Materiales plásticos: La apuesta constante de la industria automotriz

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Las principales motivaciones de los departamentos de investigación y desarrollo en la industria automotriz han permanecido intactas durante los últimos años: reducción del peso, disminución del consumo de combustible y aminoración de las emisiones nocivas al medio ambiente. En todos los casos, se trata de garantizar la mayor eficiencia del automóvil. En tal contexto, la integración de los materiales plásticos en la fabricación de automóviles ha sido un común denominador de las innovaciones en la industria automotriz. Es por ello que las novedades en materiales plásticos con aplicación automotriz no cesan y el desarrollo de nuevas formulaciones con base polimérica busca aumentar el desempeño de autopartes que ya se fabrican en plástico o introducir una matriz polimérica en una pieza que tradicionalmente es producida con otro tipo de materiales. Un buen ejemplo de lo anterior es Röchling Automotive, una compañía con sede en Mannheim (Alemania), y especializada en plásticos con aplicación automotriz, que ha trabajado arduamente en encontrar soluciones innovadoras a algunos temas claves en la industria tales como la reducción de la carga aerodinámica, del consumo de combustible o de las emisiones al medio ambiente. Röchling ha desarrollado una nueva serie de termoplásticos reforzados que exhiben alta resistencia mecánica y, particularmente, una baja densidad. Estos compuestos con peso reducido mejoran la aerodinámica de la autoparte y optimiza la gestión energética del vehículo.


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La compañía alemana ha desarrollado, por ejemplo, una grilla frontal de ventilación dinámica, controlada por una nueva serie de actuadores y que, en la posición cerrada, aseguran la menor carga aerodinámica. El sistema garantiza una gestión energética optimizada y, por lo tanto, mayor eficiencia en el consumo de combustible. En otros casos de aplicación, las autopartes plásticas de Röchling han significado una ganancia de espacio y una reducción del peso para los constructores. Entre ellos se destacan un colector de admisión con enfriador de aire incluido, así como un tubo flexible de conexión al enfriador de aire. Este último fue galardonado con el más reciente premio a la innovación SPE en la categoría de tren de potencia. La compañía también propone soluciones avanzadas de tanques integrados a los sistemas de reducción catalítica selectiva (SCR, por sus siglas en inglés) que presentan un alto nivel de flexibilidad y pueden ser adaptados a las diversas condiciones de espacio del modelo en cuestión. Así mismo, la empresa ha investigado la integración de matrices poliméricas renovables y, de esta forma, ha desarrollado Plantura, una familia de biopolímeros que pueden ser utilizados en la producción de carcasas para filtros de aire o paneles interiores. Con otra de sus líneas de matrices renovables, Stratura, se explora la posible integración de la estructura, el tapete y el panel de carrocería inferior en un solo componente, combinando de esta forma una construcción económica y ligera con sendos beneficios térmicos y acústicos.

En términos de materiales con alto desempeño mecánico, Milliken ha desarrollado el agente de refuerzo Hyperform HPR-803i, que permitiría el diseño de autopartes 15% más ligeras sin comprometer las propiedades mecánicas de la pieza. Este refuerzo se añade en una proporción inferior con respecto a los rellenos minerales en los compuestos de polipropileno y de esta forma se obtiene una menor densidad del producto terminado. El agente se puede utilizar solo o en mezcla con talco, lo que permite a los fabricantes de automóviles alcanzar sus objetivos de reducción de peso y construir vehículos con menores consumos de combustibles. Los compuestos Hyperform HPR-803i son aptos para las operaciones de moldeo por inyección, diseñados originalmente para compuestos reforzados con talco, lo que simplifica los requerimientos técnicos y los costos de implementación. Adicionalmente, los compuestos de polipropileno reforzados con Hyperform HPR-803i no pierden sus propiedades mecánicas aún después de múltiples operaciones de reciclado. Por otra parte, el nuevo agente de refuerzo mejora el acabado superficial de la autoparte y facilita las operaciones de coloración. Por ejemplo, la utilización de HPR803i permite una reducción de la densidad de hasta un 8% al remplazar una formulación de 20% en talco por una combinación de 8% talco y 3.5% de HPR803i.

En la carrera por encontrar soluciones industriales para la manufactura de celdas de combustible los materiales plásticos juegan un papel esencial. En tal contexto, Celenase ha desarrollado un tanque de almacenamiento 100% fabricado con compuestos termoplásticos para uso en celdas de combustible automotrices. La puesta a punto de este tanque ha sido el fruto de sendas innovaciones técnicas en el campo de materiales con aplicaciones en sistemas avanzados de combustible. Celenase, en conjunto con EPL Composite Solutions, ha desarrollado un tanque de presión monolítico tipo IV a partir de compuestos termoplásticos para el almacenamiento de hidrogeno en automóviles. Entre las innovaciones técnicas de esta colaboración se destacan el diseño del tanque y el desarrollo de un nuevo proceso de transformación de los compuestos termoplásticos para la fabricación del cilindro de almacenamiento. Por otra parte, Celenase también ofrece un extenso portafolio de polímeros de ingeniería con un amplio espectro de propiedades que garantizan un excelente desempeño mecánico, alta resistencia térmica y química, así como una elevada estabilidad dimensional, requisitos típicos en la fabricación de sistemas de transmisión de potencia a combustible o híbridos. Entre estos polímeros de ingeniería se destacan, por ejemplo, la línea de PTX POM Hostaform, una nueva gama de copolímeros de acetato (POM) flexible y de alto impacto con aplicación en tuberías de conexión en sistemas de almacenamiento combustible, ofreciendo una alta tenacidad y resiliencia a -40°C, resistencia química, bajos niveles de absorción de humedad y una elevada estabilidad dimensional. Esta resina de ingeniería se puede transformar en moldeo por extrusión o por inyección y exhibe propiedades mecánicas similares al PA11-P o PA12-P. Por otra parte, la línea de PPS flexible Fortron, es una nueva generación de polisulfuro de fenileno (PPS) flexible que exhibe buen desempeño mecánico hasta 135°C, alta resiliencia y tenacidad a -40°C, resistencia química frente a la salmuera y los fluidos automotrices, así como bajos niveles de permeabilidad y de contaminación relacionada con plastificantes. Adicionalmente, la línea Fortron es compatible con las tecnologías de procesamiento y de transformación existentes. En particular, Fortron ICE 717F ha sido desarrollado para ser empleado frente a combustibles químicamente agresivos y diseñado para resistir las temperaturas de operación de los motores diésel y para garantizar una mayor eficiencia de las bombas-motor gracias a su mayor estabilidad dimensional.

En otro campo de los materiales plásticos con aplicación automotriz, la compañía Teknor Apex ha agregado una nueva línea a su familia de elastómeros termoplásticos Sarlink, extendiendo el rango de alternativas materiales (económicas y de alto desempeño) disponibles para la fabricación de sistemas de sellado y otros componentes para la industria automotriz. La nueva línea de compuestos (TPE-S) son mezclas a base de copolímeros de estireno en bloque (SBC). El proceso de polimerización para producir SBC permite un control muy preciso sobre la estructura del polímero y permite obtener un alto rendimiento de reacción como resultado de una estrecha distribución de peso molecular. Por otra parte, las propiedades de los compuestos TPE-S se pueden modificar al ajustar la formulación del compuesto final.Esta nueva línea de elastómeros termoplásticos ofrece propiedades similares o mejoradas en comparación con los vulcanizados termoplásticos (TVP, por sus siglas en inglés). A pesar que los compuestos TPV son ampliamente utilizados en la industria automotriz, los compuestos TPE-S no son afectados por las variaciones en el precio del caucho EPDM, un ingrediente clave en la producción de los TPV. El interés en los compuestos TPE-S se ha intensificado, no solo debido a sus ventajas económicas frente a los TPV, sino también gracias a sus propiedades que los convierte en una alternativa práctica para los TPV. En general, los compuestos TPE-S exhiben una rigidez y una resistencia mecánica comparable con la de los TPV. Los primeros ofrecen partes con mejores acabados superficiales, una mayor estabilidad frente a la radiación UV y una ventana de operación más flexible en términos de procesamiento (moldeo por inyección). Además, los TPV están limitados en términos de coloración al negro o al natural, mientras que los compuestos TPE-S se pueden mezclar con una amplia gama de colorantes hechos a la medida. La temperatura de servicio de los TPE es de 100°C, un poco por debajo de la temperatura de servicio de los TPV. La línea Sarlink ofrece en el mercado 4 series de compuestos TPE-S para aplicaciones automotrices: 1) Compuestos de extrusión de alto desempeño (durezas entre 55 y 75 Shore A) para partes funcionales tales como sistemas de sellado, caracterizados por su elasticidad, resistencia química y estabilidad frente a la radiación UV. 2) Compuestos de extrusión de propósito general (durezas entre 40 Shore A y 50 Shore D) para partes no-funcionales tales como componentes de soporte semi-rígido en sistemas de sellado. 3) Compuestos para moldeo por inyección de alto desempeño (durezas entre 55 y 70 Shore A) diseñados para la encapsulación de ventanas y rebordes externos, estos compuestos presentan una amplia ventana de operación, exhiben un excelente acabado superficial y proporcionan una excelente estabilidad frente a las altas temperaturas y la radiación UV. 4) Compuestos para moldeo por inyección de propósito general (durezas entre 40 Shore A y 50 Shore D) para componentes internos y bajo el capó; esta serie se caracteriza por una amplia gama de condiciones de procesamiento y un bajo nivel de olor en comparación con otros TPE. Teknor Apex produce estos compuestos en Europa, América del Norte y Asia y está en capacidad de suministrar exactamente las mismas formulaciones en diferentes sitios de producción alrededor del mundo.

En términos de procesamiento, las compañías especializadas se han lanzado también a la conquista de nuevos nichos de mercado, tal como la fabricación de autopartes plásticas para las diversas soluciones en electro-movilidad.  En tal sentido, gracias al saber hacer de KraussMaffei, los automóviles eléctricos tales como el BMW i3 pueden potencializar al máximo sus ventajas de electro-movilidad. Las partes externas hechas de termoplástico y los componentes estructurales fabricados con plásticos reforzados con fibra son producidas en máquinas de moldeo por inyección y de transferencia de resina de la marca líder KraussMaffei. La gran promesa de las soluciones de electro-movilidad reposa en una mayor compatibilidad ambiental gracias al bajo consumo de combustible y la reducción de las emisiones. Sin embargo, dichas ventajas solo se pueden conseguir con la utilización de una unidad de transmisión alternativa en conexión con una batería eléctrica, generalmente muy pesada. El sobrepeso proveniente de la unidad de potencia tiene que ser compensado a través de la construcción aligerada del vehículo. Como primer proveedor de equipos de transformación y con la ayuda de un diseño adaptado de procesamiento, KraussMaffei se ha lanzado en el procesamiento industrial de plásticos reforzados con fibra de carbono. En tal contexto, la compañía ofrece una serie de máquinas de moldeo por inyección con tecnología de placas rotatorias y otras unidades de moldeo por transferencia de resina a alta presión (HP-RTM, por sus siglas en inglés). KraussMaffei ha equipado las plantas de BMW tanto con unidades de inyección como de transferencia de resina. Entre ellas se encuentras dos máquinas de inyección de doble placa giratoria que están completamente automatizadas con dos robots industriales.

Con un peso de 400 toneladas, cada MX 4000-17200/12000/750 WL mide 24 metros de largo, 9 metros de ancho y 7 metros de altura. Las carcasas externas del BMW i3 son producidas en la planta de Leipzig con dichas máquinas, que poseen una fuerza de cierre de 4000 toneladas. Adicionalmente, con la implementación del proceso de “ensamble durante el moldeo por inyección”, la puerta externa de la carcasa y la correspondiente subestructura son inyectadas en un solo paso, luego ensambladas durante la rotación de las placas y, finalmente, soldadas con la inyección de un tercer componente plástico. El proceso global garantiza adicionalmente una alta estabilidad dimensional. Por otra parte, además de los paneles laterales y el parachoques trasero, el capó del BMW i3 también es producido en una unidad de inyección KraussMaffei, en la que es quizás una de las máquinas más complejas que ha desarrollado la compañía.

Además de las tecnologías de moldeo por inyección y las soluciones de automatización, el segmento de maquinaría de proceso reactivo también está envuelto en la construcción del BMW i3. 20 máquinas de moldeo por transferencia de resina a alta presión (HP-RTM) permiten la fabricación de componentes estructurales como, por ejemplo, el marco de soporte lateral. El proceso de HP-RTM permite que las resinas de alta reactividad puedan ser procesadas en tiempos de ciclo cortos. El segmento de maquinaria de proceso reactivo de KraussMaffei trabaja continuamente en el mejoramiento de las tecnologías de dosificación y provee actualmente cabezales que posibilitan la adición de agentes internos de separación. Por otra parte, con el fin de producir en serie piezas epóxido reforzadas con fibra, la compañía ha aumentado la capacidad de las unidades de HP-RTM. Para ello, un cabezal mezclador de alta presión, de limpieza automática, inyecta la resina en la cavidad, saturando el entramado de fibras a una alta presión, bajo un riguroso control del programa térmico que garantice las mejores condiciones de reticulación de la resina termoestable. En comparación con los procesos de autoclave o de infusión al vacío, la ventaja de una producción automatizada se traduce en una drástica reducción de los tiempos de ciclo, pasando de 24 horas hasta tan solo algunos minutos dependiendo de la complejidad y el tamaño de la pieza. Por otra parte, el proceso de HP-RTM también es apto para el procesamiento de resinas de poliuretano, que son generalmente más baratas y pueden ser procesadas a menores temperaturas.

En términos de innovaciones de procesamiento, Röchling Automotive también ha desarrollado nuevos procesos de manufactura de autopartes, tales como Jectbonding, una combinación de moldeo por soplado y moldeo por inyección utilizado para fabricar tubos de conducción de aire de carga, y Sealbonding, un nuevo método de manufactura para ensamblar las carcasas de los colectores de admisión.

Finalmente, otro aspecto, de vital importancia en el aumento de la eficiencia energética de los automóviles, son las llantas. En tal sentido, la tendencia es muy clara hacia la producción de llantas de alta calidad que ayuden a los constructores a recortar el consumo de combustible ya reducirlas emisiones de CO2. Lanxess ha contribuido ampliamente en este segmento gracias al desempeño de sus diferentes líneas de caucho sintético, tales como el NdBR de fácil-procesamiento. Los expertos de Lanxess trabajan continuamente en sus diferentes grados de cauchos sintéticos teniendo como objetivo final una disminución significativa de la resistencia al rodamiento de las actuales generaciones de llantas. Las investigaciones buscan, adicionalmente, facilitar aún más la transformación de este tipo de materiales. En tal sentido, gracias a la macro-estructura modificada (cadena larga ramificada) de las líneas de polibutadieno de fácil procesamiento, dichos materiales se pueden mezclar y transformar por extrusión, manteniendo el mismo nivel de propiedades que los grados estándar de NdBRMooney, que comparativamente son más difíciles de procesar debido a su mayor peso molecular. Un factor decisivo en el desarrollo de esta nueva gama de NdBresla es la  caracterización detallada de la macro-estructura de las moléculas de caucho a través de técnicas complejas de reología. En otro campo, Lanxess ha desarrollado nuevos métodos para ajustar la viscosidad Mooney de los cauchos SSBR, independientemente de su peso molecular, así como para mejorar el desempeño de dichas formulaciones (enmallado de sílice funcionalizado) con respecto a la resistencia al rodamiento, la abrasión y el agarre en condiciones secas o húmedas. En términos de tecnología de procesamiento, la compañía ha desarrollado un nuevo sistema de control de calidad en línea (análisis de ultrasonido) de los procesos de extrusión de artículos en caucho negro.

Artículo proveniente de la revista impresa con el código Tp2902_automotriz.


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