DESARROLLO DE UN NUEVO MATERIAL COMPUESTO CON PROPIEDADES ESTRUCTURALES Y ACÚSTICAS MEJORADAS PARA INTERIORES DE AUTOMÓVIL

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1 DESARROLLO DE UN NUEVO MATERIAL COMPUESTO CON PROPIEDADES ESTRUCTURALES Y ACÚSTICAS MEJORADAS PARA INTERIORES DE AUTOMÓVIL Arthur Blinkhorn, Terry Cheney, Luan Barsotti, Gary Knoll y Enamul Haque Owens Corning Automotive, Novi, MI Introducción El uso de compuestos termoplásticos está creciendo con rapidez en el segmento del desarrollo de interiores para automóviles. Los sistemas de tapizado de techo se están volviendo más modulares y cada vez se utilizan más componentes audiovisuales y electrónicos. Con la introducción de la normativa de seguridad FMVSS 201 sobre impactos en la cabeza, la tecnología de construcción de materiales que se utiliza actualmente resulta cada vez más costosa. En este documento, presentamos el desarrollo de un nuevo tipo de material compuesto termoplástico con propiedades acústicas y semiestructurales mejoradas. Este nuevo material de vidrio/pp se ha fabricado siguiendo un proceso patentado y está disponible en distintos pesos y tipos de vidrio. El material puede moldearse hasta adquirir una cierta forma y las características de deformación especiales del compuesto permiten que, en un solo paso, se puedan moldear partes de distinto espesor. De este modo, aumenta la flexibilidad del diseño, ya que tanto la rigidez como la acústica se pueden controlar para adaptarse a las necesidades cambiantes de los interiores para automóviles. Este nuevo compuesto suele elaborarse en tres pesos, 800, 1000 y 1200 g/m², aunque se puede producir con pesos mayores y menores si es preciso. El compuesto normalmente se proporciona con un entelado en un lado y una película adhesiva en el otro. La estructura de los tapizados de techo fabricados con el compuesto es mucho más simple que la de los tapizados de poliuretano convencionales (Figura 1). COMPOSICIÓN DEL TAPIZADO DE TECHO DE PU Tejido TAPIZADO DE TECHO DE COMPUESTO Tejido Película protectora Adhesivo Fibra de vidrio Núcleo Resina termoendurecible Entelado Lámina de poliuretano Resina termoendurecible Fibra de vidrio Entelado Figura 1 Comparación entre los tapizados de techo estructurados de PU y de compuesto

2 El tipo de película adhesiva puede cambiarse en función de la clase de tejido que se vaya a adherir o de la aplicación específica a la que se destine. Este material es termoformable y puede moldearse para formar herramientas de tiro profundo y esquinas afiladas. El compuesto puede calentarse mediante el procedimiento convencional de calentamiento por contacto, pero se obtendrán mejores tiempos de ciclo utilizando métodos de calentamiento con aire forzado e IR. Proceso para el del nuevo compuesto acústico El compuesto es fácil de procesar, comparado con otros procesos de laminación. El material en bruto, que puede calentarse por contacto, aire forzado o equipo de IR, se traslada hacia el molde junto con un tejido. La resistencia al calor del material basta para permitir que se calienten y se trasladen grandes piezas hacia el molde de forma segura. Los moldes suelen mantenerse a 43º C (110 F) para que el proceso sea uniforme desde el principio. Luego, la pieza puede formarse y recortarse mediante métodos automáticos como el recorte por chorro de agua. La Figura 2 compara el proceso de tapizado de techo con compuesto y el de poliuretano. Nuevo compuesto - Proceso COMPARACIÓN TÍPICA DE LOS PROCESOS DE TAPIZADO DE TECHO Prensa de laminación de vidrio y espuma de PU Películ Vidrio Espum Cara B Vidrio Películ Cara A Tejido Proceso propuesto con el nuevo compuesto Nuevo compuesto Precalentamiento Moldeado Recorte Figura 2 Comparación entre los procesos de tapizado de techo Propiedades de deformación Una de las propiedades exclusivas del compuesto es su capacidad de deformación. Tal como se proporciona, el compuesto tiene un espesor que varía entre 4 y 7 mm. Sin embargo, al calentarse, el material puede deformarse hasta más de dos veces el de su espesor original. Esto resulta especialmente útil cuando se moldean piezas con distintas dimensiones transversales. Una pieza compleja con diferentes espesores transversales puede moldearse

3 en un solo paso. La Tabla I muestra el espesor deformado comparado con el espesor inicial de varios pesos de compuesto. Tabla I. Deformación del compuesto después del tratamiento térmico Espesor Peso base Inicial Deformado (g/m²) (mm) (mm) Construcción diferencial El compuesto puede moldearse para producir tapizados de techo con propiedades selectivas en ubicaciones determinadas. Este compuesto puede moldearse con mayor espesor en áreas específicas que requieran consideraciones de HIC especiales, mientras que las ubicaciones más delgadas pueden producir áreas de módulo y resistencia superiores para sujetar accesorios e insertos. La Figura 3 muestra un ejemplo del compuesto no deformado con un peso base de 1000 g/m². Es un ejemplo del espesor inicial de la lámina después de la laminación del adhesivo y las capas de entelado en el núcleo de vidrio/polipropileno. La Figura 4 muestra la misma lámina de compuesto después de su deformación a 200 C (390 F). Figura 3 Compuesto de 1000 g/m² sin deformar (mm) Figura 4 Compuesto de 1000 g/m² deformado (mm) Propiedades mecánicas del compuesto El compuesto se ha fabricado de tal modo que reduce al mínimo la diferencia entre las propiedades de la dirección longitudinal y las de la dirección transversal. Esto puede constituir una ventaja durante la fabricación y el ensamblaje de las piezas. La Tabla II muestra las propiedades moldeadas de una muestra de compuesto de 800 g/m², tanto en dirección longitudinal (de la máquina) como transversal, durante una prueba para módulos flexionales según J949.

4 Tabla II Módulo flexional de compuesto tanto en dirección longitudinal como transversal Propiedades flexionales del compuesto de 800 g/m² Dirección longitudinal Dirección transversal Espesor Carga máxima Módulo Flex Espesor Carga máxima Módulo Flex mm N MPa mm N MPa A menudo, se utilizan métodos de prueba J949 modificados para evaluar la rigidez del producto. Estas pruebas J949 modificadas expresan la rigidez en N/mm. Los valores típicos para las piezas moldeadas con el nuevo compuesto y el poliuretano seco se muestran en la Tabla III y se han incluido en la Figura 5. Tabla III Rigidez del nuevo compuesto comparado con el DPU típico Rigidez (N/mm) Espesor Nuevo compuesto Poliuretano seco (mm) (N/mm) (N/mm) Rigidez del nuevo compuesto vs DPU Rigidez (N/mm) Comp DPU Espesor (mm) Figura 5 Rigidez comparativa entre el compuesto de PP/vidrio y el DPU

5 Propiedades acústicas del compuesto El compuesto puede fabricarse con una amplia gama de propiedades acústicas. Al modificar propiedades tales como el peso y la formulación de los materiales, pueden obtenerse distintas propiedades acústicas en función de las distintas necesidades de cada aplicación. La Figura 6 muestra la diferencia en cuanto al Coeficiente de absorción para incidencia normal entre el compuesto de 1000 g/m² y el compuesto de 800 g/m². Propiedades acústicas del compuesto N.I. Absorp 0.70 Coeffic AM1000 AM Frecuencia (Hz) Figura 6 Coeficiente de absorción para incidencia normal de distintos pesos de compuesto En general, el compuesto tiene muy buenas características de flujo de aire; sin embargo, en ciertas aplicaciones se exigirá que sea impermeable al aire. Esto se logra utilizando determinadas películas protectoras y técnicas de construcción especiales. Así, el compuesto puede utilizarse tanto en aplicaciones que no requieran ningún flujo de aire como en aquellas que requieran un buen flujo de aire. El compuesto no sólo tiene direccionalidad longitudinal y transversal, sino también en dirección z, lo que ofrece propiedades acústicas mejoradas.la Figura 7 muestra las buenas propiedades acústicas del compuesto si se lamina con películas adhesivas perforadas o no perforadas. La película A está perforada y la película B no lo está.

6 Compuesto E Incidencia normal Efectos de la película 800 g/m² g/m² (3 mm) / Ninguno /Película A g/m² (3 mm) / Ninguno /Película B 800 g/m² (5 mm) / Ninguno /Película A 800 g/m² (5 mm) / Ninguno /Película B N.I Absorptio Coefficien Frecuencia (Hz) Figura 7 Compuesto con diferentes películas adhesivas Compuesto C-423 Incidencia aleatoria Alpha Cabin Rando 0.8 Absorp Coeffic g/m² 1200g/m² 1000g/m² 1400g/m² Frecuencia (Hz) Figura 8 Evaluación del compuesto en Alpha Cabin con un peso distinto El compuesto, con su alta deformación y su peso elevado, muestra buenas características de absorción cuando se efectúa la prueba en Alpha Cabin, según ASTM C423. Ver Figura 8.

7 Resumen El nuevo compuesto es un material semiestructural de vidrio/polipropileno de baja densidad capaz de moldearse, a través de una amplia gama de procesos, para generar tapizados de techo para automóviles. La facilidad de manejo y la simplicidad del proceso convierten a este compuesto en el material ideal para muchas aplicaciones. La flexibilidad de construcción y formulación vuelve este nuevo compuesto en un material adaptable apropiado para aplicaciones tanto acústicas como semiestructurales. Bibliografía SAE, J949 Test Method for Determining Stiffness (Modulus of Bending) of Fiberboards Aug 1981 ASTM E , Test method for impedance and absorption of acoustical materials using a tube, two microphones, and a digital frequency analysis system. ASTM C423 Test Method for sound absorption and sound absorption coefficients by the reverberation room method. ASTM C384-95, Test method for impedance and absorption of acoustical materials by the impedance tube method. ASTM Handbook of Composites Volume 21 CRC Handbook of Chemistry and Physics Bies, D.A., Hansen C.H. (1999), Engineering Noise Control Theory and Practice, NY E&FN Spon.