Muito trabalho de P&D tem sido feito para reduzir o peso das estruturas de veículos, mas os sistemas de fechamento ainda representam uma oportunidade significativa para economias de peso
Os fechamentos são montados após a montagem da carroceria e podem ser construídos off-line, o que significa que eles podem ser feitos de materiais inteiramente diferentes, como o alumínio, para a estrutura de carroceria do veículo. E no caso das portas, a economia de peso pode realmente acumular.
A Magna International anunciou que - em parceria com o Departamento de Energia dos Estados Unidos (DoE), a FCA US e o especialista em interiores Grupo Antolin - desenvolveram uma arquitetura de porta com alto grau de alumínio de 42,5% mais leve do que aquele usado no Chrysler 200. Quando todas as quatro portas são consideradas, isso equivale a uma economia de peso de cerca de 50kg em comparação a um estoque Chrysler 200, diz Tim Skszek, gerente sênior de parcerias governamentais na Magna International.
Além disso, ele observa que as portas são fabricadas com materiais prontamente disponíveis e podem ser feitas usando os processos de fabricação existentes, sem um aumento significativo nos custos de produção ou mudanças na infraestrutura da oficina. Esta arquitetura de porta é aplicável a 70% do mercado de veículos leves.
Limitando o custo incremental
O projeto foi concluído em menos de dez meses. Ele foi premiado e parcialmente pago pelo DoE, que está procurando financiar meios de baixo custo para atender às regulamentações ambientais e de combustível cada vez mais rigorosas nos EUA.
Diretrizes associadas ao prêmio estipulavam uma redução de 42,5% em massa em comparação a uma porta de produção atual de 2016 e que o custo incremental não poderia exceder US$5 por quilo de massa poupada. Este aumento no custo é um pouco mais do que um OEM provavelmente aceitaria, diz Skszek, mas permitiu a avaliação de tecnologias que ainda não estão maduras.
Após a adjudicação do projeto, a Magna selecionou seus parceiros. A empresa demonstrou seu know-how leve durante o desenvolvimento do Veículo Múltiplo de Material Leve (MMLV) com o DoE e Ford em 2014. Este veículo caracterizou uma porta feita da folha de alumínio e das extrusões, de vácuo de alta pressão de magnésio que moldou as peças a partir do molde e a folha de aço presa juntamente com a ligação adesiva estrutural (bainha e estrutura), rebites auto-perfurados (SPRs), rebites e parafusos de um lado. Esta porta era cerca de 33% mais leve do que a linha base 2012 do Ford Fusion.
As divisões Magna Closures, Magna Exteriors e Cosma participaram do projeto. O Grupo Antolin possui ampla experiência na fabricação de interiores leves. Por sua vez, a FCA já usou alumínio para reduzir o peso de seus veículos. Com cerca de 1.957kg, seu Chrysler Pacifica de 2017 é em torno de 113kg mais leve do que o Town & Country minivan que substituiu. A FCA economizou aproximadamente 18kg apenas usando painéis de alumínio para as portas laterais deslizantes. Seus engenheiros economizaram peso adicional usando juntas de alumínio e um braço de controle de alumínio na suspensão dianteira, e o metal leve também é usado na porta do veículo.
Avaliando opções de arquitetura
Com o consórcio montado, os parceiros passaram a avaliar quatro arquiteturas diferentes. Skszek diz: "Nós avaliamos um projeto intensivo em fibra de carbono, um projeto de estampa de alumínio intensiva, um design de alumínio/magnésio e uma era mais conglomerada onde usamos várias tecnologias - fundição, extrusão e estampagem - em uma porta".
A opção final provou ser a mais rentável. A porta-em-branco ( DiW) representa 45% da redução de massa obtida pelo projeto. Skszek diz: "Este projeto sob uma perspectiva metálica é todo feito de alumínio; Três ligas diferentes e três processos diferentes."
A estrutura A-pilar é o que Skszek descreve como "a pedra angular estrutural da porta". É fabricado a partir da liga Aural-2 da Cosma (AlSi10Mg), que demonstra um limite de elasticidade de 120MPa, uma resistência à tração de 180Mpa e um alongamento de 10%. É fabricado usando o processo de fundição sob vácuo de alta pressão da Cosma High-Q-Cast, que a empresa adquiriu quando comprou a BDW Technologies em 2012.
O processo convencional de fundição sob pressão é usado para a fabricação de peças complexas com espessuras de 3-8mm. Estas peças requerem um acabamento mínimo, tornando o processo adequado para a fabricação de alto volume. Usando o processo, o metal fundido é injetado em uma matriz em alta velocidade, significando que o ar na cavidade fica preso no alumínio, levando à formação de poros que afetam tanto a resistência à tração quanto o alongamento da peça acabada - limitando sua utilização em Aplicações estruturais. Além disso, o tratamento térmico destas peças pode causar outros defeitos, tais como bolhas.
Utilizando o processo High-Q-Cast, é estabelecido um vácuo no molde antes da injecção do metal fundido, minimizando assim a porosidade e melhorando as propriedades mecânicas. As peças finais podem ser tratadas termicamente e são adequadas para utilização com uma variedade de operações de junção.
A Magna está atualmente construindo uma instalação de fundição sob vácuo de alta pressão em Telford, no Reino Unido, para apoiar o Jaguar Land Rover (JLR). A produção começará em 2018. Skszek continua: "A Magna tem cinco instalações em todo o mundo capazes de fabricar essas peças. Nós apenas - por volta dos últimos três anos - desenvolvemos a capacidade global para fornecer essas peças. As aplicações tradicionais estão na estrutura da carroceria e no chassi. "
A estrutura superior da porta e os reforços de charneira são extrusões de Al 6063-T6, enquanto as estampagens Al 5182 são usadas no pilar B, no reforço interno, no reforço do trinco, nos painéis interiores e exteriores e nas linhas internas e externas.
De acordo com Skszek, o design é exclusivo. Ele serve para endurecer a estrutura e, durante a montagem, o interior da linha do transportador é montado por último. Isso facilita a instalação do módulo de porta, com a linha de transporte mantendo tudo no lugar.
Processo de estampagem a quente em branco/frio
O feixe de impacto, que liga o centro da peça de coluna A à porção inferior da porta e do pilar B e que tradicionalmente seria feito de aço de boro, é formado a quente a partir de alumínio da série 7xxx. Skszek diz: "O processo de estampagem em vazio quente/frio do proprietário foi desenvolvido pela Cosma em 2012 para aumentar a formabilidade dos painéis internos de alumínio e magnésio da série 5xxx".
Usando o processo, um lubrificante não baseado em grafite é primeiro aplicado ao branco de alumínio e deixado secar. Aquece-se então este papel em bruto entre duas placas de aquecimento até cerca de 250°C antes de ser transferido através de um robô para um molde de estampagem. As matrizes não são aquecidas e funcionam à temperatura ambiente. Na produção em série, estas matrizes teriam de ser arrefecidas para que permanecessem sob esta temperatura.
A formação ocorre em um passo numa prensa mecânica mecânica convencional a uma velocidade de 160 mm.s-1. As operações de perfuração e de compensação ocorrem quando as peças tiverem arrefecido completamente e o lubrificante pode ser lavado com solução de água pressurizada.
Skszek conclui: "A aplicação do feixe de porta de alumínio 7xxx resultou em uma economia de massa incremental de 1,34 kg, em relação a uma viga de aço de boro". Esses componentes são unidos usando um processo de soldagem por projeção de resistência (RPW) desenvolvido por um dos sub-fornecedores da Magna, a Arplas. O RPW é uma variação da soldadura por resistência na qual o fluxo de corrente é concentrado nas superfícies de contato através de projeções formadas em uma das partes a serem unidas.
Isso concentra o calor nas superfícies de contato das peças e minimiza o aquecimento em massa das peças, permitindo juntas precisas, a união de graus com metalurgia desafiador e a formação de soldas múltiplas simultaneamente. Skszek diz: "O benefício do processo é que você reduz a largura das flanges. Normalmente você precisa de cerca de meia polegada de largura ou flange de 12mm para soldar as peças em ponto. Este processo reduz significativamente a largura deste flange para dizer 3 ou 4mm e você evita toda aquela massa periférica."
Tecnologia inteligente de trava
O uso do sistema de trava eletrônica SmartLatch da Magna - que estreou no BMW i8 híbrido-elétrico sportscar - elimina a necessidade de hastes e alavancas na porta e permitiu o desenvolvimento de um único módulo de suporte com guias de vidro integrado. No total, o sistema de trinco e o módulo representam 13% da redução de massa total.
O Grupo Antolin fabricou os componentes de guarnição interior. O uso de tecnologias avançadas de moldagem - como o processo de moldagem por injeção microcelular MuCell da Trexel - e polímeros contribuem em aproximadamente 7% para a redução de massa total.
"Este projeto [porta], de uma perspectiva metálica, é todo alumínio; Três ligas diferentes e três processos diferentes" - Tim Skszek, Magna International
O conjunto de vidro é um laminado que compreende uma camada externa de vidro de soda de calcário tradicional e uma camada interna de Vidro de Gorila temperado quimicamente, separada por uma camada de polivinil butiral (PVB). Isso representa 12% da economia de peso total, com os 13% restantes alcançados através do speaker (que possui ímãs de ferro neodímio em vez de aqueles com base em ferrite), espelho montagem, guarnição exterior, dobradiças, sistema de vedação e cablagem.
Skszek resume: "a linha de fundo é que conseguimos redução de massa de 42,5% em relação a um veículo FCA Chrysler 200, e nosso custo por libra economizada é estimado em US$ 2,50 - bem abaixo da meta de US$5.
A equipe de engenharia da FCA confirmou que a porta é compatível com suas operações de montagem existentes e realizou testes de durabilidade, fadiga e segurança de engenharia assistida por computador (CAE). Os parceiros agora planejam validar esse desempenho no mundo real usando testes padrão de OEM.
A Magna espera que a porta esteja pronta para uso em veículos de produção até o final de 2020.
