Creciente presencia de piezas semiacabadas de composite en el automóvil

La tendencia del ahorro de peso sigue siendo una premisa en el sector de la automoción que cada vez cobra más importancia. La razón principal viene dada por la cercanía del año 2020, cuando las emisiones de flota de CO₂ de los fabricantes automovilísticos europeos deberán cumplir unos requisitos mucho más exigentes. La contribución de los materiales termoplásticos al peso ligero en la actualidad es importante, ya que gracias a ellos se han podido sustituir innumerables componentes de fabricación metálica por equivalentes de plástico de igual capacidad. Sin embargo, estos componentes y materiales de plástico están empezando a alcanzar sus límites fundamentales, y sólo tendrán éxito si va acompañado de un salto tecnológico.

BASF se encuentra ampliando sus actividades en el campo de los plásticos de ingeniería con tal de incluir un planteamiento completamente nuevo, Ultracom. Se trata de un paquete compuesto por tres componentes: productos semiacabados reforzados con fibra continua, compuestos adaptados para sobre moldeo y soporte de ingeniería complementario. Las innovaciones clave en este nuevo planteamiento son los materiales laminados con base de tejidos y cintas unidireccionales que están completamente impregnadas con Ultramid o Ultradur, los materiales de poliamida y PBT de BASF. Estos composites termoplásticos se han mejorado mediante una cooperación conjunta con TenCate, el fabricante mundial de composites reforzados con fibra y Owens Corning, un proveedor pionero de fibras de vidrio.

El segundo componente del paquete es el material para sobre moldeo, que se ha desarrollado específicamente para utilizarse con materiales laminados, y gracias a esta combinación de materiales laminados y cintas, se pueden producir piezas complejas por inyección, con refuerzos mecánicos muy altos en localizaciones muy definidas y precisas, y que a la vez integran varias funciones específicas como resultado del sobre moldeo.

Durante la feria K 2013, BASF ofreció su primer paquete comercial de producto Ultracom. Para aquellos clientes cuyos proyectos precisen piezas con alta rigidez, este paquete incluye Ultralaminate con base de poliamida 6 (o Ultratape si se necesitan refuerzos altamente direccionados) combinado con Ultramid G12 COM, que cuenta con un 60% de refuerzo de fibra de vidrio como componente de sobre moldeo. Para aplicaciones que precisen de una resistencia especial a los impactos, BASF ofrece un paquete que se ha optimizado para presentar una alta absorción de energía. Este paquete incluye Ultralaminate y Ultramid ZG7 COM. En este caso existe una versión en cinta, Ultratape, para el refuerzo localizado, como el que se requiere por ejemplo en las estructuras de los asientos, y se puede sobre moldear con el mismo Ultramid ZG7 COM.

El tercer componente del paquete Ultracom es de gran importancia para los desarrolladores de piezas fabricadas a partir de composites, ya que comprende el amplio soporte de ingeniería que ofrece. Incluye, no solo la asistencia en forma de diseño de la pieza en un ordenador con la ayuda del instrumento de simulación universal Ultrasim, sino también soporte, a la hora de procesar el material y fabricar la pieza. Para ello, BASF ha añadido una línea piloto completamente automatizada que combina un sistema de moldeo por inyección con alimentación automatizada de laminado. Las numerosas oportunidades que ofrece el laboratorio de ensayo de piezas de BASF completan el paquete.

La base para asiento, producida externamente por Johnson Controls, es uno de los primeros resultados de Ultracom.

Este tercer componente del paquete, el soporte de ingeniería, no es simplemente una opción que se puede utilizar cuando sea necesario, sino que se trata de un componente esencial para todos los proyectos de los clientes. Sin la capacidad para optimizar el diseño y la producción, y la capacidad para describir numéricamente el comportamiento de los materiales composites y las piezas mediante la simulación integrada, sería difícil alcanzar un lanzamiento exitoso a escala de mercado. Durante los últimos años, la herramienta de simulación Ultrasim ha logrado desarrollar y diseñar muchas piezas nuevas, como las vigas transversales de transmisión, las bancadas de motor y frontends sin refuerzos metálicos. Las piezas de composite termoplástico con base laminado o cinta serán una solución viable para la producción a gran escala sólo si se complementa la simulación integrada con nuevos modelos de material y descubrimientos experimentales que los sustenten. La primera aplicación de producción de Ultramid basada en laminados de sobre moldeo se produjo en 2012 en forma de base para el asiento del Opel Astra OPC.

En cuanto a los materiales, es un requisito previo y al mismo tiempo un reto garantizar una combinación óptima entre fibra y polímero, por un lado, y cinta o laminado y compuesto, por otro. Ambos deben encajar a la perfección porque las fibras deben presentar un calibre de superficie formulado para los polímeros específicos a los que impregnan, y viceversa. Los materiales de sobre moldeo deben satisfacer a su vez los requisitos típicos del moldeo por inyección al mismo tiempo que permiten una adhesión óptima de las nervaduras a los laminados.

Actualmente, el mayor obstáculo tecnológico es el desarrollo e introducción de tecnologías de proceso robustas y muy automatizadas que ofrezcan reducciones de coste en los procesos productivos. A día de hoy, el mercado todavía no dispone de sistemas completos e integrados de máquinas de inyección, moldes, equipos de posicionamiento y estructuras calentadoras, y la compra de los componentes por separado tampoco asegura un encaje perfecto.

Cuando en un futuro próximo las piezas de composite termoplástico reforzadas con fibras continuas estén disponibles, reportarán la mejor combinación de ahorro de peso, eficiencia de costes y rendimiento para los componentes de la carrocería y el chasis. Los laminados de fibra o las cintas nos permiten producir piezas por moldeo por inyección que están reforzadas localmente con fibras orientadas en la dirección a la carga mecánica existente y a la vez, integran funciones adicionales y modularización mediante el moldeo por inyección tradicional. De este modo, el moldeo por inyección y la fibra continua se combinarán de manera óptima.

Maquinaria utilizada para la producción multifuncional de composites.

Los dos productos semiacabados cumplen diferentes funciones: los laminados termoplásticos son tejidos de fibra impregnados con termoplásticos, mientras que las cintas unidireccionales se disponen en capas, las cuales deben producirse en primer lugar a partir de cintas de fibra impregnadas. Por tanto, los laminados termoplásticos son más aptos para las piezas híbridas de gran superficie y propiedades cuasi-isotrópicas, mientras que las cintas unidireccionales son más adecuadas como insertos para refuerzos locales de las piezas inyectadas con termoplásticos.

Fruto del trabajo conjunto con los clientes del sector de la automoción, los expertos de BASF se han fijado una meta de tres años para desarrollar conceptos de producción para composites termoplásticos con refuerzos de fibra continua para piezas de carrocería y chasis. Para ello, todos los socios de la industria deben construir juntos una base de ‘know-how’ para desarrollar los materiales, la tecnología del proceso y el mercado. Por su parte, BASF se propone invertir una gran suma para la investigación y el desarrollo de actividades relacionadas con composites durante los próximos tres años. Algunos proyectos de los clientes ya se han puesto en marcha, y BASF está listo para contribuir con su conocimiento sobre la formulación y procesamiento de termoplásticos de y tejidos de fibra.