Resinas para autopartes, mayor flexibilidad de diseño

Las innovaciones en químicos y materiales plásticos serán el eje de las tendencias de movilidad en el futuro. BASF anticipa que el contenido de materiales químicos de los vehículos aumentará significativamente con el fin de satisfacer las tendencias actuales de la industria que incluyen reducción de peso, reducción de emisiones de gases con efecto invernadero, diseño, nuevos mecanismos de transmisión, seguridad y manejo de la temperatura.

Ante la meta de reducir el consumo de combustibles, la construcción con bajo peso es un factor crítico, y donde precisamente tienen gran oportunidad los plásticos en el reemplazo de materiales tradicionales. Según datos de BASF, al reducir el peso de un auto en 100 kilogramos se reduce también el consumo de combustibles en cerca de 0,4 litros por cada 100 kilómetros. Así, el uso de plásticos en componentes de carrocerías, de chasis, de interiores y de partes de motor contribuye con esta meta, pues su peso es sólo la mitad que sus equivalentes en metal.

Bayer MaterialScience también es optimista en el incremento del uso de plásticos para las tecnologías de movilidad en el futuro. Además de destacar las reducciones de peso, la compañía señala que los plásticos contribuyen con la eficiencia en la fabricación y una mejor apariencia, en comparación con materiales tradicionales. "La proporción de plásticos en aplicaciones para la industria automotriz deberá aumentar de 15% hoy en día a 25% para 2020," estima Hans-Peter Neuwald, vocero de aplicaciones automotrices de la compañía. El ejecutivo señala que el uso de sistemas de asistencia para el conductor, cámaras, sensores y productos para la protección de los peatones será un factor determinante en este crecimiento.

Así mismo, la tendencia hacia la movilidad eléctrica le ha dado un nuevo impulso a la construcción liviana en la industria automotriz. Los autos eléctricos tienen que ‘bajar de peso’ para ampliar su operatividad por ciclo de recarga. El doctor Claus Rüdiger, experto en policarbonatos de Bayer MaterialScience, comenta que la compañía está viendo un aumento en la demanda de plásticos como alternativas a materiales más pesados como acero y vidrio. “Esto aplica para la producción de componentes del cuerpo del vehículo, interiores y fascias”, señala.

En este artículo resumimos algunos desarrollos notorios en materiales termoplásticos, reforzados y espumados, que han fijado un nuevo estándar en cuanto a procesamiento, diseño y desempeño.

Ventanas plásticas
Hasta ahora el uso de plásticos, particularmente del policarbonato, se había limitado a componentes pequeños, pero a medida que la demanda de vehículos livianos se incrementa, los fabricantes buscan extender el uso de plásticos en piezas de mayor tamaño, incluyendo ventanas.

El uso del policarbonato Makrolon, de Bayer MaterialScience, para ventanería automotriz permite reducir el peso hasta en 50% en comparación con componentes similares en vidrio. Adicionalmente, la integración de funciones mediante los procesos de moldeo por inyección e inyección/compresión reduce los costos de los componentes. Otro beneficio son las propiedades de aislamiento térmico que provee el policarbonato en comparación con el vidrio, lo que reduce la energía necesaria para mantener la temperatura dentro de la cabina. Este ahorro es particularmente significativo en autos eléctricos.

En esta misma tendencia, Fiat empleó policarbonato para las ventanas traseras fijas en el nuevo modelo 500L. El material, Lexan GLX, es suministrado por Sabic Innovative Plastics. Las ventanas traseras se moldean a través del proceso de doble inyección con compresión, que permite la integración de un spoiler, para el cual se utiliza la resina Cycoloy como material de sobremoldeo. El nuevo Fiat 500L ya fue lanzado en Europa, y próximamente entrará al mercado estadounidense.

Para esta aplicación, al reemplazar vidrio con policarbonato no sólo se logra una reducción de peso de 35%, sino que también es posible un nuevo diseño. "Comparado con el vidrio, el material de ventanería de Sabic nos da mayor flexibilidad para crear la forma de ventana deseada y diferenciada, y promueve una aerodinámica más eficiente y mejor economía en el consumo de combustible del vehículo", afirma Carlo Torreggiani, del departamento de materiales, polímeros y vidrios de Fiat.

La meta, reducción de peso:
Durante la pasada feria industrial Fakuma, Lanxess se enfocó en presentar soluciones inteligentes de construcción liviana para fabricación de componentes de vehículos. La exhibición más llamativa fue la de un tanque para un auto a gas natural, que tenía un recubrimiento interno en la nueva poliamida 6, que puede resistir condiciones de frío extremo. “Nuestro material pude ser utilizado para producir tanques de alta presión mucho más livianos, pues pesan cuatro veces menos que un tanque completamente fabricado en acero”, aseguró el doctor Martin Wanders, líder de la unidad de desarrollo en aplicaciones globales de materiales de alto desempeño.

Así mismo, la compañía mostró un contenedor de aceite para autos con motores turbo a gasolina. Su peso es cerca de un kilogramo menos que el componente equivalente en acero y 50% inferior que su equivalente en aluminio. La aplicación fue presentada para el Audi R8.  Otro innovador desarrollo de Lanxess fue la presentación de la tecnología híbrida, para hacer piezas livianas y resistentes. Un ejemplo fue el primer pedal de freno fabricado en poliamida reforzada con fibras continuas de vidrio y diseñado para producción en serie.

En la Feria Internacional de Proveedores IZB, uno de los eventos líderes en Europa para la industria proveedora de automóviles, Daimler y BASF presentaron los primeros rines totalmente plásticos con potencial para producción en grandes volúmenes. Consiste en una estructura de la poliamida Ultramid con refuerzo de fibras de vidrio largas y ofrece ahorros en peso de hasta 30% en comparación con el aluminio.

Una aleación de policarbonato y poliéster promete fijar un nuevo estándar en cuanto a suavidad y estabilidad dimensional en aplicaciones automotrices. Se trata de la resina Panlite AM-9937F, desarrollada por Teijin Chemicals y Toyoda Gosei, en Japón. Está concebida para reemplazar metales en piezas exteriores, y en comparación con el metal ofrece una flexibilidad de diseño superior, además de mejores propiedades de procesabilidad, resistencia al impacto y menor coeficiente de expansión térmica. La reducción en peso que podría alcanzarse con esta nueva resina es hasta de 20%, y recientemente ha sido adoptada en la fabricación del soporte de la puerta trasera del Lexus HS250h híbrido.

Otra innovación la trae el brasileño Braskem, que ofrece dos nuevos grados de PEAD para el moldeo de tanques de combustible. Hoy en día, de acuerdo con la empresa, el 67% de los tanques en Brasil están fabricados a partir de PEAD, con el objetivo de reducir el peso, pero también para incrementar la seguridad y lograr mayor flexibilidad en el diseño, comparando con tanques de metal.
El grado HS4506 ha sido desarrollado para la producción de tanques de combustible, así como tubos de llenado y reservorios para arranque en frío. Por su parte, el grado HS4506A contiene aditivos para mejorar la resistencia a la radiación UV y a los factores ambientales. Además, ofrece una mejor apariencia superficial, por lo que se presta para el moldeo de tanques a la vista, como los que se usan en camiones.

Plásticos, protagonistas del diseño
Un hito en diseño de autopartes plásticas lo marcó General Motors, que recientemente obtuvo el premio de innovación automotriz la Asociación de Ingenieros Plásticos de Estados Unidos (SPE, sigla en inglés) en la categoría de "Performance and Customization". Este prestigioso galardón se le otorgó por el extractor de aire de su chevrolet camaro ZL1, una pieza fabricada en fibra de carbono, que jala el aire a través de la malla inferior pasando por el motor y enfriándolo, y que incrementa con esto la eficiencia a la vez que reduce el arrastre. La pieza incluye un deflector de agua moldeado con la resina Valox de Sabic, responsable de otorgar propiedades de alta resistencia mecánica y térmica.

El extractor de aire está fabricado a partir de compuestos de fibra de carbono, para lograr la máxima rigidez y resistencia con el menor peso posible. A través de adhesivos se unen dos componentes, uno es la malla de poliamida y otro es el deflector de agua moldeado a partir de la resina Valox, un poliéster. El adhesivo también aísla el compuesto de carbono del resto del cuerpo de aluminio, para prevenir corrosión galvánica. De acuerdo con su fabricante, la resina Valox soporta hasta 216°C, y propiedades de buena apariencia superficial y puede moldearse en color, ahorrando el paso adicional de pintura. La resina está basada en PBT y PET.

El desempeño es la prioridad
Europa se ha planteado metas ambiciosas en lo que respecta a emisiones para el año 2015. Esto ha conducido a que los vehículos sean cada vez más pequeños que requieren ductos flexibles, capaces de adaptarse a geometrías complejas. Ni los ductos metálicos ni los plásticos moldeados por inyección tienen actualmente la posibilidad de adaptarse a estos espacios reducidos. Por lo tanto, una nueva generación de ductos se está fabricando a través de moldeo por soplado.

DSM presenta una nueva poliamida 4.6, orientada a reemplazar PPS y metal en ductos de descarga, que es capaz de resistir temperaturas de operación hasta de 230°C. El material es más liviano, y a su vez sustancialmente más efectivo en costos que el PPS. El nuevo grado, comercializado bajo el nombre de Stanyl diablo OCD 2305 BM, tiene además mejor resistencia al impacto que el PPS, y tiene un comportamiento acústico mejor que las soluciones metálicas.

Durante la pasada feria Fakuma, INVISTA Engineering Polymers presentó su resina TORZEN Marathon PA66, que provee excelentes propiedades de retención cuando es sometida a altas temperaturas por periodos largos de tiempo (100% de retención de resistencia a la tracción a 200 C° después de 1.000 horas). Para fabricantes de autos estos se traduce en excelentes propiedades de retención de 180 C° hasta 240 C° durante la vida promedio de un vehículo.

Sekisui Plastics tiene en la mira la producción de una nueva espuma "híbrida", que combina PS y PE. De un lado, las propiedades de rigidez, baja densidad y excelente aislamiento térmico las brinda el PS, y el PE espumado aporta resistencia al impacto, así como resistencia química y a la abrasión. La producción de esta espuma se llevará a cabo en Tailandia y servirá primero a vehículos japoneses. Particularmente servirá para proteger la batería en vehículos híbridos.

También se destaca un innovador componente en TPE para un amortiguador que mejora el desempeño y reduce el costo. El amortiguador, que absorbe impactos y amortigua vibraciones, fue desarrollado por la empresa alemana Ossberger a partir del TPE Hytrel, de DuPont. Este desarrollo simplifica cuatro piezas en un sólo componente, a través de un proceso propietario de moldeo por soplado. De esta forma, se redujeron los costos y el tamaño de la aplicación.

DENSO Corporation, proveedor líder de sistemas automotores para las principales armadoras, seleccionó el elastómero termoplástico (TPE) GLS OnFlex, de PolyOne, para el desarrollo de un sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) en un nuevo modelo de auto, lo que permitió mejorar el desempeño del sistema y reducir sus costos totales.

Para esta aplicación, originalmente DENSO usaba un termoplástico vulcanizado (TPV) y buscaba una alternativa que mejorara el desempeño general del sistema. En respuesta, PolyOne desarrolló un TPE que eliminó la necesidad de presecar el material y trajo eficiencias en el procesamiento mediante ciclos más cortos de producción y reducción de desperdicios.

Los compuestos ofrecen más:
Un nuevo poliéster conductor térmico ha sido suministrado por DSM para piezas electrónicas automotrices, como una solución para evacuar calor en compartimentos de luces antiniebla, soportes de lentes y marcos de luz. La solución además trae beneficios en aligeramiento del vehículo. La resina es la Arnite PET XL-T, y constituye una alternativa a los metales y a los exóticos materiales HHR, usados convencionalmente en este tipo de aplicaciones. El nuevo grado es una evolución del Arnite PET-XL, lanzado en 2009, y ofrece los beneficios de la poliamida pero con un nuevo relleno conductor térmico. La conductividad en plano es de 4,65 W/m-K.

Otro lanzamiento interesante lo trae Asahi Kasei Plastics, que ofrece una poliamida reforzada en 60% con fibra de vidrio, capaz de ser moldeada en una superficie clase A sin necesidad de pintura. De acuerdo con el fabricante, lo que ha permitido este avance ha sido tener una tasa de cristalización controlada. El material fue empleado para fabricar las rejillas de ventilación de los modelos Escape, Fusion y Lincoln MKZ, de Ford, que ganaron el premio de innovación automotriz de la SPE, en la categoría de materiales. La pieza se destacó en la competición porque a los ahorros en pintura se sumó la reducción de las emisiones de VOC que provee el material.

Un nuevo proyecto de investigación hace uso de nanofibras de celulosa como refuerzo de polipropileno y otras resinas para reducir el peso en aplicaciones automotrices. La fibra, abreviada como CNF ("celullose nanofiber") se modifica superficialmente para hacerla hidrofóbica y por tanto compatible con resinas base como PP, PA y PE. Con un refuerzo de 10 ó 15% se incrementa el módulo de elasticidad en un factor de tres o cuatro, y la expansión térmica se reduce en un 80%. Actualmente el proyecto está siendo liderado por la organización de Nueva Energía y Desarrollo Tecnológico Industria (NEDO) en Japón e incluye entre otros socios a la Universidad de Kyoto y a Mitsubishi Chemical. 

Por su parte, Renault está empleando un nuevo grado de Noryl GTX procedente de reciclaje industrial, con el objetivo de satisfacer los requerimientos europeos de fin de vida de vehículos. Esta compañía armadora adoptó el nuevo material de Sabic para las defensas de su Clio IV 2013 y lo usará próximamente para su vehículo eléctrico ZOE. De acuerdo con Sabic, el grado satisface los requerimientos de calidad y desempeño requeridos, y además reduce las emisiones de efecto invernadero en 47% si se le compara con acero.