Ver traducción automática
Esta es una traducción automática. Para ver el texto original en inglés haga clic aquí
#Novedades de la industria
{{{sourceTextContent.title}}}
Autocomposites: El escudo contra impactos protege la batería de 12 voltios en caso de colisión grave
{{{sourceTextContent.subTitle}}}
La protección GMT permite que los servicios de emergencia fuera de borda llamen antes de que se produzca un cortocircuito en la batería.
{{{sourceTextContent.description}}}
A medida que los vehículos de pasajeros convencionales se vuelven más electrónicos y necesitan baterías más grandes para hacer funcionar los sistemas a bordo, la protección de las celdas durante los choques severos se hace más difícil. Mientras que la estructura alrededor de las baterías ya es de alta resistencia y proporciona una protección adecuada para los choques normales, durante los choques severos la propia estructura de protección puede deformar y perforar la batería, haciéndola inoperable. En tales casos, se desea una protección adicional de la batería, pero idealmente sin sacrificar el diseño u otras características de seguridad, sin añadir mucho peso o costo, y sin impedir el servicio o reemplazo de la batería durante la vida útil del vehículo. Como resultado, se ha desarrollado una nueva pieza, llamada escudo de impacto de batería, para proteger baterías más grandes de 12 voltios en choques severos y es una aplicación cada vez mayor para los materiales compuestos.
La dura prueba se hace más dura
La ya de por sí difícil Norma Federal de Seguridad de Vehículos Automotores de EE.UU. (FMVSS) 208 ahora requiere que los fabricantes de automóviles realicen pruebas con una desviación de 30 grados durante las pruebas de la barrera frontal. El impactador del ensayo está diseñado de manera que se pierda completamente los raíles del bastidor, de modo que una esquina del parachoques reciba el impacto total antes de ser empujado hacia el compartimento del motor. Las severas cargas de choque que simula esta prueba han llevado a General Motors Co. (Detroit, Michigan, EE.UU.) para reforzar las bandejas de baterías y desarrollar escudos de impacto de batería, que sirven para distribuir las cargas de choque en un área mayor, protegiendo así las baterías durante más tiempo contra los pinchazos y cortocircuitos de los componentes circundantes a medida que se aplasta la parte delantera del vehículo. De este modo se gana tiempo suficiente para que los diagnósticos a bordo detecten la colisión y envíen una llamada de seguridad "fuera de borda" a los socorristas antes de que la batería deje de funcionar, una función que salva vidas cuando los ocupantes están inconscientes o inmovilizados y no pueden realizar una llamada. Estos escudos están diseñados para sentarse en bandejas de baterías metálicas y envolver las partes de la batería más cercanas a los componentes del compartimento del motor que la simulación de colisión ha identificado como las más propensas a dañar la batería en un choque severo. Durante el uso, los módulos de control y otros componentes conectados a la batería cuelgan de la pantalla y la mantienen en su lugar para que no haya problemas de ruido/vibración/dureza. La pantalla se retira simplemente durante el mantenimiento o el reemplazo de la batería y se vuelve a colocar después.
El equipo que trabaja en el vehículo deportivo utilitario Buick Enclave (SUV) del año modelo 2018 descubrió al final del ciclo de desarrollo que el escudo de acero diseñado para proteger la batería de 12 voltios del camión no pasaría las pruebas de choque requeridas. El extenso análisis de ingeniería asistida por ordenador (CAE) después de las pruebas de barrera y de silo de caída ya había llevado a los ingenieros a desarrollar un requisito de rendimiento desafiante para la pieza. Para evitar costosos retrasos en el inicio de la producción (SOP), el equipo de desarrollo y materiales avanzados de GM se incorporó para encontrar rápidamente una tecnología de sustitución, y lo hizo con rapidez.
Curso intensivo
Era principios de diciembre y había una prueba de choque de vehículos más programada antes de las vacaciones que era necesaria para certificar el SUV, cuyo lanzamiento estaba previsto para dentro de menos de tres meses. Un nuevo diseño de escudo, material y herramienta tuvo que ser creado y validado antes de la prueba final de choque del vehículo. Los ingenieros de GM revisaron los resultados de las pruebas de choque anteriores y calcularon las cargas y fuerzas de impacto que el diseño metálico había experimentado. Varios modelos CAE adicionales fueron evaluados para casos de carga adicionales y se utilizaron insumos en un análisis de matriz Pugh para desarrollar métricas clave para la evaluación de materiales. El nuevo candidato tendría que cumplir o exceder todas las regulaciones federales de seguridad, incluyendo los requisitos de inflamabilidad (FMVSS 302), y también cumplir con los objetivos de costo total del sistema de GM.
Dado el corto plazo, los investigadores revisaron seis grados de compuestos estructurales de moldeo en láminas (SMC) reforzados con fibra de vidrio picada en fracciones de peso de fibra (FWF) de 42-49 por ciento en matrices de éster de vinilo/poliéster insaturado y con valores de gravedad específica de 1.5-1.9. Se obtuvo material, se moldearon placas, se cortaron cupones de prueba estándar y se probaron materiales. Dada la severidad de la prueba de la barrera offset de 30 grados, se dio prioridad a los materiales que mostraban una alta resistencia al impacto y a la perforación en las pruebas de impacto instrumentadas (Dynatup). Durante los ensayos de impacto, el impactador cayó a 6,6 m/s y se realizaron ensayos a -40°, 23° y 125°C. Las altas cargas de vidrio en los grados estructurales SMC dificultaban el mantenimiento de una buena evacuación. Cuando los investigadores examinaron las muestras rotas con el microscopio, encontraron una extracción significativa de vidrio de la matriz, pero no de vidrio roto. La difusión de datos en 3Ʃ se caracterizó como "ruidosa y amplia" y no proporcionó los márgenes de seguridad requeridos. Dado que no hubo tiempo para reformular, los investigadores optaron por una tecnología diferente: el compuesto termoplástico de alfombra de vidrio (GMT).
Novela, no nueva
Se evaluaron tres grados comerciales de compuesto reforzado con fibra de vidrio GMTex con una matriz de polipropileno de Quadrant Plastic Composites AG (QPC, una empresa del grupo Mitsubishi Chemical, Lenzburg, Suiza). El grado de mayor rendimiento era de 4,3 milímetros de espesor y presentaba múltiples capas de esteras de vidrio tejidas y orientadas (4/1 tejido, 0/90 grados) con un núcleo de vidrio picado de 50 milímetros, orientado al azar. Mediante la integración de fibras tejidas y cortadas, el material proporciona un laminado de alto impacto, consistente y homogéneo, con un FWF del 61 por ciento. Un grado intermedio era de 3,0 milímetros de espesor y presentaba un tejido de vidrio integrado con múltiples capas de vidrio picado, con un FWF del 40 por ciento. El tercer grado tenía 1,8 milímetros de espesor y combinaba tejido con vidrio picado en un laminado más delgado, con un FWF del 40 por ciento. Aunque el GMT reforzado con tela no es nuevo, y se ha utilizado comercialmente en la industria automotriz durante décadas, esta fue la primera vez que GM o Continental Structural Plastics (CSP, una compañía del Grupo Teijin, Auburn Hills, Michigan, EE.UU.) trabajaron con estos compuestos GMT híbridos de nueva generación combinando tanto telas como esteras de vidrio picado.
"Los dos grados de mayor rendimiento funcionaron, la difusión de datos en 3Ʃ fue limitada y el material más grueso nos dio un factor de seguridad significativo, que es lo que queríamos", explica Kestutus "Stu" Sonta, ingeniero de materiales de GM, electrificación de materiales avanzados, que fue el responsable de los materiales en el proyecto de rediseño del escudo.
A continuación, los resultados de las pruebas a pequeña escala se validaron utilizando piezas de tamaño completo para aumentar la confianza antes de la prueba final de choque de vehículo completo. Ya se había desarrollado un diseño en forma de C no optimizado para evaluar los materiales SMC y GMT mediante simulación. Este modelo se utilizó para cortar rápidamente una herramienta prototipo de aluminio en GM para moldear piezas de prueba preliminares de 4,3 milímetros de espesor (GMTex X103F61-4/1-0/90). A continuación, estas piezas se sometieron a pruebas con trineos, que dejan caer una masa de dos pisos a una velocidad diseñada para simular las cargas observadas en la prueba de la barrera offset de 30 grados. La estructura impactada es un chasis muy simplificado que consta de rieles, ejes y ruedas, una bandeja de batería, una batería de 12 voltios instrumentada pero sin alimentación, componentes de la bahía del motor pronosticados mediante simulación para dañar la batería en un choque severo y el escudo GMT, todos en la misma posición relativa en la que estarían en un vehículo real. Se completaron muchas rondas de pruebas de trineos y el equipo registró cargas muy similares a las medidas en anteriores pruebas de choque de vehículos completos, que validaron tanto el concepto como la combinación material/proceso.
Doblar y cortar
Los equipos de GM y CSP trabajaron juntos para optimizar aún más el diseño del escudo en forma de C, que posteriormente se utilizó para producir la herramienta de producción, el dispositivo de chorro de agua y el dispositivo de control utilizado para inspeccionar las piezas terminadas.
"Hemos modificado nuestro diseño inicial para tener en cuenta los espacios libres, el tendido de cables y el ajuste de la batería", recuerda Sonta. "Para la economía del proceso, la geometría de la pieza se presta a ser moldeada como un largo canal de sección C, el cual puede ser colocado en un accesorio CNC y seis piezas de producción cortadas de él a través de chorro de agua" Él enfatiza que este fue un diseño completamente nuevo, optimizado para los materiales compuestos, no un diseño de metales en el que los materiales compuestos fueron ajustados a la fuerza.
"También modificamos el diseño para mejorar los ángulos de tiro en esas paredes verticales de embutición profunda, así como para incorporar localizadores para el chorro de agua, y para equilibrar la carga", añade Dale Armstrong, director de ingeniería de CSP y líder de procesamiento del proyecto. "El moldeo era sencillo. Estaba programando el chorro de agua para crear toda la geometría que necesitábamos en la parte de la forma de la red que era un poco desafiante. Estamos haciendo cosas con este material que el proveedor nunca imaginó"
QPC suministra el material como pieza en bruto precortada de aproximadamente 930 por 500 milímetros. Cada ciclo de moldeo utiliza una sola pieza en bruto para formar la sección C a partir de la cual se cortan las piezas de producción. El material pasa primero por un horno infrarrojo de cuatro etapas en la planta de CSP en Conneaut, Ohio, y se transfiere a una prensa de compresión vecina de bajo tonelaje. Cuando se calienta, la fibra de vidrio cortada en los lofts en blanco consolidados duplica aproximadamente su grosor anterior debido a un fenómeno llamado springback de vidrio - en este caso, la pieza en bruto que entra en la herramienta tiene un grosor de casi 9 milímetros y se reconstruye durante el moldeado. El tiempo de ciclo de botón a botón es de alrededor de un minuto. No fue necesaria ninguna modificación (mediante retardadores de llama o láminas) para que la pieza pasara el FMVSS 302.
Una de las características interesantes de este material GMT es que, debido tanto a la alta carga de vidrio como a las capas textiles, tiene un flujo limitado. Debido a esto, no es técnicamente moldeado por compresión, sino que es termoformado (o prensado en caliente) bajo bajas presiones de formación. "Dada la naturaleza de este material, necesitamos muy poca presión para reconstruirlo", añade Armstrong. Debido a que las presiones de formación son bajas y hay poco flujo de material, no se necesitaban bordes de corte en la herramienta.
Al mantener los diseños de piezas y herramientas simples, se creó rápidamente una herramienta familiar, manteniendo el proyecto en marcha y reduciendo los costos. Los prototipos y las primeras piezas de preproducción se moldearon en la herramienta de aluminio, pero, dados los volúmenes de producción de los vehículos, GM optó por el acero P20 en las herramientas de producción para una mayor longevidad. Laval International (Tecumseh, Ontario, Canadá) produjo esa herramienta.
No se pierde en la traducción
La parte final tiene una parte posterior plana y dos bridas que se desprenden en ángulos de 90 grados con dimensiones de aproximadamente 187 por 142 por 161 milímetros y una pared nominal de 4.0 milímetros. Las mejores estimaciones son que el diseño compuesto pesa un 75 por ciento menos y cuesta un 60 por ciento menos que un escudo metálico de rendimiento comparable. A pesar de la rapidez con la que se llevó a cabo el proyecto, el equipo está de acuerdo en que tanto el proceso como el diseño funcionaron como se esperaba, y que los nuevos escudos pasaron las pruebas de choque con éxito, proporcionando una protección adicional a los sistemas de seguridad clave.
"Este programa muestra lo ágiles que podemos ser con la ayuda de nuestros proveedores", resume Sonta, quien añade que los conceptos básicos aprendidos durante este proyecto ya han sido traducidos a varias otras plataformas a nivel mundial.
{{medias[111167].description}}
{{medias[111169].description}}
{{medias[111171].description}}
{{medias[111173].description}}
{{medias[111175].description}}
{{medias[111177].description}}