Los polímeros de ingeniería aportan un nuevo punto de vista para la industria de la automoción

El conjunto de agentes implicados en el desarrollo de la industria de la automoción ha cambiado un tanto en la última década. Los coches que se fabriquen deberían de ser más seguros y cómodos, y más ligeros - o al menos no tan pesados - y su impacto en el medio ambiente tendría que reducirse. Hay que buscar los cambios en los detalles. Lo explica en estas páginas Klaus Bender. Director de Desarrollo de Mercado para la Industria del Automóvil en DuPont Engineering Polymers. Damos además algunos ejemplos de aplicaciones con sus materiales.

Empecemos por la minimización de las emisiones del motor. La industria automovilística está avanzando hacia el ideal de 'emisiones cero' en los automóviles. El grado de progreso se determina por una parte mediante su concienciación medioambiental y, por otro, por unos requisitos a cumplir en todo el mundo cada vez más estrictos, e igualmente por las expectativas del consumidor. Las normas sobre gases de combustión EURO 5 entrarán en vigor en 2008/09 y reducirán notablemente los bajos límites ya establecidos sobre partículas NOx, CO e hidrocarburos.

Muchos de los avances en nuevos motores suponen una demanda más estricta en cuanto a los materiales plásticos utilizados. Los combustibles alternativos, los gases de escape concentrados en separadores mecánicos, así como la solución de amoníaco empleada para tratar los gases de combustión tienen un efecto altamente agresivo sobre los cierres herméticos y las piezas moldeadas. El espacio extremadamente limitado bajo el capó y el uso de sistemas de recirculación de gases de combustión, turbo y sistemas de carga mecánica y filtros autolimpiables de partículas incrementan las temperaturas en torno al motor hasta niveles en los que la ingeniería convencional de polímeros se rinde con frecuencia.

La poliftalamida DuPont Zytel HTN se adapta a la mayoría de estos retos. Este polímero, que tiene una temperatura continua de operación de más de 220ºC, tiende un puente entre la alta resistencia térmica y química de los plásticos de alta calidad convencionales, tales como la polietersulfona (PES) o polisulfona (PSU) y los tipos más económicos de nylon 6 y 66. Ya se están desarrollando tipos de Zytel HTN optimizados para aplicaciones específicas, como los nuevos modelos extrusionables de nylon 66 con resistencia térmica mejorada. Permitirán que las piezas de los conductos de aire expuestas a altas temperaturas puedan ser fabricadas con tecnología de soplado, y que incluso puedan utilizarse como sustitución en piezas de metal y goma en las piezas que sufren temperaturas más altas entre el dispositivo de alimentación y el equipo de refrigeración de aire.

Tapa de culata de Minlon con alto grado de funcionalidad

El proveedor de sistemas Mahle ha hecho por encargo una tapa de culata multifuncional para los motores de gasolina de seis cilindros de distribución variable (VVT) de BMW. Un grado del nailon 66 Minlon con carga mineral y reforzado con fibra de vidrio proporciona a esta tapa de gran tamaño, que mide aproximadamente 700 mm de largo por 330 de ancho, el nivel requerido de rigidez, resistencia, bajo alabeo y la estabilidad dimensional en una gama de temperaturas de entre 40º y - esporádicamente - 150º C. Otras razones adicionales para escoger Minlon fueron su buena capacidad para soldadura, que permite una mayor rentabilidad, y que asegura el acoplamiento de componentes adicionales, así como sus excelentes propiedades superficiales , lo que significa que la tapa, parcialmente visible, puede utilizarse sin ser pintada.

Además de las funciones básicas de la tapa de culata, como son proporcionar una cubierta y un sellado seguro para proteger el sistema de control de válvulas, incluso con el vehículo en una tangente extrema, Mahle ha sido capaz de integrar la gestión de los gases de escape en su diseño.

Un 20 por ciento de plásticos en el coche

En 1970, el contenido de plásticos de los automóviles era de un 5 por ciento. En la actualidad, es de más del 15 por ciento y las estimaciones apuntan a que los plásticos representarán el 20 por ciento dentro de cinco años.

Los alcoholes, éteres o los componentes basados en metil éter de los biocombustibles (biodiesel y etanol) atacan a los materiales de sellado y a las piezas de plástico, lo que conduce a su degradación y en último término a su fallo. DuPont ha desarrollado Delrin 560HD, un polioximetileno para tales aplicaciones. Puede estar incluso en contacto con combustible diesel caliente y ha sido incorporado satisfactoriamente a las unidades de suministro de combustible.

Los retos en las aplicaciones de sellado se han abordado con los nuevos fluoroelastómeros Viton, que resisten a las condiciones más extremas y respetan o incluso superna la regulación que limita las emisiones volátiles. Estos di y terpolímeros, con características de proceso significativamente mejoradas han sido diseñados para una producción de elementos de sellado sumamente económica. Otros tipos desarrollados recientemente, como Viton GBLT-S, combinan una excelente resistencia a los combustibles y medios líquidos con una baja permeabilidad, el mantenimiento de sus características a bajas temperaturas y una muy buena procesabilidad. Viton GF-S combina una alta resistencia a las sustancias químicas con un conjunto de baja compresión, lo que debería ser tenido en cuenta para su uso como recubrimiento de alta prestación en tubos de combustible.

Una vez que el olor a nuevo ha desaparecido del interior del coche, los materiales del compartimento de pasajeros no deberían generar olores desagradables. Los polioximetilenos (POM) convencionales pueden en algunas circunstancias ser perceptibles de forma desagradable al liberar formaldehído. Delrin 100PE, 300PE y 500PE son nuevos tipos de POM en los cuales estas emisiones han sido reducidas sustancialmente (cerca del 90 por ciento).

Algunos ejemplos de aplicaciones para esta nueva generación de tipos de POM son engranajes de motores y palancas, sistemas de elevalunas, alojamientos para cierres de puertas, guías de cinturones de seguridad y dispositivos precarga, así como tiradores y controles automáticos.

El número de componentes de un coche que sirven para reducir el impacto medioambiental y mejorar la seguridad y el confort continúa creciendo. Sin embargo, el espacio para albergarlos no aumenta, y añadir peso no es una opción. Por ello, los diseñadores e ingenieros se ven obligados a integrar más funciones en los componentes y/o reducir su tamaño y peso sin comprometer su fiabilidad. Mientras que maximizar las funciones es una especialidad de los termoplásticos, la reducción de peso necesita de plásticos con propiedades mecánicas sustancialmente mejoradas, o de métodos híbridos de fabricación que combinen termoplásticos y metales en una única unidad que pueda ser empleada en las partes estructurales.

La resina 'superestructural' de DuPont ofrece una posible vía para reducir el grosor de las paredes, al tiempo que mantiene su capacidad de soportar cargas. Con estas resinas, la combinación de los tipos PA y PPA con una buena transmisión de la corriente y el refuerzo de un 40 ó 60 por ciento de fibra larga de vidrio (LGF), de unos 12 mm, da como resultado una rigidez especialmente elevada, combinada con fortaleza y gran resistencia a los impactos. Para las piezas estructurales, convendría tener en cuenta las altas prestaciones de Zytel HTN51LG50 basado en PPA, y Zytel 75LG50 HSL, basado en PA-66.

Allí donde las fibras cortas no proporcionan suficiente estabilidad, como por ejemplo en los respaldos de los asientos, la solución puede venir de la mano de una combinación de filamentos continuos colocados cuidadosamente. En este área, al igual que en los híbridos de termoplástico y metal, DuPont está desarrollando nuevos materiales y las tecnologías más apropiadas. Aparte de en los asientos, hay otras aplicaciones controvertidas, como en la columna de dirección, en la suspensión y en piezas estructurales del motor.

Menos costes y peso en paneles de carrocería de un camión

El fabricante de camiones Man-Nutzfahrzeuge AG ha sido pionero en la selección de un material hasta ahora nunca utilizado para fabricar las molduras para la carrocería de la cabina en su gama TG de vehículos pesados. Tres componentes (las molduras superior e inferior, y el deflector de viento) se fabrican con piezas moldeadas por inyección Crastin PBT (polibutileno tereftalato) reforzado con fibra de vidrio. Es la primera utilización en serie de un termoplástico reforzado con fibra de vidrio para fabricar paneles de carrocería exterior de un camión. La utilización de Crastin se ha traducido en una reducción del coste por unidad de aproximadamente un 45 por ciento con respecto a los componentes estándar producidos mediante el sistema de moldeado de láminas metálicas. Asimismo, el peso total de los tres componentes se ha reducido en un porcentaje cercano al 32 por ciento, lo que representa un ahorro de peso de alrededor de 2,4 kilos por vehículo.

Gran conducto de admisión de aire

Un tubo tridimensional de ventilación, moldeado por soplado, que se monta en la actualidad los camiones Volvo con motor de 12 litros, está siendo fabricado con un grado de nylon Zytel sin reforzar, tenaz y estabilizado al calor por la compañía TI Automotive, con sede en Noruega. El conducto pesa poco más de dos kilogramos y es una de las mayores piezas moldeadas de las que DuPont tiene constancia por manipulación “Parison”. Este procedimiento es una tecnología avanzada de moldeado por soplado para fabricar componentes de una sola pieza, que fue adoptada por TI Automotive en la fabricación de este conducto de forma curvada con el doble objetivo de elevar sus prestaciones mecánicas y poder conseguir la compleja geometría de la pieza.

El conducto intermedio se utiliza para introducir aire limpio desde el filtro del aire hasta el turbocompresor. Para ello, se expone a temperaturas de alrededor de 140 ºC y debe ser capaz de soportar niveles de presión que oscilan entre 1,2 y los 2 bares, así como de resistir el contacto con el aceite, gases de escape y combustible. Además, se precisa que las piezas del motor de los camiones mejoren su vida útil hasta las 10.000 horas.

Una de las preocupaciones actuales del sector es mejorar la seguridad para los peatones. Aparte de cambios en la curvatura del ángulo del capó del motor, el diseño de nuevos conceptos que emplean plásticos blandos puede abrir nuevas perspectivas. Hay muchos posibles puntos de partida, desde los parachoques y la rejilla del radiador, los faros, los guardabarros y el capó, y la cubierta de debajo del capó. Se discute sobre nuevas ideas de diseño para los parachoques, para reemplazar la espuma de polipropileno, que se emplea generalmente en la actualidad, por un producto que conserve su flexibilidad incluso en condiciones de temperatura bajo cero. DuPont está participando activamente en la mejora de los sistemas de parachoques y se están obteniendo resultados prometedores en ensayos con un perfil extrusionable del elastómero termoplástico Hytrel con un sistema sensor de impactos a lo largo de todo el parachoques. Otras soluciones de ahorro de costes podrían ser el uso de coextrusionados de Hytrel en la parte delantera y de termoplásticos más rígidos y resistentes en la parte trasera del capó.

Por otro lado, un mayor número de sensores dentro y alrededor del vehículo contribuye a incrementar la seguridad, protección y confort. Se sitúan en el habitáculo de pasajeros y en cualquier lugar imaginable del chasis o de los motores. Tienen que ser, por supuesto, tan pequeños como sea posible, y capaces de resistir condiciones adversas, una amplia gama de temperaturas y posibles impactos fuertes. Dependiendo de su función, estos sensores y sus sistemas electrónicos tendrán que ir colocados en carcasas o encapsulados dentro de un moldeado.

Los termoplásticos reforzados con fibras de vidrio largas, así como los nailon térmicamente estables y resistentes a la hidrólisis, algunos con mayor contenido de refuerzo de fibra de vidrio, ofrecen diferentes posibilidades en revestimientos, ya que suponen un ahorro de peso y espacio mediante una reducción sustancial del grosor de sus paredes.

El encapsulado de componentes eléctricos y electrónicos para automoción hace posible aún mayor miniaturización. Para estas aplicaciones y sus conexiones, DuPont ofrece termoplásticos que cuidan los cables con excelentes propiedades dieléctricas. Son dimensionalmente estables y pueden ser procesados mediante métodos “suaves” para que los circuitos electrónicos delicados no resulten dañados durante la encapsulación y a causa de variaciones de la temperatura. Además, prácticamente no desprenden gases corrosivos desagradables (no desgasificación).