterales de materiales compuesto. De esta forma, se pasa de una estructura totalmente metálica a una basada en un sistema multimaterial y, además, se evitan operaciones secundarias de unión tales como el remachado o el pegado. Así, se diseñó un demostrador bajo escenarios de carga realistas para el anclaje de un asiento y un pasajero. La Figura 1 muestra un detalle de la pared lateral diseñada que incluye también el inserto de ranura en C.

Figura 1. (Izquierda) Diseño integral con inserto 3D embebido en panel sándwich CFRP y (derecha) esquema y secuencia de apilado del caso de estudio.

Se ha elegido el proceso de infusión en vacío (en inglés, Vacuum Infusion Process o VIP) como proceso de fabricación principal debido principalmente por el coste. Por otro lado, la selección de materiales se ha realizado teniendo en cuenta los requisitos mecánicos y funcionales. Cabe mencionar que los requisitos de FST son de suma importancia para esta aplicación [10] y que, en la actualidad, son muy pocas las resinas que cumplen con esta normativa. Además, las dificultades de procesamiento de las resinas altamente dopadas y sus propiedades mecánicas también son un tema importante. Esto está fuera del alcance del presente trabajo, pero se han tomado consideraciones al respecto para establecer la estrategia óptima de resistencia al fuego. Finalmente, se eligieron insertos impresos en 3D para crear la geometría y cumplir con los requisitos de distancia de manera eficiente mientras se cumple con los objetivos de aligeramiento. El diseño implica embeber estos insertos entre capas de polímero reforzado con fibras de carbono (en ingles, Carbon Fiber Reinforced Polymers o CFRP) para aumentar las fuerzas de sujeción y tracción que se inician en la estructura a través de las juntas. El diseño se evaluó por medio de elementos finitos lo que condujo al diseño final. La configuración del montaje para el proceso de infusión de resina estuvo asistida del mismo modo por herramientas de simulación numérica.

3. Metodología.

3.1. Selección de material.

La selección de materiales se realizó teniendo en cuenta los requisitos anteriores. Así, se seleccionó una resina de uretano acrilato, Crestapol 1261 (Scott Bader). Mientras que se eligió un NCF de fibra de carbono de 606 gsm de Saertex como refuerzo. Se ha seleccionado un grado de espuma de PET con propiedades ignifugas (en inglés,Fiber Smoke Toxicity o FST)de 3A Composites (i.e. T90, 210 kg/m3). Finalmente, debido a la novedad de la aplicación, se optó por una gama de filamentos de impresión resistentes al fuego para la fabricación del inserto polimérico. Así, se seleccionó el Thermax® PPE/PS (3DXTECH) después de la consiguiente optimización del proceso y evaluación de 4 grados diferentes de materiales. Este estudio no ha sido incluido en el presente trabajo, pero se debe mencionar que se consideraron aspectos como facilidad de fabricación junto con desempeño mecánico, adhesión y restricciones de coste.

3.2. Ajuste de la ventana de proceso.

• Proceso de impresión 3D.

Se seleccionó la fabricación de filamentos fundidos (FFF) como la tecnología de fabricación aditiva para la obtención de los insertos impresos en 3D. Para el desarrollo de la ventana de proceso se ha utilizado una máquina 3NTR A2V4. En este sentido cabe mencionar que debido a la novedad de la tecnología aún falta un procedimiento de fabricación estandarizado y, además, dado que cada impresora 3D es única la mayoría de los parámetros del proceso dependen del hardware del equipo utilizado. Por este motivo la puesta a punto es un proceso laborioso de prueba y error. Después de optimizar la ventana de proceso en muestras estandarizadas, se procedió al escalado de las mismas hasta fabricar los insertos de dimensiones finales. Se han realizado varias iteraciones de diseño teniendo en cuenta las limitaciones de fabricación así como la facilidad de flujo de la resina, entre otras. El diseño final es el resultado de las sesiones de Diseño para Fabricación (en inglés, Design for manufacturability DfM). Es importante mencionar que existe diseño intermedio para el proceso AM, donde la ranura tipo C está cerrada por una fina capa. Esta piel se ha añadido para evitar la entrada de resina durante VIP (Figura 2). Sin embargo, una vez que se completó el proceso de infusión, esta ranura se mecanizó y dio lugar al componente final.

Figura 2. (Izquierda) Modelo CAD correspondiente al inserto con ranura tipo C y (derecha) iteración final del inserto 3D en PPE-PS con ranura tipo C.

• Proceso de integración.

Se optimizó el proceso de infusión de resina (VIP) para cada uno de los niveles de integración definidos. Por lo tanto, en este caso se exploraron dos niveles de integración: integración media y alta.

La integración media implica la existencia de piezas prefabricadas y curadas que se integrarán en el proceso de fabricación del demostrador (co-adhesión). Durante la primera etapa, el inserto impreso en 3D es cubierto por las capas predefinidas de fibra de carbono, las cuales se impregnan con la resina mediante VIP y a la que se realiza su ciclo de curado (denominado inserto embebido). En una segunda etapa, el inserto embebido se introduce en el proceso de fabricación del panel sándwich con fibra de carbono. Se lleva a cabo, por lo tanto, un segundo proceso de infusión de resina que conduce a la estructura final (Figura 3).

Figura 3. Pasos de la fabricación del demostrador siguiendo un enfoque de integración media.

El diseño de alta integración describe un proceso de fabricación que se realiza en una etapa. De ahí que toda la estructura se fabrique en un único proceso de infusión (co-curado). Este enfoque minimizará la cantidad de pasos lo que tienen implicaciones tanto en el coste como en la productividad del proceso (Figura 4).

Figura 4. Pasos de la fabricación del demostrador siguiendo un enfoque de alta integración.

La configuración VIP se mantuvo igual en ambos casos y se optimizó con FEM. La entrada de resina y la toma de vacío están colocados uno frente al otro con una configuración lineal. El vacío se realiza a 0,9 bar para una buena compactación y una velocidad de proceso óptima. Finalmente, se inyectó la resina catalizada, impregnando toda la estructura del demostrador. Una vez finalizada la infusión, se cierra la entrada de resina. El curado y post-curado se realizó en un horno HOBERSAL 4500 CFXL. El ciclo completo consistió en un tiempo de permanencia de 3h a 50^oC seguido de un tiempo de permanencia de 2h a 80^oC. Las rampas de calentamiento se realizaron a 2^oC/min. Tras esto, el componente se enfría por convección natural hasta temperatura ambiente. Cuando la temperatura alcanza la temperatura establecida, el vacío se apaga y el componente se desmoldea.

3.3. Caracterización.

Los demostradores fabricados fueron estudiados y ensayados para determinar sus propiedades mecánicas. De esta manera, se han obtenido datos cualitativos y cuantitativos tanto de los diferentes demostradores realizados como de su correspondiente proceso de fabricación. Asi, mediante un seguimiento del proceso con diferentes tecnologías se han podido obtener los indicadores clave de rendimiento (en inglés, Key Performance Indicator o KPIs) del proceso, así como conocer el grado de calidad de los diferentes componentes. Además, los diferentes niveles de integración conllevan distinta complejidad y coste, por lo que es importante encontrar el equilibrio adecuado. Para ello se obtuvieron las métricas del proceso para cada caso y también se realizó una estimación de costes.

• Ensayos no destructivos.

Las mediciones se tomaron con una cámara estándar en tres ubicaciones distintas durante el proceso VIP. Además, se estimó el contenido de fibra durante la fabricación. Por lo tanto, todos los componentes se pesaron antes y después de VIP con una balanza de precisión PS 6000 C de RADWAG para obtener una idea de estos valores. Además, todas las muestras se evaluaron visualmente en los puntos de interés. En general, la defectología se dividió en tres categorías y se calificó en una escala de 1 (muy mala) a 6 (muy buena). Se colocó una cuadrícula, ver Figura 5, sobre las muestras, lo que permitió una resolución local aproximada. Finalmente, se empleó la inspección térmica pasiva complementando la evaluación visual con más detalles en la estructura y resolución del defecto.

Figura 5. División de la superficie con la ayuda de una cuadrícula (muestras de sándwich de alta integración).

• Ensayos destructivos.

El diseño se desarrolló de acuerdo con un análisis FE considerando cargas realistas y condiciones límite del caso de estudio. El modelo y la suposición de carga para el cálculo se muestran en la Figura 6.

Figura 6. Esquemas y modelo FE con suposiciones de carga para FEA estructural de la junta de la ranura para un escenario de asiento de 2 pasajeros en la pared lateral usando límites simétricos.

La carga estática de un asiento de pasajero (peso de 14 kg, según referencia) y de un pasajero (peso de 120 kg como máximo, como carga de diseño) se transfiere con 4 uniones roscadas a las 4 ranuras. Las 2 ranuras del centro están cargadas por 2 asientos de pasajeros, incluidos los pasajeros. Debido a las limitaciones de espacio de la plataforma de prueba y la máquina, el equipo decidió realizar pruebas de tracción únicamente en muestras con una sola ranura. La fuerza se aplica en dirección axial a los tornillos que se fijan con tuercas en las ranuras del inserto. Las fuerzas de tracción para el escenario de carga se pueden determinar en dirección axial a partir de los resultados del análisis de elementos finitos y luego se comparan con los resultados de la prueba. Las fuerzas de tracción medidas representan la fuerza máxima permitida para la ranura multimaterial. Por lo tanto, se determina el rendimiento máximo a tracción o pelado como reacción de la carga de tensión axial. Se seleccionaron y fabricaron 3 tipos diferentes de demostradores para las pruebas. Los ensayos de pull-out se realizaron en una máquina de prueba universal como se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Configuración de medición para ensayar mecánicamente los demostradores.

4. Resultados y discusión.

Se ha encontrado que los resultados experimentales y de simulación concuerdan respecto a los frentes de flujo de resina, si bien se han detectado algunas diferencias respecto a los tiempos de infusión. Esto puede estar relacionado con diferencias menores en la configuración así como características de los periféricos del proceso (mallas de distribución de resina, diámetros de tubos de entrada y salida, material y dimensiones, entre otros factores). Por lo tanto, se realizó una comparación del tiempo de infusión. La Figura 8 muestra tanto el comportamiento del demostrador de alta integración, así como el de la integración media. Se puede observar que ambos se realizan prácticamente en el mismo tiempo, pero a la integración media habría que añadirle el tiempo de fabricación del inserto embebido, anteriormente mencionado. Es importante mencionar que, aunque los flujos de resina se terminan igualando, el flujo es más homogéneo en la integración media mientras que en la alta integración el flujo es mayor en la zona central debido a que el inserto no se encuentra previamente embebido antes de su colocación en el sándwich.

Figura 8. Desplazamiento del flujo de resina (d) en función del tiempo (t) para el proceso de alta integración (izquierda) y de integración media (derecha).

Se obtuvieron porcentajes de peso similares para los diferentes demostradores, de manera que se alcanzaron unos contenidos de fibra de 59-61% en peso independientemente de la ruta de integración. En cuanto a la inspección térmica pasiva y visual, se ha encontrado que la porosidad ha sido la defectología más común en las diferentes muestras. Las causas exactas aún deben investigarse más a fondo, pero tanto la cantidad como el tamaño son considerados de menor importancia.

La Figura 9 muestra las curvas de carga-desplazamiento obtenidas en los demostradores mediante la integración media y alta. La carga máxima promedio hasta la rotura fue de 2284 N y 2025 N, respectivamente. En ambos casos, la rotura se inicia en la interfaz CFRP/inserto 3D, como era previsto.

Figura 9. Diagrama de carga para los demostradores de alta integración (derecha) e integración media (izquierda).

El rendimiento mecánico de los cupones fabricados y ensayados se evaluó en comparación con los resultados de FE. Los resultados de las pruebas destructivas muestran que las fuerzas de tracción alcanzadas son mayores que las determinadas por el FEA. El análisis FE indica una carga axial máxima en la dirección y, que representa la prueba de tracción, de -1061 N. En comparación, hay un gran margen entre la fuerza de tracción máxima permitida del ensayo destructivo y la fuerza calculada del análisis FE según la carga ejercida por el peso del asiento incluido el pasajero (12 kg asiento + 120 kg pasajero). Además, las fuerzas de reacción en las ranuras no utilizan completamente el material correspondiente al cálculo de FE. La utilización del material según el índice de rotura del material compuesto con un factor de seguridad es inferior al 50% (ver Figura 10) , lo que encaja bien con los resultados experimentales. El resultado FE, que se ve agravado por el hecho de que el modelo introduce la carga del asiento en la ranura con un modelo de cuerpo rígido sin flexibilidad, es válido. Además, el modelado FE ideal asume que el material de impresión 3D está unido con las capas compuestas y no considera la deformación plástica del material de inserción de impresión 3D. Con una mayor matriz de prueba y más muestras ensayadas, las fuerzas de tracción podrían determinarse con más precisión y más seguridad en la distribución.

Figura 10. Análisis FE con índice de rotura del material compuesto y utilización de material por debajo del 50 %.

5. Conclusiones.

Se ha desarrollado y fabricado una pared lateral basada en materiales compuestos mediante diferentes enfoques de integración. Las caracterizaciones realizadas indican diferencias mínimas entre los componentes fabricados. Sin embargo, incluso si los componentes fabricados mediante integración media muestran fuerzas de tracción ligeramente mayores que los de alta integración, ambos soportan ampliamente las cargas para la aplicación. Por lo tanto, se puede concluir que el diseño multimaterial consistente en insertos de impresión 3D altamente integrados en una pared de composite se adapta bien a la aplicación. Con algunas modificaciones, como por ejemplo la mejora de la adhesión en la transición del material de impresión 3D al material compuesto, las fuerzas de tracción se pueden aumentar para que sean más robustas. Finalmente, la fabricación de alta integración ha mostrado ahorros del 50% en consumo de energía y operación, 30% en costes de mano de obra y 7% en material frente a la fabricación de integración media.

Reconocimientos

Este proyecto ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del Acuerdo de subvención n.º 881814.

6. Referencias.

1. Ulbricht A, Rail Vehicle in CFRP-intensive Design, Lightweight Design worldwide, Issue 2/2019.

2. Prockat J, Understanding the challenges of composites in rail, AMI, Virtual Summit, 19 - 22 October 2020.

3. Mistry PJ et al., Selection and ranking of rail vehicle components for optimal lightweighting using composite materials, Proc IMechE Part F: J Rail and Rapid Transit 0(0) 1–13, 2020.

4. Mera L et al., Manufacturing process optimization for composite- steel multimaterials design, 18th European Conference on Composite Materials, 2018.

5. Perez Pastor A et al., Superficie sustentadora de gran tamaño, optimizada en coste y peso para altas cadencias de producción, Materiales Compuestos, [S.l.], v. 4, n. 1, p. 73-79, jan. 2020. ISSN 2531-0739.

6. Harismendy I. et al., Desarrollo de procesos de preformado y RTM para estructuras altamente integradas. Materiales Compuestos, [S.l.], v. 2, n. 3, p. 69-74, july 2018. ISSN 2531-0739.

7. Serrano J C, Wind Blade Manufacturing Innovations, Wind Turbine Blade Workshop (Sandia National Laboratories), 2012.

8. Grohmann Y, et al, Development of the direct roving placement technology (DRP), 17th European Conference on Composite Materials, 2016

9. Mera L et al., Novel automated manufacturing solutions for car body shell applications based in CFRP, International Conference on Polymer Science and Composite Materials, 2021.

10. EN45545-2 Railway applications- Fire protection on railway vehicles- Part2: Requirements for fire behavior of materials and components.