El trabajo en equipo reduce el tiempo de desarrollo

Las escamas de aluminio mejoran el aspecto de las cubiertas de motores

Ingeniero Michael Flehinghaus, responsable autorizado de la empresa y director de tecnología de aplicaciones,
Michael Schäufele
, director de cuentas clave – Automotriz de Albis Plastic GmbH, Hamburgo,
Albert Fendt
, responsable autorizado de la empresa y director de cuentas clave, Faist Automotive GmbH, Krumbach
Reiner Schmid, ingeniero de desarrollo de componentes de plásticos de la división de motor, grupo BMW.
15/09/2005
El desarrollo de superficies de componentes desprovistas de líneas de flujo y juntas visibles tan solo ha podido ser posible a través de la estrecha colaboración entre un proveedor de sistemas, un proveedor de materias primas y un fabricante de automóviles. Los “plásticos metálicos” Alcom dan un aspecto de aluminio a dichos componentes situados en el compartimento del motor e introducen el color en su diseño.
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Pantalla acústica
La búsqueda de nuevas aplicaciones para los plásticos siempre ha formado parte de la actividad de los proveedores de materias primas. El crecimiento del consumo de plásticos por encima de la media tan solo puede explicarse a través de la apertura de nuevos mercados o por la sustitución de materiales tradicionales. Por ejemplo, el contenido en plástico de un automóvil en 1998 era de alrededor del 12 por ciento del peso, y en la actualidad es de alrededor de un 14 por ciento. En el año 2008 se estima que ese contenido será de entre el 17 y el 18 por ciento. Este crecimiento está en parte impulsado por los compuestos de alta calidad con propiedades reproducibles con límites de especificación ajustados. Tan solo un proveedor que pueda proporcionarlos a tiempo con las propiedades necesarias y a un precio favorable seguirá siendo competitivo. Además, el proveedor de materias primas juega un papel cada vez más importante en el desarrollo de productos.

Esta situación puede ilustrarse a través de la colaboración entre el grupo BMW, el proveedor de sistemas Faist Automotive GmbH & Co. KG, Kulmbach, Alemania, y el proveedor de materias primas Albis Plastic GmbH, Hamburgo, Alemania. Todos ellos llegaron a la conclusión de que tan solo podían producirse los componentes óptimos a un precio favorable a través de la estrecha colaboración de un equipo lo más pronto posible en la fase del proyecto. El caso específico aquí considerado tenía que ver con una pantalla acústica y una cubierta de toma de aire para la actual serie 3 de BMW con motor diesel de cuatro cilindros de inyección directa (potencia de 110 kW, par de 330 Nm). La filosofía subyacente era introducir la funcionalidad y un diseño sofisticado en el compartimento del motor. Las demandas de componentes iban más allá de un diseño elegante del compartimento del motor. En el diseño y desarrollo de estos componentes se tienen en cuenta funciones tales como la atenuación de ruidos, desacoplamiento de los componentes y rutas específicas de las tomas de aire para permitir que el vehículo pueda conducirse a través de niveles de agua elevados.

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Cubierta de toma de aire
Los conjuntos de componentes los produce el proveedor de sistemas Faist de forma modular. Se desempeñan funciones específicas tales como el diseño y la acústica y, en consecuencia, se fabrican en diferentes plásticos. La pantalla acústica está formada por dos partes de poliamida 6 rellena de fibra de vidrio/mineral moldeadas por inyección: una parte exterior negra en PA6 GF10 MR20 estándar y una parte central en color plata metálico de aluminio en base a Alcom 6 PA 900/8 GF10 MR20 12–778. El logotipo y las barras del diseño se imprimieron posteriormente en plata en una sola operación. Las dos partes se unen entre sí mediante soldadura ultrasónica. Para cumplir los requisitos acústicos, se sujeta una parte moldeada en espuma PUR a la parte inferior de la pantalla acústica.

Por motivos de diseño, la sección intermedia de la cubierta de toma de aire también se moldea por inyección en la poliamida de color aluminio plata metálico suministrada por Albis. Esta parte se produce mediante moldeo por inyección de dos componentes: en la región frontal se moldea un reborde de PP/EPDM para proporcionar una función de fijación y desacoplado con la carrocería. Ambos componentes se entregan preacabados a las líneas de montaje del fabricante de automóviles.

Las cubiertas de motor anteriores eran uniformemente negras y estaban fabricadas en PA6 GF10 MR20 estándar con barras plateadas impresas.

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Logotipo BMW y bandas del diseño en una sola operación (Imagen: BMW)
Otros desarrollos en el diseño del compartimento del motor requerían nuevos enfoques. Las posibilidades disponibles eran: pintura parcial usando mascarillas, películas decorativas en el molde, o la utilización de materiales precoloreados. Además de realizar un análisis de los costes-beneficios, se evaluaron los procesos plausibles considerando sus méritos individuales e inconvenientes: pintar plásticos ofrece una mayor libertad en el diseño y una gran calidad, pero está asociado con equipos caros y gastos de procesamiento elevados. Las partes decoradas en el molde son también más caras que las partes de color metálico moldeadas por inyección y tienden a restringir la libertad del diseño. Además, en el caso de cubiertas pintadas o decoradas en el molde, cualquier arañazo revelará el color subyacente de la parte. Teniendo en cuenta estas consideraciones, el fabricante de automóviles decidió utilizar un compuesto metálico. La capa superior debía parecerse lo más posible a una superficie de aluminio. Con la utilización de escamas de aluminio y pigmentos de color, el producto Alcom debería seguir satisfaciendo las características exigidas a los materiales estándar. Esto ha requerido una tecnología especial de elaboración de compuestos. Se tomaron como valores de referencia propiedades mecánicas tales como la resistencia a la tracción, la elongación a la ruptura, el módulo de elasticidad y la resistencia al impacto del plástico estándar de color negro. Otros criterios fueron unas buenas propiedades de unión, capacidad de soldadura ultrasónica, capacidad de impresión, consistencia del color y resistencia al envejecimiento en una temperatura ambiente de 110ºC durante un periodo de 3.000 h.

PA6-GF10-MR 20 negro
(Alcom 6 PA 900/8 GF10
MR20 negro 12-957)
PA6-GF10-MR20 aluminio
(Alcom 6 PA 900/8 GF10 MR20
plata metálico 12-778)
Resistencia tracción a rotura (MPa)
según DIN EN ISO 527
106109
Módulo tensión (MPa) según
DIN EN ISO 527
61696190
Alargamiento a rotura (%) según
DIN EN ISO 527
3,853,38
Módulo flexión (MPa) según
DIN EN ISO 178
61906240
Resistencia impacto ( 23ºC) según
DIN EN ISO 179/1eU
30,528,7
Resistencia impacto con entalla (23ºC)
según DIN EN ISO 179/1eA
5,24,4
Propiedades mecánicas del material negro estándar en comparación con el material de color de aluminio plata metálica.

Apariencia de calidad homogénea

El objetivo propuesto fue desarrollar una apariencia superficial reproducible. Otras exigencias al plástico fueron: propiedades del material continuamente buenas y consistencia del color, sin líneas de flujo o uniones visibles. También debe presentar estabilidad dimensional, poca tendencia a sufrir distorsiones y una elevada resistencia al envejecimiento térmico.

En base a las características exigidas a los materiales se abordó el desarrollo de producto en el área de plásticos metálicos de color para su utilización en la atenuación de ruidos y cubiertas de admisión de aire. Albis desarrolló una tecnología de proceso que permitía la compleja composición de un plástico híbrido logrando el efecto metálico deseado introduciendo escamas de aluminio y el color adecuado. Los resultados presentaron una mejora significativa en relación con la apariencia homogénea de la superficie en comparación con los plásticos metálicos utilizados hasta ahora.

Se efectuaron los experimentos preliminares adecuados con el material 6PA GF10 MR20 especificado por el fabricante del automóvil; sin embargo, este plástico exigía una mayor optimización en lo relativo a su apariencia. Las secuencias de corrección consistieron en variar la forma y tamaño de las escamas con un control simultáneo del color durante la elaboración del compuesto hasta lograr el aspecto deseado y la estabilidad térmica al envejecimiento necesaria. Tras esta serie de experimentos, el producto tenía que poder reproducirse del laboratorio a producción. Un problema fundamental en este contexto es la consistencia y reproducibilidad del color como consecuencia de la utilización de extrusoras de tamaños diferentes. Para poder garantizar las características de calidad, Albis desarrolló un molde especial para el moldeo por inyección de este material. Las geometrías incorporadas en este molde permitieron una evaluación continuada de la visibilidad de las uniones y de las líneas de flujo durante la producción.

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Interpretación reológica del mejor orificio de colada posible (Imágenes: Albis)
Para lograr unos tiempos de desarrollo cortos de los sistemas, se organizó un equipo de desarrollo del grupo BMW con la empresa Albis en calidad de proveedor de materias primas y con la empresa Faist en calidad de proveedor de sistemas durante una fase temprana del proyecto.

Según Albert Fendt, responsable autorizado de la empresa y director de cuentas clave de Faist: “Los departamentos especializados correspondientes se implicaron en una etapa inicial del desarrollo del producto. Mantuvimos conversaciones intensas y discutimos las posibilidades y los riesgos. Faist posee una línea de datos especialmente para el fabricante de automóviles. Se intercambian los datos CAD, se producen los dibujos, nuestros ingenieros de diseño tienen que transformar los diseños en herramientas y deben validarse las funciones de los componentes. Otra tarea es desarrollar conjuntos fiables de partes y componentes individuales que se ajusten a las especificaciones del cliente. Se actualizaron los datos CAD del sistema para evitar la colisión entre partes interconectadas y para garantizar una secuencia de montaje lógica y directa en las líneas de producción. La producción rentable de las dos cubiertas tan solo podía lograrse mediante inyección por moldeo. Solamente puede haber problemas cuando hay aberturas en una pieza; las cuales ocasionan uniones, que pueden resultar visibles como líneas de flujo en la superficie. Es necesario contar con una gran experiencia en el diseño de moldes y en el moldeo por inyección para producir unos componentes visibles y de diseño con una apariencia de tal gran calidad”.

En la etapa preliminar de la construcción del molde se invirtió un esfuerzo considerable para asegurar que se cumplían las demandas de calidad de los componentes con la ayuda de una presentación por ordenador y simulación de retardo mediante Moldflow efectuado por el departamento de CAE de Albis. Los conjuntos se produjeron con la ayuda de seis moldes individuales, diseñados y producidos por Faist Tooling. Los conjuntos se fabricaron en las instalaciones de Faist en Ziemetshausen, Alemania, en máquinas de moldeo por inyección con fuerzas de sujeción de hasta 10.000 kN. Los talleres de montaje se prepararon para el proceso de soldadura ultrasónica y para el montaje final de los conjuntos.

La selección de materiales no es crítica solo para lograr las propiedades necesarias, sino que también tiene implicaciones económicas. El grupo BMW estableció los gastos máximos de las materias primas de color de aluminio plata metálica. Los trabajos de desarrollo con el proveedor de materias primas comenzaron durante esta fase. Puesto que no se podían cumplir las exigencias con los materiales estándar, se desarrolló un plástico con propiedades específicas. El conocimiento técnico en la elaboración de compuestos de Albis resultó una gran ventaja.

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