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La reducción de emisiones de CO2 es quizá una de las principales demandas del sector

Posibilidades de nuevos materiales para la industria de automoción. Los composites: un reto

A. Tielas, responsable de departamento Materiales y sistemas de interior de CTAG, Centro Tecnológico de automoción de Galicia, España

22/01/2016

En el presente trabajo se muestra una evolución de las tendencias en el sector de automoción en los últimos 30 años y su repercusión en los materiales utilizados para los vehículos.

Actualmente, una demanda clara del sector es la reducción de emisiones de CO2, debido a diferentes factores legislativos y socio-económicos. En este trabajo se analiza cómo afecta esta necesidad a distintos aspectos del vehículo, especialmente en el uso de nuevos materiales. El efecto más directo es que a los materiales se les exige mantener o mejorar las prestaciones actuales pero reduciendo la densidad. En la presentación se hace una reflexión sobre las posibles alternativas para conseguir reducciones de peso sustanciales que satisfagan los distintos objetivos que plantea el sector y llegar al fin último deseado de la reducción de emisiones de CO2.

Una vez analizadas las diferentes alternativas en materiales, se comentará el interés de los materiales compuestos y algunos retos industriales asociados a su uso, como los relacionados con la fabricación y los tiempos de ciclo, o con su ensamblaje en la línea.

1. Introducción

En los últimos treinta años, la automoción ha sufrido un gran cambio en aspectos medioambientales, estéticos, de confort, de seguridad y mecánicos. Lejos de los coches puramente mecánicos de los 70, las exigencias actuales de vehículos con gran conectividad, pocas emisiones y efectos estéticos innovadores suponen grandes retos (y oportunidades) para los materiales.

  • Los 80

En los años 80, acabada la primera gran crisis del petróleo, aparecen grandes avances en el campo mecánico pero con una pequeña conciencia medioambiental. Así aparece el turbocompresor, un sistema de sobrealimentación que aumentaba las prestaciones del vehículo sin aumentar el consumo específico del motor. Su auge surge de su utilización en la F1. Este empleo del compresor en los deportes de motor le dio gran popularidad, poniendo muy de moda la palabra ‘turbo’. Por último, Mercedes-Benz introdujo el primer motor turbodiésel que fue montado en el Mercedes 300SD.

Es en esta década cuando también se asienta la inyección con la aparición del sistema de inyección con asistencia eléctrica o electrónica. Hasta la época de los 80, en los motores de encendido provocado (MEP), o motores de gasolina, la mezcla aire combustible se realizaba en el carburador, que dejaría de utilizarse a finales de los 80, restringiéndose a sistemas sencillos de formación de la mezcla en motores pequeños. Los primeros pasos de la inyección electrónica son los sistemas Bosch K-Jetronic, pero el más usado en Europa en los 80 es el sistema Bosch L-Jetronic que era una inyección multipunto con caudalímetro de aire y control por sonda lambda.

Además de la reducción de consumo y emisiones por la sonda lambda, en esta época se producen otros avances en mejoras de emisiones con la utilización generalizada del catalizador de 3 vías, disminuyendo los elementos contaminantes contenidos en los gases de escape de un vehículo mediante la técnica de la catálisis.

En el ámbito estético esta época está marcada, entre otras cosas, por la interesante lucha de algunos fabricantes por conseguir el mejor superdeportivo de la época.

  • Los 90

Estas mejoras mecánicas inducidas en los años 80 dieron lugar, entrada la época de los 90, a coches rápidos siendo recordado el 1990 por el año con más accidentes mortales en las carreteras españolas. De ahí surge la necesidad de mejorar la seguridad de los vehículos. El punto más importante es la creación de la EuroNCAP, un programa europeo de evaluación de automóviles nuevos, que valora el nivel de protección que un modelo ofrece a sus ocupantes. En consecuencia, en esta época (80-90) empezaron a aparecer nuevos avances tanto de seguridad activa como pasiva, la mayoría de ellos de la mano de Mercedes-Benz. Esta marca alemana saca a la venta en esa época el primer coche con airbags del mercado, un Clase S, que sería el inicio de la introducción de airbags en el automóvil siendo hoy en día de uso obligatorio en automóviles nuevos. Esta misma Clase S también incluía elementos de seguridad activa, como el ABS (Anti-lock Braking System) que impide que los neumáticos se bloqueen durante una frenada fuerte y, por tanto, reduce la distancia de frenado. Mercedes-Benz también fue el pionero e introductor del sistema electrónico de control de tracción (TCS) en el mercado, que sirviéndose de los sensores del ABS, evita que se produzcan pérdidas de motricidad por exceso de aceleración.

Otro gran avance en la seguridad del automóvil también vino de la mano de Mercedes con el control de estabilidad (ESP) que surgió de la evolución del control de tracción de los 80. Este sistema actúa frenando individualmente las ruedas en situaciones de riesgo para evitar derrapes, sobrevirajes o subvirajes. El ESP corrige en todo momento la trayectoria del vehículo por lo que es uno de los elementos más importantes para evitar accidentes. Este sistema tiene que equiparse ya de serie en todos los coches nuevos desde el año 2014.

El control de velocidad también data de esta década, más que un elemento de seguridad, es un elemento de confort del conductor. El sistema controla automáticamente la velocidad del automóvil pero sólo funciona en situaciones de tráfico constantes. En situaciones de tráfico variable estos sistemas no son eficaces. Además puede ayudar a reducir el consumo del vehículo.

Por último, esta época de la automoción también está marcada por grandes avances del confort en el vehículo. Aparecieron los primeros GPS en el automóvil. Se empezaron a utilizar en gamas medias-bajas los elevalunas eléctricos y también aparecen en estos años los primeros coches con aire acondicionado.

  • Los 2000

En 1997, se aprueba el protocolo de Kioto. Esto será la base de futuras leyes destinadas a reducir las emisiones nocivas para el medio ambiente.

Las emisiones de CO2 debidas a los transportes estaban en constante aumento y además, los fabricantes de motores no introducían mejoras para reducir sus consumos. La media de emisiones específicas de CO2 en el año 2000 rondaba los 186 gramos de CO2/km. Como consecuencia, se crearon legislaciones más duras en este aspecto. El Parlamento Europeo aprueba la norma 1753/2000/CE que regula las emisiones específicas de CO2 en turismos nuevos. Su primer objetivo se centró en reducir estas emisiones a 120 g/km antes del 2005.

Los motores convencionales de combustión interna alternativos (MCIA) se modificaron para reducir sus consumos y para pasar satisfactoriamente los ciclos de homologación. Varios fabricantes aumentaron la carga en la investigación de nuevos sistemas que ayudaran a reducir los consumos y, en consecuencia, las emisiones. Entre los nuevos sistemas destacan los de distribución variable (Valvetronic de BMW, VTEC de Honda o WT de Toyota), los sistemas de activación y desactivación de cilindros y el sistema Start&Stop. Los sistemas de reducción de partículas y recirculación de gases (EGR) también sufren mejoras.

Además se desarrollan sistemas de propulsión alternativos. En primer lugar se buscan motores que soporten combustibles más ecológicos o mezclas de combustibles convencionales con biocombustibles. Paralelamente, se desarrollan automóviles híbridos. Estos vehículos se caracterizan por combinar un MCIA con un segundo motor eléctrico, por lo que se reduce el consumo y emisiones del vehículo. Además aporta otros beneficios como incrementar la potencia o la posibilidad de recuperar la energía que se disipa en la frenada. Se empieza a investigar el automóvil totalmente eléctrico y el motor de hidrógeno para estudiar su viabilidad e incorporación a medio plazo.

Otro de los problemas de la industria del automóvil es la gran cantidad de materiales derivados del petróleo que se emplean. Esto hace que el precio de dichos materiales varíe en función del precio del petróleo. En los últimos años, se ha ido incrementando constantemente, por lo que los materiales plásticos también se han encarecido. También se busca que los materiales que forman el automóvil sean ecológicos y reciclables.

Con el fin de no depender del precio del petróleo y de no dañar al medio ambiente, se empezaron a incorporar materiales ecológicos. Estos nuevos materiales deben mantener los estándares de calidad y minimizar su peso en la medida de lo posible para poder reducir las emisiones de CO2. Se investiga la reutilización de residuos de otros procesos que procedan de fuentes renovables ya que son más económicos. Los procesos que se empleen en su obtención deben respetar también el medio ambiente.

Estos proyectos fueron apoyados por organismos y grandes empresas internacionales interesados en reducir el número de productos no renovables que se emplean en la industria. De este modo, nacen proyectos como GreenMotion, destinados impulsar el uso de materiales de bajo impacto ambiental en el automóvil. El objetivo es sustituir los plásticos por este tipo de materiales ecológicos sin perder calidad.

  • En los 2010

Una de las leyes más influyentes en cuanto al consumo de vehículos es la ley CAFE (Corporate Average Fuel Economy) vigente en los EE UU, Europa y otros. Vamos a comentar el caso EE UU, esta normativa establece un límite de emisiones en caso de que los constructores no cumplan esta normativa, se les aplican severas sanciones.

En el gráfico 1 se puede ver la evolución de dichos límites en los últimos años.

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Gráfico 1: Límites establecidos por la normativa CAFE.

Esta ley hace que los fabricantes empeñen su tiempo en mejorar sus motores pero también lo hagan en modificar los materiales empleados. Se prevé que en un futuro próximo se vendan menos vehículos grandes pero que se incrementen las ventas de vehículos utilitarios por ser más ligeros y ecológicos. Se busca minimizar su tamaño pero manteniendo o aumentando su potencia. Este método recibe el nombre de ‘downsizing’.

Los fabricantes de automóviles van mejorando la relación tamaño/peso. Es un trabajo complejo porque hay que seguir manteniendo o incrementando el nivel de seguridad requerido. Sin embargo, cada día es más difícil alcanzar esos objetivos modificando solamente el motor. Los fabricantes se ven obligados a cumplir esos límites para no ser sancionados y buscan nuevas vías de investigación para poder cumplirlos.

Otro método que tiene como objetivo reducir las emisiones de CO2, es el uso de materiales ligeros. Un motor que tiene que mover un conjunto menos pesado consume menos. En consecuencia, emite menos gases a la atmósfera. Materiales como el aluminio y el magnesio cobra importancia debido a su relativamente baja densidad.

Los plásticos reforzados con fibra de vidrio tienen bastantes aplicaciones pero sus usos se centran más en componentes no-estructurales, debido a que ofrecen menos resistencia que los materiales metálicos. Otro ejemplo de composite con diversas aplicaciones es la fibra de carbono. Su uso también mejora la parte estructural del vehículo, no sólo la estética, ya que presenta muy buenas propiedades en pruebas de impacto. Su principal inconveniente es su alto coste pero, hay fabricantes, como BMW, que prefieren invertir en materiales ligeros para ahorrar costes en motores o baterías.

La introducción de nuevos materiales implica un desarrollo en los procesos de fabricación y en las herramientas que se emplean. Otra de las líneas de investigación se centra en cómo unir estos materiales. Cada uno de ellos tiene una naturaleza diferente por lo que en la mayoría de los casos las técnicas tradicionales de unión pueden no funcionar.

Aun reduciendo el peso del automóvil y mejorando la eficiencia de los motores de combustión interna, los modelos de coches más grandes y pesados ven muy complicado cumplir las nuevas normativas. La solución pasa por incorporar tecnología híbrida, es decir, introducir un motor eléctrico que apoye al de combustión sin que emita tantos gases.

También se está mejorando el coche eléctrico. En la actualidad ya es una realidad pero su baja autonomía le impide competir directamente con otros automóviles. Su uso se está centrando en trayectos cortos. Generalmente son vehículos pequeños destinados a circular por la ciudad.

Actualmente se intenta reducir el tamaño y peso de las baterías para poder mejorar su autonomía. El sector del coche eléctrico también está interesado en desarrollar materiales ligeros que le faciliten el trabajo a sus motores.

  • Actualmente

El mercado no sólo se centra en satisfacer las leyes sobre contaminantes, también trata de incorporar todo tipo de tecnologías en los vehículos. Actualmente los consumidores demandan poder sincronizar las aplicaciones (apps) de los smartphones con el coche.

La manera de conectarse a Internet depende del fabricante. La mayoría apuestan por integrar el smartphone en el coche mientras que otros prefieren desarrollar un sistema operativo directamente en el automóvil. Una estandarización facilitaría un mejor desarrollo de estas tecnologías. Otro dispositivo implantado en algunos automóviles, y obligatorio a partir de diciembre de este año es e-call, que llama directamente al 112 en caso de accidente grave, por ejemplo cuando saltan los airbags.

En la actualidad también se está desarrollando el coche de hidrógeno. Toyota presentará este año el Toyota FCV. Entre las ventajas de este sistema destaca que superan fácilmente los 500 km de autonomía y que son capaces de recargar (rellenar la pila) en apenas tres minutos. La gran desventaja de estos vehículos es el coste del hidrógeno y su obtención. Además la vida estimada de la pila es 100.000-150.000 km y el recambio rondaría los 50.000€.

Por último, se están desarrollando varias tecnologías como son los avances de la iluminación LED, la dirección trasera activa, la transmisión de hasta 9 cambios o el park-assist.

2. La reducción de peso

La normativa CAFE, de los vectores mostrados como dinamizadores de la innovación en el sector de automoción en los últimos 40 años, es la que mayor importancia ha tenido para la búsqueda de vehículos más ligeros y por lo tanto en la utilización de nuevos materiales más ligeros, vamos a analizar la norma para entender porque.

La normativa CAFE Europea plantea que las emisiones de la media de la gama de una marca tiene que ser inferior a

CO2máximo=CO2medio + A x (M- M0)2

Donde:

  • CO2medio se ha obtenido de la gráfica 1 para cada año para el vehículo medio de 1.370 kg.
  • A es una constante 0,0457.
  • M es la masa media de toda la gama de vehículos del OEM a analizar.
  • M0 es la media de peso de los vehículos europeos, 1.370 kg en el 2011.

Esta normativa limita las emisiones de CO2 en los vehículos además se pide una reducción continua hasta el 2020 como se puede observar en la gráfica 1. Para conseguir esta reducción de emisiones se puede trabajar desde distintos frentes:

  1. Reducción del volumen exterior del vehículo, manteniendo el volumen interior para los ocupantes, una reducción en la silueta del vehículo tiene una repercusión directa en el peso del coche.
  2. Mejorar aerodinámica, reducciones de área proyectada unos 5 dm cuadrados tienes un impacto reducciones de 2 gramos de CO2.
  3. Optimización del mix de mercado de la marca, como el valor se mide sobre la media de toda la marca cuantos más vehículos pequeños, hídridos o eléctricos con menores emisiones tenga más se puede compensar los de mayores emisiones.
  4. Optimizar el sistema de propulsión, mejorar la emisión de los motores.
  5. Minimizar la resistencia a la rodadura.
  6. Reducir el peso del vehículo, cuanto menos peso tenga el coche se pueden usar motores más pequeños y emite menos.

De los 6 puntos comentados hasta el 2010 sobre los puntos 1 y 6, no es que no se hubiera trabajado sino que se había actuado negativamente pues cada nuevo vehículo era más pesado y más grande que el anterior hasta esta fechas. Con la reducción de peso como una línea básica para mejorar las emisiones el uso de nuevos materiales en las zonas estructurales del vehículo ha cobrado una vital importancia, las familias de nuevos materiales más destacadas son:

  1. Uso de nuevos aceros, con alto limite elástico y mejorados en su confortabilidad.
  2. Uso de aluminios como sustitución de aceros.
  3. Uso de materiales composites, esta última es la alternativa que se estima con mayor posibilidad de reducción de peso pero actualmente con mayores costes directos
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3. Conclusiones

Los nuevos materiales van a posibilitar reducciones de peso de los vehículos, pero se utilizaran no solo composites sino también aceros y aluminios, por lo cual en el medio plazo habrá un convivencia de estructuras hibridas.

Estas soluciones híbridas plantean los problemas de unión entre materiales distintos y la industrialización en una línea de producción de gran cadencia.

Los composites son los materiales más prometedores a nivel de reducción de peso pero plantean una serie de problemas en lo tocante a cadencia de fabricación, coste y reciclabilidad.

Agradecimientos

El autor desea agradecer a sus compañeros del grupo de nuevos materiales de CTAG, los cuales nos apoyan y ayudan a continuar avanzado en el conocimiento.

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