Tecnología para alta producción con composites en la industria automotriz

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En Europa y Estados Unidos se han desarrollado diversas tecnologías para lograr altos volúmenes de producción con materiales composites en varios sectores de la industria, entre ellos, el automotor.

Debido a la integración de sistemas GPS, calefacción, entre otras tecnologías, en los últimos 30 años el peso típico de los vehículos se ha incrementado en forma drástica, por lo que también ha aumentado el gasto de combustible y las emisiones contaminantes.

“Por ejemplo, el Golf de Volkswagen en los últimos años ha aumentado su peso en 158% al 2012, por las características y funciones extras que queremos tener el coche, entonces significa que se incrementa el peso del vehículo y hay mayores emisiones”, aseguró Vanja Ugresic, investigadora del Fraunhofer Institute, ubicado en Canadá.

Durante su ponencia "Utilización de tecnologías de manufactura para altos volúmenes de materiales de composite como soluciones para bajo peso", presentada en el 4º Simposio y Exposición Manufactura de Autopartes, que se realizó en Querétaro, México, los días 26 y 27 de agosto, la especialista advirtió que en los próximos 10 años se espera que las regulaciones ambientales impulsen el uso de composites en la industria automotriz.

Regulaciones ambientales como la Corporate Average Fuel Economy (CAFE) en EU, que obliga a hacer más eficiente el uso de combustible en los autos, será fundamental para la búsqueda de materiales que ayuden a reducir el peso de los automóviles y en consecuencia las emisiones contaminantes.

Hasta hace poco tiempo uno de los principales obstáculos para el uso de composites en partes automotrices era la imposibilidad de lograr altos volúmenes de producción, por lo que se han desarrollado diversas alternativas que hoy ya están disponibles para toda la industria automotriz, y que incluso, ya son utilizadas por un par de empresas instaladas en México.

Hoy en día, BMW, Mercedes Benz, Volkswagen y Nissan están utilizando tecnologías para producir piezas como tableros, toldos, cajuelas, etcétera basados en composites.

“El mensaje es que sí hay tecnologías de alta producción para los composites, están ya disponibles en Europa, se utilizan mucho, en Estados Unidos lo están empezando a hacer, en los próximos 10 años tienen que acelerar todo esto para poder cumplir con todas las regulaciones necesarias en términos de la CAFE”, afirmó Vanja Ugresic.

Cabe destacar que la norma CAFE establece que para 2016, los autos que circulen en territorio estadounidense deberán tener una eficiencia de combustible de 36 millas/galón (aproximadamente 14.5 km/litro) y para 2025, la eficiencia será de 55 millas/galón (22 km/litro), lo que significa que en sólo 10 años las armadoras deberán elevar drásticamente la eficiencia de sus vehículos.

Para ello, el Fraunhofer Institute trabaja con la industria automotriz para desarrollar estrategias a fin de mejorar el consumo de combustible de sus vehículos, incluso, en colaboración con las agencias de protección ambiental, esto con el objetivo de utilizar motores a diesel, mejorar la transmisión, el aspecto aerodinámico del vehículo y utilizar materiales más ligeros para aumentar la eficiencia de combustible.

Vanja Ugresic dijo que es si bien los composites tienen muchas ventajas, es necesario considerar los procesos, saber qué le hace el proceso a la fibra, si se mantiene el alma de las fibras, si se están dispersando, si se está haciendo una impregnación con el polímero y cómo es que se está aglutinando la matriz, es decir, se tienen que considerar todos estos aspectos al usar composites en productos finales.

"El largo de la fibra dicta qué tipo de aplicación puede tener la combinación de materiales, si es corto es más probable que sea una semi-estructura; si es continua es más estructura; en suma, entonces dependiendo de la tecnología de manufactura lo primero que tenemos que considerar es la fibra, luego el tipo de material que se utiliza y claro, lo más importante cuáles son los volúmenes que se necesitan", detalló.

Para termoplásticos, mediante el moldeo por inyección se ha logrado reducir el peso de las piezas. Según explicó Vanja Ugresic se utiliza el moldeo por inyección para hacer la parte más estructural de una pieza con una estructura de fibras continuas y con el espumado, que puede ser con agentes químicos o físicos. En el caso de agentes físicos se trata de soplado, nitrógenos o CO2 que se agregan al polímero.

"Se agregan adentro del moldeo por inyección y se hace una solución de una sola fase, después de esto el material se inyecta a la cavidad y también hay dos opciones de cómo se puede hacer el espumado, uno es a través de diferentes tecnologías de respiración, una vez que ya se mete podemos abrir nuevamente el molde, esto reduce la presión y permite que respire y se crea el espumado dentro de la pieza, entonces dependiendo de qué tanto se abra el molde se puede crear cierta cantidad de espumado, significa que hay diferentes capas delgadas que se forman adentro, entonces nos da mucha flexibilidad para jugar y diseñar diferentes piezas de acuerdo a las aplicaciones", comentó.

Las ventajas de este proceso es que se obtiene una viscosidad menor, se agregan gases, se tienen tiempos de ciclo más cortos, menores presiones en la cavidad y se logra un componente más ligero al utilizar el espumado. También se incrementa la estabilidad dimensional y una mayor libertad de diseño. Un ejemplo de este proceso es un tablero automotriz fabricado por BMW y otro por Mercedes Benz, reduciendo 20% del peso total de la pieza.

Otra tendencia, de acuerdo con la especialista, es crear componentes más estructurales basados en pequeños sándwiches, donde se ponen capas unidireccionales en ambos lados de la moldura y después se inyecta el material para obtener fibras continuas y dentro un espumado, con lo que se logran buenas propiedades de densidad y muy buena resistencia al impacto y excelente rigidez en áreas de bajo peso.

Para este proceso, la especialista explicó que es recomendable tener un proceso automatizado mediante robots que muevan los materiales precalentados para meterlos en los moldes.

El moldeo por compresión (PCM) que se hace siempre con fibras largas y es lo mejor para producciones de altos volúmenes, es otra alternativa para reducir el peso de las piezas. La diferencia más importante del PCM es la presión que está dentro de la cavidad, pues básicamente es en molde abierto, se mete el material a comprimir y se hace una pieza sacando a presión ese material, entonces la cavidad tiene una presión que solamente es una cuarta parte de la presión que se tendría en el moldeo por inyección.

En esta tecnología se utilizan polímeros directamente dentro del proceso, también se usan hilados y se hace mediante extrusores. En un primer extrusor se comprime el plástico, que generalmente es polipropileno, luego este material pasa a un segundo extrusor y ahí es donde se meten las fibras continuas con el polímero donde se mezclan, se hace una rotación del material, éste se pone dentro del moldeo por compresión y se hace la pieza.

"Con estas tecnologías los tiempos de ciclo son muy muy rápidos, de 30 a 60 segundos, pero si se utiliza doble cavidad se puede hacer piezas en 15 segundos, tenemos ejemplos con dobles cavidades con tiempos de ciclos de 17 segundos, entonces tenemos un gran potencial de hacer producciones de altos volúmenes", destacó Vanja Ugresic.

Una empresa mexicana recientemente desarrolló un proyecto con el Fraunhofer Institute mediante este proceso donde combinaron polipropileno con 30% de fibra de vidrio con longitudes de fibra de 20 a 40 mm.

Además, si se utiliza un robot para colocar el material en la prensa los tiempos de ciclo y el scrap se pueden reducir considerablemente. Esta tecnología permite el uso de material reciclado con un máximo de 10% a 15%, y aunque el material estándar es el polipropileno, pero la tendencia es al uso de nylons, fibra de carbono. Para aplicaciones más estructurales se pueden utilizar fibras continuas como telas, cintas, bobinados.

En el caso de plásticos termoestables, la alternativa es el proceso SMC (Sheet Molding Compound) que se utiliza sobre todo para partes automotrices exteriores. Actualmente ya se diseñó una máquina que puede hacer el material directamente y utilizarlo dentro del herramental del molde, cuenta con una zona de maduración del material a través de un reticulado. De este modo se han logrado hacer láminas de 400 a 800 mm con una producción de 500 mg/h, y el control es tal que se puede obtener un material de la calidad que se requiera.

Esta tecnología se espera que se utilice cada vez más en piezas más complejas tanto en autos como en camiones. Los Tier 1 y los OEM’s están buscando SCM de baja densidad. Por ello, el instituto ha utilizado diferentes rellenos y con diferentes sistemas de resinas como los epóxitos y el poliuretano. Y BMW es una de las empresas que ya ha probado esta opción.

"BMW lo utiliza en sus series para hacer el marco de la carrocería, es un moldeo de transferencia de resinas y para poder hacer una pieza con este proceso, existen dos procesos que son necesarios, la primera sección va a crear una preforma tridimensional y la segunda sección va a infiltrar esta preforma tridimensional con un tipo específico de resina", detalló Vanja Ugresic en su ponencia.

Con este proceso se puede usar una tela, se corta, se coloca un aglutinante y se ponen capas de tela hasta conseguir un apilado, éste se pone dentro de la preforma y entonces se crea una estructura tridimensional, luego ésta se mete al molde de compresión y ahí se infiltra con el producto epóxito y el poliuretano.

“Esta tecnología ya es vieja cuando se trata de transferencia, pero lo que estamos haciendo es una alta presión, entonces se tardan unos 21 minutos porque no hay alta presión y los sistemas de materiales no actúan demasiado rápido, ahora con el epóxito se puede hacer en 1,5 minutos”, señaló.

Este equipo aunque es más reciente ya está disponible, en Estados Unidos hay dos, incluso, una compañía de México lo compró en febrero pasado para utilizarlo. Todavía hay algunos retos en el uso de esta tecnología, como la deformación de las fibras en la preforma, por deslizamiento, ondulación, arrugas, que pueden afectar la pieza.

La solución mediante este proceso es compensar esos efectos realizando la preforma secuencial, lo que significa que no se van a tomar dos mitades y nada más cerrar el molde sobre las telas, sino que se divide en dos secciones, una se va a dividir en partes pequeñas para iniciar el preformado de cada sección por separado: “Podemos comenzar en la parte de en medio y después en las orillas para tratar de quitar las arrugas, no nada más es cerrar una sola vez sino cerrar en partes específicas del molde y esto es algo nuevo, y esto ayuda a mantener las fibras como las queremos tener”, dijo.

Las opciones para procesar composites para altos volúmenes de producción son diversas, a decir de Vanja Ugresic, por lo que consideró sumamente importante tomar en cuenta el aspecto multimaterial, ya que no se va a reemplazar un metal por un composite uno a uno, sino que se debe ver el vehículo como una estructura y considerar el cambio de una pieza en relación a todo el automóvil.

Por ahora, comentó, tenemos claro que existen tecnologías confiables y consistentes que son económicamente viables y que pueden producirse altos volúmenes, sin embargo, el reto es convencer a los diseñadores, que hasta ahora han utilizado metal con sus propiedades isotrópicas, sobre el uso de materiales anisotrópicos.

“Aún faltan materiales que se puedan utilizar eficazmente para simulación, tenemos que tener un aseguramiento de calidad y muchas veces los costos de materiales son muy altos sobre todo cuando hablamos de fibras de carbón y es muy importante la optimización”, concluyó.

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