Materiales plásticos: un vector de innovación en la industria automotriz

Un recuento de las innovaciones en materias primas que están revolucionando aplicaciones en la industria de fabricación de automóviles. Las ventajas de reducción de peso y flexibilidad en diseño prometen revolucionar sectores como el de autos eléctricos.

Desde sus inicios, la industria automotriz ha promovido el desarrollo y el avance en ciencia de materiales. Hoy en día, dicha premisa cobra vigencia especialmente en el caso de los materiales plásticos. En medio de una coyuntura económica y ambiental particularmente retadora, la industria plástica juega un papel fundamental para el desarrollo de la industria automotriz.

La reducción del peso y del consumo de combustible, así como la disminución de las emisiones nocivas al medio ambiente son las cartas que juegan a favor de las aplicaciones plásticas en comparación con otras familias de materiales. La integración de los materiales plásticos en las cadenas de producción de automóviles es hoy en día sinónimo de innovación y una garantía de eficiencia para el usuario final del automóvil. Las noticias sobre nuevos materiales plásticos con aplicación automotriz son una constante de la última década, en la que el 2015 no es una excepción. Para la muestra, he aquí algunos ejemplos de los más recientes avances de la industria plástica a la conquista de la industria de autopartes o de aplicación automotriz.

Polipropileno para absorber choques

En un caso exitoso de colaboración para introducir materiales plásticos en la industria automotriz, el productor de poliolefinas Borealis and Bourage en conjunto con el constructor automotriz BMW desarrollaron un parachoques frontal para el vehículo eléctrico BMW i8. En este caso, los requerimientos de material eran baja densidad y buena procesabilidad. En ese contexto, el material Daplen EE 1124E, en el mercado desde finales del 2014, cumplía fielmente con esas necesidades, especialmente en términos de procesabilidad, ya que la tasa de pérdidas de material se redujo considerablemente.

Se trata de un compuesto de polipropileno modificado (con un elastómero) reforzado con 12% de relleno mineral. Este material es apto para los sistemas de pintura primarios en la línea de ensamblaje y cumple con todos los criterios de adhesividad de la pintura definidos por BMW. Por otra parte, el buen balance de resistencia al impacto y rigidez exhibido por Daplen EE112AE permite el diseño de piezas con peso reducido. Un indicador de los negocios exitosos entre Borealis y la industria automotriz es la reciente expansión de la planta de producción en Itatiba, Brasil.

La compañía Milliken, por su parte, continúa el desarrollo de soluciones para el aligeramiento de las piezas automotrices fabricadas con polipropileno. Sus productos mejoran el desempeño mecánico de la pieza y facilitan un mejor acabado superficial. En términos de reducción de peso, Milliken provee el agente de refuerzo Hyperform HPR-803i. Se trata de un agente de refuerzo sintético (solo o en mezclas con talco) que permite la obtención de autopartes de polipropileno hasta 15% más ligeras, sin comprometer las propiedades mecánicas. Además de la reducción de la carga mineral en la autoparte, el refuerzo Hyperform HPR-803i asegura una baja densidad del compuesto de polipropileno, que mantiene sus propiedades mecánicas aún luego de sendas operaciones de reciclaje y remezcla. Adicionalmente, este agente de refuerzo requiere una menor carga de pigmentación y mejora considerablemente la resistencia al rayado de la pieza terminada.

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En otra línea de productos, los agentes de nucleación Hyperform HPN de Milliken facilitan la fabricación de autopartes delgadas de polipropileno con alta rigidez y buena estabilidad dimensional. De hecho, con la ayuda de estos agentes de nucleación, Milliken desarrolló un parachoques de polipropileno que exhibe un excelente balance de propiedades mecánicas (rigidez y resistencia al impacto) dentro de un amplio rango de temperaturas.

En otra línea de productos, los agentes de nucleación Hyperform HPN de Milliken facilitan la fabricación de autopartes delgadas de polipropileno con alta rigidez y buena estabilidad dimensional. De hecho, con la ayuda de estos agentes de nucleación, Milliken desarrolló un parachoques de polipropileno que exhibe un excelente balance de propiedades mecánicas (rigidez y resistencia al impacto) dentro de un amplio rango de temperaturas.

Reemplazando vidrio por policarbonato

En el marco de un proyecto alemán para el desarrollo de un carro eléctrico conceptual, Sabic ha contribuido con la fabricación de las ventanas con base en su línea de policarbonatos Lexan y su amplia gama de tecnologías de recubrimiento. Gracias a esta aplicación plástica, el peso del vehículo se redujo considerablemente y permitió alcanzar importantes ganancias en términos de eficiencia energética. En comparación con soluciones tradicionales en vidrio, el peso del vehículo se redujo en 13 kg y la autonomía de manejo se extendió hasta en 2 kilómetros. Por otra parte, gracias a las propiedades de aislamiento térmico del policarbonato, los sistemas de calefacción y aire acondicionado requieren menos energía para funcionar y permitieron una extensión adicional de la autonomía de manejo de hasta 15 km. Adicionalmente, dado el menor peso de las ventanas, el centro de gravedad del vehículo es más bajo, lo que aumenta la maniobrabilidad y mejora considerablemente la seguridad.

En términos de seguridad, las ventanas de policarbonato Lexan exhiben una resistencia al impacto 100 veces superior al vidrio tradicional. El vehículo eléctrico conceptual, llamado Visio.M, tiene un motor eléctrico de 15 kW y un peso de 450 kg sin batería, lo que permite que el vehículo cumpla con los estándares de la categoría europea L7e. El auto está dotado con ventanas laterales movibles, ventanas de cuarto traseras y una ventana trasera fabricadas con resinas Lexan y diversos recubrimientos que permiten cumplir con las regulaciones europeas.

Las ventanas movibles están recubiertas con Exatec E900, un recubrimiento tipo plasma que garantiza alta resistencia a la abrasión y las condiciones meteorológicas adversas, lo que garantiza visibilidad para el conductor. El parabrisas del Visio.M también está fabricado con resinas Lexan, previendo un viraje potencial de la legislación europea que permita el uso de policarbonato en este tipo de ventana para automóviles. Es claro que la reducción de peso conseguida con la fabricación de ventanas en policarbonato influye considerablemente en los costos de producción y en el precio de venta de los vehículos eléctricos. De hecho, los ahorros energéticos repercuten directamente en el diseño de las baterías, que son actualmente la parte más costosa en un vehículo eléctrico.

El diseño actual de las ventanas de policarbonato se restringió para facilitar una comparación con las ventanas clásicas de vidrio. Según Sabic, si las ventanas se hubiesen diseñado exclusivamente con base en el material, las ventajas energéticas serían aún más importantes. Esto se debe a que el policarbonato ofrece mayor versatilidad de diseño comparado con el vidrio, permite mayores curvaturas, decorados tridimensionales y formas con mejor aerodinámica que pueden reducir el arrastre. La libertad de diseño con policarbonato también ofrece mayores posibilidades de integración y consolidación con otros componentes tradicionales tales como pilares, espejos, cámaras, faros traseros y spoilers.

Reemplazando aplicaciones metálicas

Los proyectos de remplazo de piezas metálicas por componentes plásticos siguen siendo una fuente de inspiración para los equipos de investigación y desarrollo en la industria automotriz. PolyOne aparece en ese escenario como una compañía líder y muestra de ello son los sendos reconocimientos que ha recibido por la Sociedad de Ingenieros Plásticos (SPE, por su sigla en inglés).

En particular, PolyOne fue premiada en la categoría de Innovaciones de reducción de peso, en conjunto con el proveedor de autopartes Ayfar Otomotiv, al remplazar piezas metálicas en la iluminación delantera de vehículos todo terreno. Por otro lado, PolyOne también fue reconocida en la categoría de Plásticos y Electrónicos al reemplazar piezas metálicas en la arquitectura de un sistema de iluminación tipo LED, producido por el especialista finlandés de iluminación Kruunutekniikka. El éxito de dichos proyectos de remplazo de piezas metálicas se basan en polímeros de alta especialidad con propiedades mejoradas de conductividad térmica, aislamiento o conductividad eléctrica.

En respuesta a retos técnicos cada vez más exigentes, poco a poco, los compuestos reforzados con fibra de carbono comienzan a tener más resonancia en la industria automotriz. De hecho, según Lux Research, las fibras de carbono serán el principal refuerzo de los materiales utilizados en la industria automotriz para el año 2025. Para sorpresa de algunos, la implementación de soluciones con base en compuestos de fibra de carbono en la industria automotriz ha sobrepasado las expectativas y, por tal razón, las nuevas predicciones posicionan las fibras de carbono como una de las principales materias primas en la fabricación de autopartes a mediano plazo.

Según las estimaciones más recientes, el mercado de fabricación de autopartes con compuestos resina/fibra de carbono alcanzará los 6 billones de dólares en el 2020, casi el doble de la anterior predicción dada por Lux Research. Esta cifra podría, de hecho, ser mayor si el costo de los compuestos reforzados con fibra de carbono llega a ser abordable en la producción de automóviles de serie. Por otra parte, las tendencias actuales en urbanización, conectividad y automatización sugieren un espectro más amplio de implementación para los compuestos de fibra de carbono.

Los altos costos son la principal limitación para la integración de los compuestos de fibra de carbono, que por el momento han restringido su implementación en mercados poco sensibles a los precios, tales como el aeroespacial y el de equipamientos deportivos. Una muestra del ímpetu de las fibras de carbono en la industria automotriz es que las colaboraciones directas entre fabricantes de automóviles / proveedores de autopartes y los principales actores del mercado de fibra de carbono se duplicó desde el 2012. Por ejemplo, la colaboración entre Toray, Plasan Carbon Composites y Magna, que se consolidó recientemente, se perfila como uno de los principales referentes del mercado. Según Lux Research, es de esperar que a mediados del 2020 se presente una adopción masiva de los compuestos reforzados con fibra de carbono en la industria automotriz, gracias a la gran cantidad de patentes que se registraron sobre el tema a finales de la última década.

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Artí­culo proveniente de la revista impresa con el código TP3004-automotriz.