Buen momento para plásticos y composites

Las presiones cada vez mayores de la legislación de varios estados norteamericanos sobre la emisión de gases derivaron en un programa conjunto, impensable hace pocos años, entre el gobierno federal y los tres grandes constructores para reducir la contaminación que genera el automóvil y por ende su consumo: la solución obvia es la reducción del peso por una mayor aplicación de los plásticos y composites

En Europa, Audi ha adoptado inicialmente la solución aluminio para ambas la parte estructural y la externa o cosmética de la carrocería por buenas razones técnicas pero con un inconveniente que la condena a largo plazo: el aluminio es el material cuya obtención exige el uso de una mayor cantidad de energía, entre 5 y 6 veces más que los plásticos y composites, y con uno de los procesos productivos más contaminantes que existe.
Ford, en los EEUU está siguiendo un camino casi paralelo: el proyecto P2000, dotado inicialmente en 1993 con $200 millones, tiene como objetivo para el año 2003 el conseguir un vehículo de 6 plazas con velocidad de 130 km/h, un peso de 900 kg y un consumo del orden de 3,6 litros x 100 km que cumpla con los requisitos federales de seguridad y de la Clean Air Act, calificándose como vehículo de emisión ultra-baja. Los primeros de estos vehículos circularán el otoño próximo en plan experimental y no se trata de un proyecto teórico sino que debe permitir fabricar 300.000 vehículos por año.
Para obtener la reducción de peso del 40% respecto a los vehículos familiares comparables del mercado americano, manteniendo la integridad estructural, resistencia y seguridad, un análisis exhaustivo del peso de cada pieza da como resultado que se opta por el empleo de 333 kg de aluminio, 222 de acero, 38,6 de magnesio, 5 de titanio, 122,5 de plásticos, 56,7 de elastómeros, 16,3 de vidrio, 3,6 de fibra de carbono, y 101 kg de otros materiales.

Las desventajas de las soluciones híbridas

Se trata de un conjunto estructural híbrido, en el que se presentan una serie de inconvenientes que impiden una reducción mayor del peso con relación al uso de un material único.
Una carrocería monometálica, sea de acero o de aluminio, actúa estructuralmente como un todo y cada uno de sus elementos se comporta de una manera exactamente previsible en razón de una base de datos con más de un siglo de generación.

Figura 1 Los termoplásticos reforzados con fibra larga tienen aplicaciones estructurales de alta solicitación, especialmente en el interior del automóvil, que pueden fabricarse con cadencias rápidas y son totalmente reciclables.

La protección de los ocupantes en caso de choque está basada actualmente en el concepto de deformación controlada, por lo que la adopción de elementos poliméricos hace necesario actualmente compensar en parte su distinto comportamiento al respecto mediante un especial refuerzo (y aumento de peso) de la estructura metálica. De este modo se pierden en parte las ventajas de reducción de peso que representa su uso.
La adopción de estructuras composite podría cancelar este inconveniente y se ha demostrado exhaustivamente en la alta competición que no hay seguridad comparable a la que proporcionan los chasis que son en parte de fibra de carbono. Es perfectamente posible realizar estructuras en composite de fibra de vidrio que podrían ser más o menos competitivas en precio, que no es precisamente la mayor dificultad que entraña su adopción; los inconvenientes son diversos y no están resueltos, aunque su uso sería más compatible con los elementos externos moldeados en plástico.

Problemática de las estructuras composite

El concepto de la deformación controlada no es aplicable a las estructuras composite, sino que se trata de absorción de la energía del impacto mediante la destrucción gradual del material. Esto no implica la inutilización total de la carrocería, sino sólo de la parte dañada, como se hace ya siempre con los elementos de chapa, que tradicionalmente se habían reparado a mano y ahora se sustituyen.
Como primera providencia, es necesario llegar a un diseño general de estructura que, teniendo esto en cuenta, permita definir y evaluar el comportamiento del material a este respecto. Un ejemplo de trabajo ya realizado lo representan diversas patentes para dotar a los ejes de transmisión de composites, que se utilizan cada vez con mayor frecuencia, de sistemas auto-destructivos para evitar que su enorme resistencia impida la deformación controlada de la estructura metálica de las carrocerías actuales.

Figura 2 En la construcción de carrocerías de camión, la menor cadencia de producción generalmente necesaria facilita la adopción masiva de elementos de plástico y composite en todo el exterior de la carrocería.

La industria del automóvil no puede adoptar ningún sistema constructivo que no permita garantizar la obtención de cada elemento en el momento preciso y con una absoluta regularidad de características. Aquí nace el segundo inconveniente para el uso de estos materiales; no existe todavía un proceso que, a un coste de transformación razonable, permita obtener estas garantías. Por ello, aunque el coste y el comportamiento de los elementos composite podrían ser aceptables mediante un diseño concebido a partir de las características del material, no se ha logrado aún crear sistemas que satisfagan las condiciones expuestas.

Situación y perspectivas

Estamos alejados aún de la transición a un uso sustancial de materiales poliméricos; no hace aún un año que, en una conversación con la responsable general de compras de Renault, nos confirmaba que no existe una previsión para el incremento del uso de los plásticos en los próximos años. Y esta empresa ha sido una de las que mayor esfuerzo han dedicado a la aplicación de plásticos y composites en sus automóviles de toda Europa.

La industria de plásticos podría beneficiarse del elevado coste energético y del impacto ambiental de la producción del aluminio, que en su momento puede generar un importante movimiento ecologista, para promocionar la alternativa composite. Pero para ello será necesario desarrollar métodos de moldeo y formulaciones de material que permitan costes aceptables. Y estamos lejos de ello. Por esta razón son necesarios programas de investigación de materiales y procesos orientados hacia este objetivo: el mayor desafío de la industria de materiales es el planteado por la industria del automóvil.

En este contexto, llama la atención el hecho de que entre los materiales previstos para el P2000 se cite a la fibra de carbono y no a la de vidrio. El coste y las características mecánicas de esta última la hacen idónea para la estructura de un vehículo, aunque su bajo módulo elástico exija un diseño con momentos de inercia que permitan superar este inconveniente. Probablemente, tendría un coste final mejor del que posibilitarán los esfuerzos actuales del programa P2000, del que forman parte actuaciones de Ford del tipo de las de López de Arriortúa cerca de los fabricantes de aluminio para reducir su coste actual, que pueden tener un alcance sólo limitado.

Realizaciones actuales

El año 2003, el 10% de los vehículos que se vendan en California debe dar emisiones cero. En consecuencia, el automóvil eléctrico es el nicho de desarrollo de la aplicación de materiales poliméricos y no pasa un semestre sin que se presenten en los EEUU prototipos de este tipo que utilizan de manera integral estructuras composite.
Los proyectos como el Tulip europeo no son un mero ejercicio de estilo y tienen aplicaciones bien definidas que probablemente veremos en uso en los próximos años. El minivehículo eléctrico de ciudad, funcionando de estación a estación de recarga mediante tarjeta de crédito es ya una realidad en algunas ciudades francesas.
Por lo que antecede, puede presumirse que la adopción de estructuras composite para el automóvil de serie será una realidad a medio plazo, apoyándose en los desarrollos que serán precisos para la fabricación de automóviles de tracción eléctrica o híbrida. Éstos serán, en los próximos años y pese a sus limitaciones, una realidad mucho más importante de lo que se vislumbra hoy.

Figuras 3 - 4 40 años separan estas dos carrocerías en material polimérico; arriba, la primera carrocería composite construída en España y presentada en la Feria de Muestras de Barcelona en 1957 y debajo, el "Ethos" de Pininfarina actual.

La protección de los ocupantes está basada en el concepto de deformación controlada, por lo que la adopción de elementos poliméricos hace necesario un refuerzo de la estructura metálica

El automóvil eléctrico es el nicho de la aplicación de materiales polímericos y no pasa un semestre sin que se presenten en los EEUU prototipos