Perdre pes estalvia energia

Els automòbils tenen molt de pes. Actualment, un cotxe de gamma mitjana pesa entre 1,2 i 1,5 tones mètriques. Això es deu al fet que alguns mecanismes moderns com els coixins de seguretat, els sistemes antibloqueig de frens, els sistemes d'ajuda a l'aparcament, els alçavidres elèctrics, l'aire condicionat i la direcció assistida no només augmenten la seguretat i el confort, sinó que s'afegeixen considerablement més pes. No obstant això, un turisme convencional dels anys 70 pesava entre 700 i 900 quilograms.

Com més pesa un cotxe, més combustible consumeix i més diòxid de carboni emet a l'atmosfera, per tant, una ruta d'aprimament seria beneficiosa tant per als conductors com per al medi ambient. Llevant-li 100 quilograms a un cotxe el consum de combustible disminueix entre 0,3 i 0,6 litres per cada 100 quilòmetres, en funció del tipus de vehicle i del tipus de conducció, ia més les emissions de diòxid de carboni es redueixen entre set i doce grams per quilòmetre. També té altres avantatges: els cotxes més lleugers acceleren millor i ofereixen major estabilitat de gir.

"En temps en què els recursos van minvant i la preocupació pel medi ambient és cada vegada més gran, la construcció lleugera és una de les tecnologies més importants per al futur de la fabricació d'avions i automòbils i de l'enginyeria mecànica", subratlla el Prof Dr-Ing. Holger Hanselka, portaveu de la recentment creada Aliança Fraunhofer sobre Construcció Lleugera en què 14 instituts posen la seva experiència en comú (vegeu el quadre). "La construcció lleugera significa reduir el pes d'un component alhora que es mantenen la seva rigidesa, estabilitat dinàmica i resistència adequades. Segons explica Hanselka, d'aquesta manera es garanteix que els components i estructures desenvolupats compleixin amb la seva tasca eficaçment durant tota la seva vida útil. A més, s'utilitza el material adequat al lloc adequat, fet que s'aconsegueix dissenyant materials híbrids. "L'objectiu de l'aliança és, per tant, cobrir tota la cadena de desenvolupament, des del desenvolupament de materials i productes fins a la producció en sèrie de components i sistemes per a l'homologació i el desplegament dels productes".

Aliança Fraunhofer sobre Construcció Lleugera

Catorze instituts han unit les seves forces en l'Aliança Fraunhofer sobre Construcció Lleugera ( www.allianz-leichtbau.fraunhofer.de ). Els investigadors estan treballant en nous materials i compostos, tècniques de producció i unió, integració de funcions, enginyeria de disseny i mètodes d'assaig no destructius i destructius per a la seva aplicació en la construcció lleugera.

Els membres de l'Aliança són els instituts Fraunhofer de:

- Dinàmica d'Alta Velocitat, Institut Erns Mach, EMI, Friburg

- Tecnologia Química, ICT, Pfinztal

- Tecnologia Làser, ILT, Aquisgrà

- Enginyeria de Fabricació i Estudis Aplicats de Materials, IFAM, Bremen

- Investigació de Silicats, ISC, Würzburg

- Matemàtiques Industrials, ITWM, Kaiserslautern

- Mecànica de Materials, IWM, Friburg, Halle

- Material i Tècnica de Fes, IWS, Dresden

- Màquina-Eina i Tecnologia de Formació, IWU, Chemnitz

- Sistemes per al Transport i les Infraestructures, IVI, Dresden

- Assajos no destructius, IZFP, Saarbrücken

- Durabilitat Estructural, LBF, Darmstadt

- Tecnologia Mediambiental, de Seguretat i Energètica, UMSICHT, Oberhausen

- Circuits Integrats, IIS, Erlangen

Els materials amb una lleugeresa òptima contribueixen a reduir el pes i en els darrers anys, els fabricants de cotxes s'han centrat principalment en la construcció lleugera de l'alumini. Mentre que l'any 2000 un automòbil contenia més o menys 100 quilograms d'aquest material, avui dia aquesta quantitat és de 140 quilograms. El magnesi pesa fins i tot menys que l'alumini però malauradament té nombroses desavantatges. Encara que és lleuger, només pot suportar càrregues baixes ia més s'oxida extremadament ràpid, el que redueix el seu potencial d'ús. Els compostos plàstics de fibra (FCP) són especialment lleugers i també molt estables. Es fabriquen integrant en una matriu de plàstic fibres de vidre, de carboni o d'altres materials. Depenent dels requisits, les fibres poden col·locar una sobre l'altra formant diverses capes amb diferents alineacions, permetent així que les propietats dels components s'ajustin òptimament a l'aplicació específica.

Els plàstics reforçats amb fibra de carboni (CFRP) tenen un gran potencial per a la construcció lleugera. Són un 60 per cent més lleugers que l'acer i al voltant d'un 30 per cent més lleugers que l'alumini. Altres dels seus avantatges són que no s'oxiden i poden utilitzar-se en estructures propenses a xocs. En l'actualitat els plàstics reforçats amb fibra estan molt consolidats en la fabricació d'avions i en l'Airbus A380, per exemple, suposen el 20 per cent del pes estructural. Boeing està construint la primera aeronau de gran capacitat utilitzant en gran mesura plàstic reforçat amb fibra. Gràcies a la construcció lleugera, el 787-també anomenat 'Dreamliner'-pesarà aproximadament un 20 per cent menys que altres aeronaus convencionals similars. El fuselatge del nou Airbus A350 XWB estarà també fabricat en gran part en plàstic reforçat amb fibra de carboni.

A la Fórmula 1 utilitzen CFRP des de fa anys. A més del motor, els suports de les rodes i la transmissió, els cotxes de carreres estan fabricats gairebé exclusivament amb fibra de carboni. En total s'utilitzen fins a 20 tipus diferents de teixits de fibra de carboni. Ara també els cascos dels pilots es fabriquen en CFRP, un dels quals va salvar la vida a Felipe Massa l'any passat quan un moll d'acer de 800 grams li va pegar al cap durant la sessió de classificació del Gran Premi d'Hongria. El casc que pesava només 1,3 quilograms esmorteir molt bé l'impacte.

En el futur l'ús del CFRP augmentarà en els cotxes fabricats en sèrie. Mercedes-Benz fa uns quants anys utilitzant aquest material lleuger en el seu esportiu SLR McLaren d'alt rendiment: a més de l'estructura frontal que és d'alumini, tota la carrosseria està fabricada en aquest material. No fa gaire, Daimler i Toray Industries, Inc signar un contracte per desenvolupar conjuntament components lleugers per a automoció fabricats en plàstics reforçats amb fibra de carboni. També BMW s'està passant al carboni. El fabricant d'automòbils de Munic està construint una nova planta de carboni als Estats Units en cooperació amb l'especialista en fibra de carboni SGL, una companyia de Wiesbaden. Els components que es produeixin allí s'utilitzaran tant en els vehicles elèctrics com en els convencionals. Lamborghini porta utilitzant CFRP des de 1980. En el seu esportiu Gallardo l'aleró posterior, els para-xocs i les peces dels baixos són d'aquest material lleuger. El fabricant italià d'automòbils esportius dóna suport conjuntament amb Boeing les investigacions universitàries sobre estructures de carboni patrocinant una càtedra. Però no només els fabricants de cotxes i aeronaus utilitzen cada vegada més els CFRP, ja que aquests materials innovadors també s'empren en la indústria d'enginyeria mecànica. Trumpf, per exemple, utilitza fibra de carboni en algunes de les seves màquines eina i Voith Paper fabrica rotlles d'alta qualitat en CFRP.

No obstant això, encara hi ha una gran necessitat de recerca i desenvolupament perquè els CFRP es fabriquen i processen de forma totalment diferent als metalls. Els materials es teixeixen, s'adhereixen i s'endureixen. El seu principal avantatge és que fins i tot els components més complexos poden fabricar-se en una peça. Per tal d'aprofitar l'enorme potencial que ofereix la construcció lleugera dels compostos de fibra, científics investigadors de Fraunhofer estan treballant en conceptes com el disseny de configuracions adequades per fibres i tèxtils, mètodes de construcció innovadors, nous conceptes estructurals i materials i tecnologies de producció que proporcionen un alt grau d'automatització en la fabricació en grans sèries.

"En les indústries d'enginyeria mecànica i automobilística s'aconseguirà produir en sèrie components compostos de fibra només quan aquests materials d'alta tecnologia puguin fabricar més barat", destaca el professor Dr Frank Henning. El director adjunt de l'Institut Fraunhofer de Tecnologia Química (ICT) dirigeix el clúster d'innovació de Tecnologies per a la Construcció Lleugera Híbrida ubicat a Karlsruhe, a més del grup de projecte Fraunhofer Construcció Lleugera de Funció Integrada en Ausburgo.

El ICT està duent a terme treballs sobre tecnologies de producció per enfortir la producció local de termoplàstics reforçats amb fibra llarga (LFT) utilitzant fibres contínues. Amb aquest procés és possible produir a baix cost components de funció integrada. Però, podran suportar els components que es fabriquin seguint aquest procés les tensions i càrregues que es produeixen en un vehicle motoritzat? La resposta és un sí rotund. En cooperació amb els socis de la indústria, científics investigadors de l'ICT han fabricat un suport de conjunt frontal utilitzant tecnologia LFT a mida. Aquest component ocult sosté els fars, el sistema de bloqueig del capó i el carenat del ventilador i encara que no porta cap metall, compleix amb els requisits marcats per les especificacions per a un xoc a 64 km / h.

Científics de Frauhofer immersos en el projecte Frauhofer Wisa Alta Resistència examinar si els materials compostos de fibra són adequats per a components que suporten una tensió extrema i siguin importants per a la seguretat com, per exemple, les llantes dels cotxes. Fabricar llantes de material compost per làmines modelades (SMS). Els SMC són estructures de plàstic reforçat amb fibra de carboni que es fabriquen mitjançant compressió. Les proves i càlculs realitzats van mostrar que els plàstics reforçats amb fibra són molt tolerants als danys i clarament superiors a les rodes d'alumini.

"El desenvolupament i la integració de materials lleugers no és tasca fàcil, per a això cal harmonitzar els materials d'alt rendiment amb les tecnologies innovadores d'unió i de producció", indica el professor Henning subratllant els reptes. En el clúster d'innovació KITE hyLITE, Tecnologies per a la Construcció Lleugera Híbrida, tres instituts Fraunhofer (ICT, IWM i LBF) estan cooperant amb socis de la indústria, la Universitat de Karlsruhe i el Centre de Competència per a la Construcció Lleugera de Vehicles amb l'objectiu d'analitzar nous materials, determinar les combinacions de material necessàries i desenvolupar prototips. Estan treballant en tècniques de càlcul adequades per predir el comportament dels components i optimitzar els processos de fabricació. Basant-se en resultats experimentals, els científics han creat un modelat numèric i estan desenvolupant conceptes per a assajos que s'adapten de forma excel·lent.

Els materials sandvitx ofereixen un potencial òptim per a la construcció lleugera en estructures de gran superfície que tendeixen a deformar-se. Estan compostos de capes exteriors extremadament rígides i forts que estan separades per un nucli lleuger. Dins d'aquest projecte conjunt, científics investigadors del Fraunhofer IWM a Halle estan desenvolupant estructures sandvitx d'alt rendiment amb unes capes exteriors en CFRP i un nucli de suport fabricat en escuma de polímer per al seu ús en estructures primàries que suporten molta tensió i siguin importants per la seguretat en les aeronaus. Els investigadors estan treballant en nous conceptes per a assajos per tal de verificar com toleren els danys aquestes estructures i utilitzen mètodes especials de càlcul amb els que analitzen la capacitat dels components per suportar les càrregues mecàniques i tèrmiques alternes que es produeixen en les aeronaus.

Pel que fa a les aplicacions en l'espai, cada quilogram de menys en el pes estructural és extremadament important. Els materials utilitzats per als sistemes de propulsió s'exposen a temperatures superiors a 2000 ° C i és aquí on les propietats especials dels materials compostos de fibra lleugera amb una matriu ceràmica (compostos de matriu ceràmica, CMC) demostren realment el que valen. A aquestes temperatures extremes mostren fins i tot una resistència més alta que a temperatura ambient ia més són resistents a la corrosió i tolerants als danys. Científics investigadors en el IWM són capaços de provar les propietats d'aquests materials a 2000 ° C i calculen amb exactitud quina és la disposició òptima de les fibres de reforç i el seu comportament durant el servei. També es tenen en compte els defectes microestructurals en el material, ja que són un factor clau a l'hora d'aconseguir un bon nivell de tolerància als danys. A més, els mètodes utilitzats serveixen per millorar altres aplicacions com els discos de fre de ceràmica en els automòbils.

Investigadors a l'Institut Fraunhofer de Durabilitat Estructural i Fiabilitat de Sistemes (LBF) proven si els materials de construcció lleugera són capaços de suportar càrregues dinàmiques alternes durant el servei i com haurien de dimensionar aquests materials. A més, desenvolupen conceptes de disseny adaptats als nous materials i sistemes de monitorització de salut estructural (p. ex., Per les ales dels avions) i examinen com d'assegurances són els materials i si el seu funcionament és correcte. "Només mitjançant conceptes de disseny adequats serà possible produir nous tipus d'estructures lleugeres que ofereixin, entre altres, un alt grau d'integració funcional, per exemple, utilitzant filosofies de disseny basades en la biònica", explica el Professor Andreas Butera, cap del Centre de Competència per Estructures Lleugeres al LBF.

Lleugers, estables i resistents a la corrosió, els plàstics reforçats amb fibra són el material ideal per a avions, automòbils i turbines eòliques, però compten amb un desavantatge: és complicat i costós processar i gran part del treball és encara manual. En l'actualitat, científics de Fraunhofer estan treballant per automatitzar la seva producció. Per exemple, enginyers a l'Institut Fraunhofer de Tecnologia de Producció (IPT) han desenvolupat un nou procés mitjançant el qual és possible fabricar d'una manera totalment automàtic plàstics reforçats amb fibra. En aquesta tècnica d'estesa de cintes dels ingredients cauen d'un rotllo. Les fibres de plàstic s'integren en cintes de plàstic d'un quilòmetre de llarg i fabricades en material termoplàstic fundible. Les cintes s'amunteguen una damunt de l'altra en diverses capes, es fonen per làser poc abans de ser esteses i després es comprimeixen formant una estructura compacta. Això produeix components estables.

Per unir entre si components fabricats en materials compostos de fibra es necessiten tècniques d'unió optimitzades alhora que econòmiques, de tal manera que puguin suportar altes càrregues i complir els requisits marcats per l'aplicació específica. Experts en tecnologia d'adherència de l'Institut Fraunhofer d'Enginyeria de Fabricació i Estudis Aplicats de Materials (IFAM) estan treballant. En l'actualitat, normalment els materials FCP s'uneixen un cop activada la superfície amb adhesius en pel·lícula o adhesius d'enduriment en calent. Després les unions s'endureixen per pressió i calor a les autoclaus. Només hi ha un problema: la mida de les autoclaus és limitat, les ales dels avions no hi caben. Per això, investigadors en l'IFAM estan desenvolupant adhesius que s'endureixen a temperatures més baixes.

Les aeronaus, en particular, suposen un repte extremadament complicat per a la tecnologia d'adherència. En Stade, ciutat situada entre Hamburg i Bremen, s'ha creat un nou centre de recerca, CFRP North, dins de la xarxa de competències de CFRP Valley Stade. Aquí es desenvoluparan mètodes de construcció i de producció automatitzada orientats al futur, així com processos d'acoblament, tot això per a un mercat en creixement com és el dels plàstics reforçats amb fibra de carboni. El IFAM dóna suport a la xarxa de competències mitjançant el recentment creat Grup de Projecte Fraunhofer per Unió i Assemblatge (FFM), i està treballant conjuntament amb la indústria per tal de desenvolupar tècniques d'acoblament per a components CFRP a una escala de 1:1, incloent els segments del fuselatge per a aeronaus de gran capacitat. El treball se centra principalment en els processos de tall i unió ràpida adequats per al plàstic reforçat amb fibra de carboni.

Els components compostos de fibra poden adherir entre si utilitzant làsers. A la fira de compostos JEC Composites Show (París, edició 2010), científics de l'Institut Fraunhofer de Tecnologia Làser (ILT) van presentar aquesta nova tècnica d'unió per a plàstics reforçats amb fibra de carboni o de vidre. Una llum infraroja emesa per làser fon la superfície de les peces de plàstic, després els components es comprimeixen per aconseguir una adherència extremadament estable. Haurà de passar algun temps abans que aquests materials compostos de fibra puguin utilitzar a gran escala en la fabricació de cotxes. Fins aleshores els fabricants d'automòbils servir una barreja intel ligent de materials amb l'objectiu d'estalviar pes.

Dins del projecte SuperLightCar ( www.superlightcar.com ) de l'EU, la indústria i el sector de la recerca van desenvolupar una carrosseria un terç, o aproximadament 180 quilograms, més lleugera que les convencionals. La clau va ser comptar amb un enfocament específic: els científics van seleccionar per a cada un dels components el material amb el que s'estalviaria més pes ia més suportessin les càrregues requerides. El resultat, una carrosseria d'acer, alumini i magnesi i uns materials compostos de fibra.

Lotus Engineering aplica una estratègia similar. La primavera passada la companyia va presentar un estudi sobre construcció lleugera. Utilitzant l'exemple del Toyota Venza, els enginyers van mostrar com el pes d'un cotxe pot reduir fins a un 38 per cent. La carrosseria d'aquest vehicle està fabricada en alumini (37%), magnesi (30%), materials compostos (21%) i acer d'alta resistència (7%). La porta del maleter, les portes i els para-xocs també són de diversos materials de construcció lleugera. Això suposa una reducció addicional del 23 per cent en el consum de combustible.

Aquesta barreja de materials només és possible gràcies a l'ús intel ligent de la moderna tecnologia d'adherència desenvolupada pel IFAM. Permet combinacions de material impossibles la fins ara, com les unions de vidre i acer, alumini i magnesi, o materials compostos per fibra amb metall. A més, l'adhesiu permet integrar funcions addicionals, per exemple, l'amortiment de les vibracions, l'aïllament elèctric i la protecció contra la corrosió. La flexibilitat d'ús d'aquesta tecnologia d'unió permet no només excel·lents combinacions amb tècniques d'unió mecàniques com la reblada, l'empernado i la soldadura per punts, sinó que a més incrementa la rigidesa dels vehicles. Per exemple, combinant la soldadura per punts i l'adherència es redueix la deformació residual del pilar B en més d'un 25 per cent en cas d'una col·lisió lateral en comparació amb les mostres de referència soldades per punts. La naturalesa és sàvia pel que fa a construcció lleugera. En dissenyar components, molts enginyers es guien per l'estructura dels ossos. Les escumes metàl·liques utilitzades en la fabricació de components lleugers i estables tenen unes estructures similars a les òssies. El IFAM és pioner en el desenvolupament de metalls esponjosos. Molts grups d'investigadors, entre els quals s'inclouen l'Institut Fraunhofer de Màquina-Eina i Tecnologia de Formació (Iwu), estan treballant en aquests materials aeris.

Els nous materials, les tècniques d'unió i els conceptes de construcció lleugera tindran èxit només si són segurs i fiables. Han de ser capaços de suportar les càrregues i tensions dia sí i dia també durant dècades. Actualment, l'estat dels automòbils, els avions i les turbines eòliques s'examina mitjançant assaigs periòdics no destructius. Investigadors de Fraunhofer estan treballant en mètodes de monitorització de salut estructural que poden emprar-se per comprovar l'estat dels components durant el seu funcionament. La fabricació d'automòbils i d'avions, l'enginyeria mecànica i la construcció de maquinària són sectors importants de la indústria i creen molts llocs de treball a Alemanya. L'ús de nous materials de construcció lleugera pot ajudar a enfortir la posició que les companyies alemanyes tenen a nivell internacional.