Analysis of fiber-reinforced thermoplastic composite/metal sheets for the automotive sector

Revision as of 17:31, 7 June 2023

ABSTRACT: The recent trend to replace Body-in-White components with carbon fibre laminates, known as “Body in Black”, has been taking hold in new vehicle designs. This is how various hybrids with a thermoplastic matrix are born, such as CAPET, which has titanium with carbon fibres in PEEK, CAPAAL, which has aluminium with carbon fibres and glass in PA 6, CATPUAL based on CAPAAL, with thermoplastic polyurethane matrix and aluminium sheets. This project includes the study and design of hybrid laminates that can replace a monolithic steel sheet. Analytical models based on the classical laminate theory and models based on the rule of mixtures were used to predict the mechanical behaviour of the material. The structural behaviour of a semi-product was analysed using finite element simulations. The results show that it is possible to obtain a weight reduction between 13% and 22% when using a hybrid laminate, but it is required to increase the thickness of the lamina up to 3 times compared to the metal. Subsequently, studies were carried out to measure the wetness of the surface and the adhesion resistance of a carbon fibre prepreg with PA6 matrix on aluminium. A life cycle analysis (LCA) of hybrid laminates designed to observe the environmental impact on energy consumption and carbon footprint was carried out.

Keywords: Hybrids, thermoplastic composite-metal, life cycle analysis, finite-element, adhesion

1. Introducción

La reciente tendencia a reemplazar los componentes del BIW – Body-in-White por laminados de fibra de carbono se conoce como “Body in Black” (BiB), se ha estado imponiendo en los nuevos diseños de vehículos eléctricos y de tecnologías híbridas [1, 2]. Así nacen varios híbridos con matriz termoplástica como CAPET, que posee titanio con fibras de carbono en PEEK (poli-éter-éter-cetona), el CAPAAL que posee aluminio con fibras de carbono y vidrio en PA 6 [3], el CATPUAL basado en el CAPAAL, con matriz de poliuretano termoplástico-TPU y láminas de aluminio [4].

1.1. Estado del arte

1.1.1 Laminados de fibra-metal (LFM) y híbridos metal-termoplástico reforzado con fibra

La matriz polimérica que se seleccione para aplicaciones en el sector automovilístico debe tener [5]: capacidad de deformarse a bajas temperaturas; resistencia a la fluidez a altas temperaturas (200°C, proceso de pintura); resistencia a las condiciones ambientales como el calor, la humedad y la niebla salina; resistir temperaturas por encima de 200°C y ser conformado a 15 a 30 m/min; cura de las láminas debe ser rápida; posibilidad de ser reciclado al final de su vida útil.

1.1.2 Ángulo de contacto y resistencia de corte simple

El ángulo de contacto provee indicación cuantitativa de la mojabilidad de la superficie [6-8]. Entre las opciones del ensayo, el menos costoso y sencillo de realizar es el ensayo de resistencia de corte simple. Este ensayo se describe en ISO 4587 y ASTM D1002 y ASTM D5868.

1.1.3 Análisis de ciclo de vida (ACV)

Sigue las normas UNE-EN ISO 14040:2006/A1:2021 y UNE-EN ISO 14044:2006/A1:2018 qui consiste en recolectar información y traducirlo en consecuencias ambientales como: contribución al cambio climático, creación de smog, eutrofización, acidificación y toxicidad humana y del ecosistema [9]. Otra técnica para evaluar impactos ambientales es la ecoauditoría [10, 11].

Con esto, este trabajo de investigación pretende estudiar y desenvolver laminados híbridos que puedan reemplazar una lámina de acero monolítica para fabricar componentes BIW.

2. Metodologia

2.1. Diseño del laminado termoplástico reforzado con fibra

Se propone diseñar varios laminados híbridos con distintas matrices poliméricas termoplásticas, que logren desempeñar una respuesta mecánica similar a un laminado de acero monolítico de 1 mm de espesor, usando la regla de las mezclas para determinar las propiedades mecánicas de las láminas de material compuesto y la teoría de lámina para determinar la rigidez del laminado metal-TRF [12]. Los materiales seleccionados son tomados del CES Edupack [13].

2.2. Ensayo por el método de elementos finitos del componente

Para evaluar el comportamiento mecánico de los laminados, se modeló por el MEF el comportamiento de probetas sometidas flexión de tres puntos [14]. La geometría, Figura 1, que usaron fue la de un arco de techo de vehículo, fabricado con el laminado CAPAAL (CA- fibra de carbono, PA-poliamida y AL-aluminio) y compararon con una lámina de acero de 0,8mm.

File:Review 953862943872-image1.png

Figura 1. Geometría del perfil Ω [14] y esquema de ensayo de flexión

Se llevó a cabo en el software ABAQUS® CAE 2019 [15]. La geometría se modeló con elementos shell (S8R). El material seleccionado para esta simulación es el acero 10548 o HC340LA, con espesor de lámina 1 mm. Las condiciones de borde se pueden ver en la Figura 2. Se seleccionó el criterio de daño de Hashin con evolución de daño de 0,5 N/mm.

File:Review 953862943872-image2.png

Figura 2. Condiciones de borde del ensayo de flexión

2.3. Ensayos experimentales de ángulo de contacto y de resistencia a corte simple

Se realizaron 3 mediciones aleatorias usando como líquido al agua (destilada) sobre las muestras. Las muestras seleccionadas fueron láminas de aluminio AW6061-T6 con diferentes tratamientos superficiales, de acero y de preimpregnado Toray Cetex® TC910 de fibra de carbono 60% con PA6. Las muestras de aluminio con tratamientos superficiales son identificadas por AA1, para aluminio limpiado con alcohol isopropílico; AA2, limpiado con limón (ácido cítrico); AA3, superficie lijada y AA4, con revestimiento de partículas de polímero (Plastcoat).

Se seleccionó el preimpregnado Toray TC910 y el aluminio AW6061-T6 para medir la resistencia de adhesión a través de un ensayo de corte simple bajo las recomendaciones de la norma ASTM D1002. Las propiedades de estos materiales se encuentran en CES Edupack 2020 [13]. Los 4 ensayos se corresponden a limpieza con alcohol isopropílico, ácido cítrico, lijado y un recubrimiento. Los parámetros de fabricación siguieron las recomendaciones del fabricante y algunos trabajos encontrados en la literatura [16]. La primera prueba se realizó con 260°C, 0,4MPa de presión [16] y el tiempo de mantenimiento se definió 5 min. La segunda experiencia se realizó a 275°C, 0,2MPa de presión y se mantuvo por 10 min.

2.4. Análisis de ciclo de vida

Se presenta un estudio del impacto ambiental de los laminados híbridos con la herramienta de ecoauditoría CES Edupack 2020 basado en las recomendaciones UNE-EN ISO 14040:2006/A1:2021. El objetivo es analizar y comparar el impacto ambiental de 1m² de híbridos de matriz termoplástica con 1m² de lámina de acero en cada fase del ciclo de vida:

1 lámina de acero HC340LA (1m x 1m x 1mm); 1 lámina CAPAAL (1m x 1m x 2,19mm) de matriz PA6; 1 lámina ALGACA v2 (1m x 1m x 3,23mm) de matriz PA6; 1 lámina ALGAALCA (1m x 1m x 3,21mm) de matriz PA6; 1 lámina CAPPAL v2 (1m x 1m x 3,15mm) de matriz PP; 1 lámina de UHMWPEAL (1m x 1m x 3,21mm); 1 lámina CAPEEKAL (1m x 1m x 3,23mm) de matriz PEEK.

El proceso primario se definió como extrusión-laminado para las láminas de metal, extrusión de polímeros para las láminas termoplásticas y fabricación textil para las fibras de carbono, vidrio y Espectro. El final de vida de las láminas de metal se consideró como 100% reciclable y, para las fibras y polímeros termoplásticos, se consideró 100% infra reciclado. En la fase de transporte se especificó un vehículo ligero de mercancía recorriendo una distancia de 500km para entregar 1 lámina a una ensambladora de autos, en 10 años, y que el producto será usado en un vehículo comercial ligero a diésel durante 365 días al año, 40 km al día. Los materiales fueran seleccionados con la herramienta [13]. Los espesores de las láminas son 0,15 mm para la fibra de vidrio, 0,17 mm para fibra de carbono, 0,05 mm para las láminas de polímero sin refuerzo. Las láminas de metal dependen del híbrido y van de 0,2 a 0,5mm. Los valores de consumo de energía y las emisiones de CO₂ en función del peso del producto se resumen en la Tabla 1.

Material	Producción primaria			Procesamiento			Reciclado/fin de vida
Material	Energía (MJ/kg)	CO₂ (kg/kg)	Agua (l/kg)	Energía (MJ/kg)	CO₂ (kg/kg)	Agua (l/kg)	Energía (MJ/kg)	CO₂ (kg/kg)	Agua (l/kg)
AW6061 T6	200,0	13,3	1190,0	12,4	0,9	8,2	34,1	2,7	42,6
AW6082-T4	119,5	13,2	1180,0	8,7	0,7	6,4	34,0	2,7	42,6
Acero 10548	26,4	2,4	47,0	6,8	0,5	5,4	7,31	0,6	42,0
PA6	136,0	7,6	185,0	7,9	0,6	6,9	43,5	3,0	0,7
UHMWPE	96,4	4,5	91,0	6,2	0,5	6,1	32,75	1,5	8,4
PEEK	300,5	16,7	1067,0	6,4	0,5	6,2	102,0	5,7	67,7
PP	70,0	1,8	39,0	6,2	0,5	6,1	25,9	1,1	5,5
PA6-GF50%	100,1	5,7	241,0	6,1	0,5	6,0	-	-	0,1
Fibra vidrio S	51,8	3,0	296,0	40,1	3,2	22,9	-	-	0,1
Fib. CarbonoHS	256,0	20,3	7,0	40,1	3,2	22,9	-	-	5,0
Spectra1000	472,5	22,4	91,0	2,6	0,2	1,3	-	-	0,1

Tabla 1. Energía, emisiones CO₂ y agua para la obtención de los materiales seleccionados [13]

3. Resultados

3.1. Resultados del diseño de los laminados termoplásticos reforzados con fibra

Los laminados se muestran en la Tabla 2 siendo las propriedades calculadas con regla de las mezclas. Al relacionar la rigidez de membrana de los laminados con el peso del laminado, se observa en la Figura 3 que los híbridos CAPAAL y AGALCA demuestran poseer una rigidez específica (en A1) superior al acero con respecto a su peso.

Fibra	GF	CF	GF	CF	GF	CF	GF	CF	Spectra 1000
Vf %	49	54	50	60	40	10	30	40	50
Matriz	PA6	PA6	PA6	PA6	PP	PP	PEEK	PEEK	UHMWPE
Vm %	51	46	50	40	60	90	70	60	50

Tabla 2. Compuestos termoplásticos de fibras largas unidireccionales

Para la selección de los laminados híbridos, ensayados a flexión numéricamente, se consideraron los que registraron una rigidez específica superior o similar a la del acero.

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Figura 3. Relación entre la rigidez de membrana y el peso del laminado híbrido

3.2. Resultados del ensayo de flexión por el método de los elementos finitos

Del análisis de convergencia de la malla para acero, se observa que los elementos 3mm permiten obtener resultados precisos y menor costo computacional que elementos 1,5mm. Los resultados están ligados a varios factores. En primer lugar, al espesor del laminado siendo los laminados ALGAALCA, ALGACA v2, CAPEEKAL y UHMWPEAL, de 3,2mm de espesor. En cambio, el laminado CAPAAL, con sólo 2,19mm de espesor, no es lo suficientemente rígido como para aproximarse a los valores de rigidez de la lámina de acero de 1mm, pero demuestra una resistencia superior a flexión que los laminados CAPEEKAL y UHMWPEAL. Otro aspecto importante es que el CAPAAL usa una aleación de aluminio distinta a las que utilizan los demás laminados y esta le provee de una mayor rigidez elástica que el laminado CAPEEKAL. Por último, los porcentajes de fibra son distintos en los laminados CAPAAL (con 54% de fibra carbono) y CAPEEKAL (con 40% de fibra carbono), mientras que los laminados ALGACA v2 y ALGAALCA usan 60% de fibra de carbono. En la Figura 4 se presentan unos gráficos de la distribución total de la falla por ruptura de las fibras a tensión de los laminados híbridos, excepto el UHMWPEAL, cuya ruptura de las fibras ocurre por compresión.

File:Review 953862943872-image4-c.png	File:Review 953862943872-image4-c1.png

Figura 4. Falla de los laminados híbridos de acuerdo al criterio de Hashin

Sin embargo, se puede comparar los modos de falla según el criterio de Hashin. Dado que los componentes BIW y, en especial el pilar “B” deben brindar seguridad al soportar impactos y mantener las dimensiones de la cabina, el laminado híbrido ALGAALCA es el único que podría tener un buen desempeño mecánico en una simulación de choque.

3.3. Resultados de los ensayos experimentales

Los resultados obtenidos en la medición del ángulo de contacto se presentan en la Tabla 3.

Material		PA6-CF60%*	Acero	AA1	AA2	AA3	AA4
Gota nº	1	88,7 ± 2,1	72,4 ± 0,5	62,1 ± 1,3	23,7 ± 0,7	92,2 ± 1,4	84,3 ± 0,6
	2	83,9 ± 1,9	73,2 ± 0,6	72,3 ± 1,3	12,5 ± 1,2	86,3 ± 2,9	91,5 ± 0,6
	3	81,6 ± 2,4	72,0 ± 0,6	62,7 ± 1,6	22,1 ± 2,1	87,8 ± 2,3	92,0 ± 0,7
Promedio/ Desv		84,7 ± 2,1	72,5 ± 0,6	65,7 ± 1,4	19,5 ± 1,0	88,8 ± 2,2	80,2 ± 0,6

Tabla 3. Ángulo de contacto [°] de las muestras (*Prepreg Toray Cetex®TC910)

Los resultados de resistencia a corte de híbridos de aluminio-prepreg TC910 y los resultados de resistencia de adhesión de las probetas de corte simple se presentan en la Tabla 4.

Las probetas AA2, que habían presentado mejor mojabilidad, demostraron una alta resistencia de adhesión con respecto a las otras probetas en el ensayo de corte. Las probetas lijadas (AA3) que habían presentado baja mojabilidad, demostraron una baja resistencia de adhesión. Se consideró que los resultados obtenidos pudieron haber sido afectados por los parámetros de fabricación de la prensa de platos calientes y se realizó una segunda prueba de fabricación. Asi, se colocaron las probetas a la presión mínima permisible en la prensa de platos calientes, a la temperatura máxima recomendada por el fabricante del prepreg TC910 (275°C) y se aumentó al doble el tiempo de exposición (10 min). Na segunda oportunidad, se fabricaron las probetas AA4 y el revestimiento de polímero no logró soportar las altas temperaturas y se fundió completamente, mezclándose con el prepreg y esparciéndose por toda la probeta. Los resultados del ensayo se presentan en la Tabla 5.

Probeta	AA1	AA2	AA3
1 2	0,13 0,29	0,45 0,3	0,22 0,083
Resistencia a corte [MPa]	0,21 ±0,08	0,37 ±0,08	0,15 ±0,07

Tabla 4. Resultados del ensayo ASTM-D1002 de las probetas fabricadas a 0,4MPa y 260°C

Probeta

AA1

AA2

AA3

1

2

3

3,11

0,19

0,21

0,51

1,29

0,8

0,76

1,52

-

Resistencia a corte [MPa]

1 ±1

0,7 ±0,3

1,1 ±0,4

Tabla 5. Resultados del ensayo ASTM-D1002 de las probetas fabricadas a 0,2MPa, 275°C

3.4. Resultados del análisis de ciclo de vida

Figura 5 (a), (b), presenta una comparación del impacto ambiental de las dos rutas de fin de vida. Los híbridos metal-TRF presentan un mayor consumo de energía y emisiones de carbono en la producción primaria que el acero, pero en la fase de “uso” los híbridos representen una ventaja económica y reducción de las emisiones de carbono totales en 10 años. Se presenta el consumo de energía total del ciclo de vida de las láminas (Figura 5 (c)).

Figura 5. Energía necesaria (a) emisiones de carbono (b) para rutas de fin de vida: reciclaje y combustión; (c) Consumo de energía total del ciclo de vida [MJ/m²] de cada laminado

En la Tabla 6, se presenta la reducción de las emisiones de carbono de los laminados híbridos al comparar con la lámina de acero.

Fase de uso	Acero	CAPAAL	AGLCA V2	ALGALALCA	CAPPAL V2	UHMWPEAL	CAPEEKAL
CO₂[kg]	180	107	144	158	93	110	143
% Reducción de emisiones	0	41	20	12	49	39	21

Tabla 6. Reducción de las emisiones de CO2 [%] comparando con acero en diez años de uso de vehículo

En consumo de agua total, el laminado que presentó mayor consumo de agua total fue CAPEEKAL (5600 l/m²) y el menor es la lámina de acero (400 l/m²). Si se considera el costo total en todo el ciclo de vida, Figura 6, el laminado CAPEEKAL, es el más costoso seguido de UHMWPEAL con respecto al acero. El más económico es CAPPAL v2.

Figura 6. Costo total del ciclo de vida de cada laminado [USD/m²]

El híbrido metal-TRF que menor impacto en consumo de energía y emisiones de CO2 totales registró fue el laminado híbrido CAPPAL v2, siendo la reducción del impacto ecológico con respecto al acero del 40%, y una reducción de costo del 38%.

1.1. Discusión de los resultados de diseño de los laminados híbridos metal-TRF

Se elaboró una matriz de decisión para ponderar y comparar atributos mecánicos como el peso, la rigidez y la fuerza máxima; y atributos de tipo ambiental como el consumo de energía total del ciclo de vida, las emisiones de carbono totales del ciclo de vida y el costo del híbrido como factor económico – Tabla 7. El laminado que cumple con los requisitos es CAPAAL.

Fatores	Peso [kg/m²]	Rigidez [N/mm]	Fmax [N]	Energia total [MJ]	CO₂ total [kg]	Costo total [USD]	Total (€)
(j/l)	(1/5)	(2/5)	(3/2)	(4/5)	(5/5)	(6/3)	(0/25)
Acero 10548	7,8	3672	3515	2634	189	109	0%
CAPAAL	4,6 (41%)	3178 (-13%)	5190 (48%)	1930 (27%)	140 (26%)	94 (14%)	22%
AGALCAv2	6,2 (21%)	4142 (13%)	9877 (181%)	2812 (-7%)	205 (-8%)	156 (-43%)	13%
AGAALCA	6,9 (12%)	4605 (25%)	10743 (206%)	2806 (-7%)	202( -7%)	132 (-21%)	19%
CAPEEKKAL	4,8 (38%)	2888 (-21%)	8998 (156%)	2874 (-9%)	202 (-7%)	226 (-107%)	0%
UHMWPEAL	6,1 (22%)	2474 (-33%)	8285 (136%)	2223 (16%)	150 (21%)	335 (-207%)	-9%

Tabla 7. Desempeño mecánico y ecológico de los laminados en relación con acero

4. Conclusiones

Se encontró que para obtener una rigidez superior a la del acero, el laminado debía poseer aproximadamente 3 mm de espesor y contener mayor porcentaje de volumen de metal o fibra de carbono, como en los laminados ALGAALCA y AGALCA v2 respectivamente. En el estudio experimental para evaluar el proceso de fabricación y la resistencia de adhesión entre el prepreg Toray Cetex® TC910 y el aluminio con distintos tratamientos superficiales, se observó que para lograr una completa mojabilidad de la superficie del aluminio se requiere alcanzar altas temperaturas para que el polímero se funda y una baja presión para evitar que la poliamida fluya fuera del laminado. En cuanto a los tratamientos superficiales realizados en el aluminio, se observó que la limpieza con limón permite una mejor mojabilidad de la superficie. En el análisis de ciclo de vida comparando los impactos ambientales de los híbridos, se observó que CAPPAL v2 logró una reducción con respecto al acero del 40% en ambas categorías e incluso resultó más económico que la lámina de acero a lo largo del ciclo de vida. Otra ventaja que presentaron los híbridos metal-TRF es su potencial de fin de vida útil, el cual fue mayor al del acero. Si se opta por el infrarreciclaje, se pueden crear nuevos productos con menor consumo de energía y menores emisiones de CO₂que los correspondientes a la fabricación de un producto con material virgen. Finalmente, al tomar en cuenta el comportamiento mecánico y el desempeño ecológico para seleccionar un diseño de laminado híbrido, se encontró que el CAPAAL demostró tener el mejor potencial para sustituir el componente de acero debido a su reducción de peso, rigidez y consumo de energía.

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