El plástico en BMW, un protagonista de elite

El dinamismo del mercado de la automoción exige una constante búsqueda y desarrollo de materiales que permitan reducir el peso de un vehículo, manteniendo innovadoras líneas de diseño y manteniendo factores como el de la seguridad. En esta línea, empresas como BMW Group dedica gran parte de la inversión a la constante investigación y desarrollo de nuevos productos y componentes, como es el caso de la fabricación automatizada de piezas de plástico reforzado con fibra de carbono, que aligera entre un 30 y un 50 por ciento el peso final del coche. El ejemplo más representativo es el techo del M3 CSL: solución ejemplar de la utilización de plástico reforzado con fibra de carbono en un coche fabricado en serie.

No existe una panacea universal para la utilización de materiales ligeros que satisfaga criterios técnicos y económicos y que, a la vez, sea ecológicamente viable. Por ello, los expertos del Grupo BMW estudian y desarrollan soluciones apropiadas para cada proyecto automovilístico buscando la mezcla de materiales más adecuada en cada caso. Al hacerlo, los especialistas procuran aprovechar las virtudes de los materiales en términos de peso y consumo de energía, e intentan obtener con ellos ventajas para la estructura y las funciones de los automóviles. Estos dos últimos criterios redundan directamente en ventajas para los clientes, ya que el dinamismo y la agilidad de un coche son cualidades que se pueden mejorar seleccionando los materiales más apropiados. La confección de balances ecológicos permite tener en consideración todos los factores que inciden en la utilización de los materiales, con lo que es posible tomar decisiones más lógicas sobre ellos.

El BMW Group impulsa el trabajo de desarrollo y la aplicación de procesos innovadores con el fin de utilizar plástico reforzado con fibras de carbono en las estructuras de las carrocerías y en diversos componentes. Un excelente ejemplo para la utilización visible de este material mixto, innovador y ligero es el techo del BMW M3 CSL. Este techo se fabrica en la planta de BMW en Landshut recurriendo a un proceso altamente automatizado, especialmente concebido para la producción de piezas de carrocería de plástico reforzado con fibra de carbono. Este material es sumamente ligero y sus cualidades de resistencia a choques y a la corrosión son excelentes. Hasta ahora, las piezas de fibra de carbono o reforzadas con fibra de carbono se fabrican individualmente para la aviación o para coches de competición.

Pero los ingenieros tienden a aprovechar cada vez más estos materiales, especialmente cuando es necesario disponer de un material ligero y, a la vez, muy resistente.

El BMW Group está trabajando intensamente en el desarrollo de procedimientos de fabricación para utilizar partes de la carrocería y componentes diversos de material plástico reforzado con carbono en los coches fabricados en serie. El trabajo se concentra en determinados temas relacionados con productos específicos, incluyendo el concepto y la configuración básicos de los automóviles, la simulación y la realización de pruebas reales, además de abordar también asuntos como la técnica de procesos industriales y los sistemas de automatización viables en esos procesos. Además, también se están desarrollando los materiales que ya se utilizan en la actualidad. Un buen ejemplo de la utilización de material compuesto ligero y visible es el techo de plástico reforzado con fibra de carbono del BMW M3 CSL. Este techo se fabrica en la fábrica de BMW en Landshut, la primera planta altamente automatizada del mundo para piezas de carrocería de plástico reforzado con fibra de carbono.

Especialmente en la aeronáutica y en coches de carreras ya se utilizan piezas de material plástico reforzadas con fibra de carbono. Estas piezas se montan especialmente en zonas sometidas a grandes esfuerzos y que, a pesar de ello, exigen la utilización de materiales ligeros muy rígidos y robustos. En esas condiciones, los ingenieros saben apreciar las cualidades del plástico reforzado con fibra de carbono. El «monocoque» del bólido de Fórmula 1 FW 25 de la escudería BMW Williams F1 Team es, por ejemplo, de este material altamente resistente.

Pero los materiales plásticos reforzados con fibra de carbono también ofrecen ventajas evidentes si se utilizan en coches fabricados en serie, ya que contribuyen a reducir su peso. Dependiendo del modelo, las carrocerías pesan entre un 15 y un 20 por ciento del peso total del coche.

Los componentes de la carrocería de plástico reforzado con fibra de carbono pesan hasta un 30 por ciento menos que las mismas piezas de aluminio y hasta un 50 por ciento menos que las de acero. Dependiendo de la utilización de este material en determinados grupos o en toda la carrocería, el peso total del coche puede reducirse en hasta un 10 por ciento, siendo igual la rigidez. Al mismo tiempo mejora el dinamismo y la agilidad de los coches y disminuye el consumo de combustible.

Las ventajas esenciales que ofrecen los componentes de la carrocería reforzados con fibra de carbono se explican por la considerable disminución del peso, el excelente comportamiento del material en caso de choques y la gran rigidez y solidez. Estos dos últimos criterios se cumplen especialmente a lo largo de las fibras de carbono de aproximadamente 0,007 mm de grosor. Dado que la orientación de las fibras es fundamental, es posible seleccionarla específicamente y, además, optar por una superposición de capas de fibras para obtener unas cualidades de resistencia al esfuerzo óptimas.

Otra ventaja estriba en que con el plástico reforzado con fibra de carbono permite la fabricación de piezas de carrocería integrables y de grandes superficies, algo que en el caso de la utilización de aluminio o acero implica la aplicación de tecnologías muy sofisticadas. Esta cualidad tiene ventajas considerables para el diseño y la fabricación de la carrocería, ya que con el plástico reforzado con fibra de carbono es posible integrar en la misma pieza los elementos de fijación y los soportes. Incluso tratándose de piezas de estructuras complejas o de grupos completos de la carrocería, es posible utilizar una sola herramienta para fabricarlos, lo que reduce considerablemente la cantidad de piezas individuales en las carrocerías.

Los expertos del BMW Group especializados en materiales plásticos reforzados con fibra de carbono apuestan por pegamentos como medio de adherencia. Los pegamentos permiten la utilización de componentes y grupos de materiales compuestos de diversa índole. El uso de pegamentos altamente resistentes ha demostrado ser muy fiable en carrocerías de acero o de materiales compuestos. Por ejemplo, en el caso del nuevo BMW Serie 5 se utiliza ahora más pegamento como medio para unir piezas que forman parte de la estructura de la carrocería.

El aprovechamiento de los recursos naturales de modo sostenible y respetuoso del medio ambiente ha sido ya desde hace bastante tiempo un criterio de importancia al desarrollar los nuevos modelos del BMW Group. Los estudios detallados del balance ecológico implican una evaluación global y completa de los materiales ligeros e innovadores. Los expertos del BMW Group han analizado diversos escenarios, llegando a la conclusión que el plástico reforzado con fibra de carbono empleado en las carrocerías se distingue por reducir considerablemente el consumo de combustible, con lo que repercute positivamente en el balance ecológico durante la fase de utilización del automóvil.

Tanto los desechos obtenidos durante los procesos de fabricación como las piezas de plástico reforzado con fibra de carbono montadas en coches de desguace pasan por diversos procesos de reciclaje y desabastecimiento. Los especialistas del BMW Group han elaborado un método ya aplicable para reciclar desechos de material puro de modo sensato en términos técnicos y económicos, especialmente para la recuperación de las valiosas fibras de carbono. Al desguazar coches que tienen componentes de plástico reforzado con fibra de carbono, puede aprovecharse la ventajosa circunstancia de que los componentes de este material están compuestos principalmente de diversos derivados del petróleo (por ejemplo resina, fibras de carbono y pegamento). Los balances ecológicos demuestran que en el caso de coches de desguace con partes de fibra de carbono es recomendable utilizar este material como fuente de materias primas o con fines energéticos. En este caso, el reciclaje del material (es decir, el costoso desmontaje de componentes estructurales de coches de desguace y la posterior recuperación ecológicamente complicada del material) no constituye una opción viable.

La utilización de componentes de plástico reforzado con fibra de carbono estuvo inhibida hasta ahora por los elevados costos del proceso de fabricación. Hasta la actualidad, las piezas de este material relativamente nuevo se confeccionaban a mano, lo que implicaba dedicar mucho tiempo a la operación. Las capas de tejido de carbono se aplicaban a mano agregando resina.

A continuación, la pieza obtenida de esta manera tenía que estar durante varias horas en un horno especial. Gracias al intenso trabajo de desarrollo de materiales y procesos, los expertos del BMW Group especializados en plásticos reforzados con fibra de carbono lograron obtener un método de fabricación automatizada, con lo que ahora es posible producir de modo económico componentes de plástico reforzado con fibra de carbono de gran calidad para utilizarlos en la fabricación en serie. De esta manera se han sentado las bases para la utilización de una mayor cantidad de materiales reforzados con fibra de carbono en las carrocerías de los automóviles.

El techo del M3 CSL, desarrollado en estrecha colaboración con los especialistas en plásticos reforzados con fibra de carbono de la planta de Landshut, los expertos del centro de investigación e innovación (FIZ) y con BMW M GmbH, es un excelente ejemplo de la utilización de este material ligero y de gran estética en la carrocería de un automóvil. Se trata de la primera aplicación del mundo de este material en un coche fabricado en serie. La rigidez y la calidad estética de la pieza exigen procesos de fabricación muy sofisticados, ya que la aplicación de una capa de pintura transparente deja a la vista la estructura del tejido de fibra de carbono que refuerza el material plástico.

El techo se fabrica en las instalaciones piloto del centro de chapas de plástico reforzado y de tecnología de fibras de carbono de la planta de Lanshut.

El proceso incluye tres fases. En la primera fase se sobreponen las cinco capas de fibras de carbono especiales para moldearlas en la máquina de primer moldeo. Es importante poner especial cuidado en la orientación, posición y estructura correctas de las fibras con el fin de obtener un techo resistente y de gran estética. El cumplimiento de estos criterios durante la primera fase constituye una de las innovaciones esenciales del proceso de fabricación. En la segunda fase se procede a la inyección RTM (siglas en inglés por moldeo por transferencia de resina). Para ello se introduce la pieza moldeada de varias capas de fibras de carbono en una prensa de 1.800 toneladas y a continuación se inyecta resina epoxi transparente.

El techo se solidifica sometiéndose al calor de la prensa. A continuación, en la tercera fase, un brazo de robot retira la pieza y se aplica el barniz transparente. El resultado es impresionante en dos sentidos. Gracias a la automatización del proceso, la fabricación del techo dura apenas una quinta parte del tiempo necesario con el procedimiento convencional. Además, el techo del M3 CSL pesa seis kilogramos menos, lo que significa que pesa menos de la mitad que un techo comparable de acero.

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