Cómo un acero “moderno” puede ayudar a la industria del automóvil a lograr objetivos medioambientales

Se acaba el plazo para que la industria del automóvil cumpla su acuerdo con la Comisión Europea respecto a las emisiones de dióxido de carbono. A partir del 2008, las emisiones medias de vehículos nuevos no deberán sobrepasar los 140 gramos por kilómetro. En términos de consumo, esta cantidad se traduce en 6 litros de gasolina por cada 100 kilómetros, valor que en la actualidad muy pocos vehículos en circulación cumplen. Para alcanzar los futuros límites, los nuevos vehículos a desarrollar deberán ser mas ligeros y mas eficientes en su consumo de combustible. Al mismo tiempo, habrá que considerar las demandas de los compradores en lo que a confort, seguridad, prestaciones y precios razonables se refiere. Una forma de conseguir todo esto, es mediante el aumento del uso de los aceros avanzados de alta resistencia, que ya han venido experimentado un desarrollo espectacular en los últimos años.

El bastidor de la cuna de montaje para la fila central de asientos del Volvo XC90 esta realizado en aceros avanzados de alta resistencia producidos por SSAB Tunnplåt. Aunque solo pesa 16,4 kg, el bastidor puede resistir fuerzas durante una colisión de hasta 6 toneladas.

El acuerdo con la CE incita a los fabricantes de coches a acelerar el desarrollo de nuevos modelos con un consumo mas eficiente. El tiempo pasa y en el 2008 la nueva normativa entrará en vigor. Es de dominio público que los objetivos a alcanzar son importantes, máxime cuando la circulación vial es uno de los mayores focos de emisión de dióxido de carbono y es por ello que tanto la opinión pública, en general, y las organizaciones reguladoras, en particular, esperan mucho a este respecto de los fabricantes de coches.

El desarrollo técnico deberá desarrollarse en varios frentes. Un aspecto importante es que motores y sistemas de transmisión sean mas eficientes y se reduzca la fricción en las partes móviles. Los compradores de coches deberán llegar a un equilibrio entre prestaciones y demandas en confort. La tendencia inercial hacia el aumento de peso deberá ser reversible, en particular en los vehículos de tamaño medio y grande y especialmente en los vehículos SUV (Sportive Utility Vehicles), cuyo crecimiento esta siendo espectacular. Los coches en estas categorías vienen, a menudo, bien equipados de serie y su nivel de equipamiento mejora continuamente.

“Gran parte del equipamiento de serie actual era considerado como opcional y de lujo tan solo hace unos pocos años,” considera Kennet Olsson, responsable técnico-comercial para el automóvil en SSAB Tunnplåt. “Los tiempos han cambiado y equipamientos como ventanillas eléctricas, ABS, aire acondicionado y retrovisores eléctricos, contribuyen en la actualidad a unas mejores condiciones de conducción, a la vez que aumentan la seguridad. La mejora del equipamiento, sin embargo, aumenta el peso del vehículo, lo que se traduce en un mayor consumo de carburante y por ende en un aumento en las emisiones”.

De lo que no cabe duda, es que la elección de los materiales apropiados para la realización de todo ese equipamiento estándar, resulta primordial a efecto de peso en el vehículo. El peso de la carrocería en un vehículo normal de pasajeros resulta aproximadamente la quinta parte del peso total del coche. Le sigue motor y transmisión que contribuyen, aproximadamente, con 18% al peso total. El chasis, los parachoques y la suspensión representan el 12%. Nuevos materiales tales como los aceros avanzados de alta resistencia pueden ser usados para reducir en gran medida el peso de muchas de las anteriores partes.

“El acero es un material muy apropiado para la fabricación de partes estructurales y relacionadas con la seguridad pasiva del vehículo, aquellas que implican absorción de energía,” explica Kennet Olsson. “Robustez, resistencia a la fatiga, conformabilidad y precio inclinan la balanza del lado del acero, y además, en las actualidad los aceros avanzados de alta resistencia aportan un nuevo y contundente argumento y es que una carrocería realizada con aceros de alta resistencia básicamente pesa lo mismo que una equivalente realizada en aluminio.”

“Esto quiere decir que los fabricantes podrán reducir el peso de sus vehículos si realizan inversiones razonables en nuevos recursos, siendo posible conservar la mayoría de la experiencia y de los equipos que ya tienen,” añade Kennet Olsson. “Esto favorecerá alcanzar los objetivos medio-ambientales dentro del plazo estipulado y a un coste razonable.”

Kennet Olsson piensa que la comparación del acero con el aluminio es incorrecta. ”Los materiales son totalmente diferentes y tienen diferentes propiedades. Admitiendo que el aluminio tiene un peso especifico mucho mas bajo, lo que equivale a decir que un cierto volumen de aluminio pesa menos que el mismo volumen de acero, son muchas otras las propiedades del material que entran en juego dentro de una estructura.”

Las propiedades técnicas del acero ofrecen otras ventajas con respecto a las del aluminio, por ejemplo, mayor resistencia estática y dinámica y también mayor resistencia a la fatiga. En una estructura sometida a una amplia variedad de fuerzas, las anteriores propiedades aseguran una vida útil mayor y una mejor resistencia al impacto.

Desde un punto de vista económico, el hecho de que el acero pueda ser mecanizado y conformado utilizando los métodos y máquinas convencionales es importante. El acero puede representar también un activo desde un aspecto medioambiental. “Comparado con el aluminio, se necesita mucho menos energía para producir el acero,” explica Kennet Olsson. “Ambos materiales son reciclables, pero la ventaja del acero radica en que se pueden utilizar partidas de distintas procedencias y calidades para su reciclado. Es mas fácil eliminar impurezas cuando se refunde el acero, que cuando lo hace el aluminio. Además, el acero puede ser reciclado un número indeterminado de veces sin que su calidad se vea afectada.”

Los aceros avanzados de alta resistencia contribuyen a reforzar los asientos, haciéndolas a la vez mas livianos y seguros.

El interés por los aceros avanzados de alta resistencia es cada vez mayor.

“Todo empezó en serio hace unos años cuando se presentó un nuevo concepto basado en el proyecto ULSAB,” remarca Kennet Olsson. “Se demostró la disponibilidad de una gran oportunidad, y desde entonces, la proporción del uso de aceros de alta resistencia se ha visto incrementada continuamente. Varios productores de automóviles están usando la ventaja competitiva de los aceros de alta resistencia como argumento en la búsqueda de nuevos compradores.”

Los aceros de fase dual, Dual Phase, están ganando espacio entre los fabricantes de automóviles. Las principales características que presentan estos aceros es un bajo límite elástico en relación a su carga de rotura, buena soldabilidad y excelentes propiedades de conformación por estiramiento. Visto de forma global, los aceros de fase dual encajan perfectamente en la producción de automóviles.

“Como su propio nombre revela, las características de estos aceros son parcialmente debidas a la presencia de dos fases que determinan las propiedades del acero,” explica Kennet Olsson. “Una vez producido el acero, sus propiedades hacen que el material sea fácil de utilizar. El endurecimiento por deformación y el ‘bake hardening’ durante el curado de la pintura producen una mejora adicional en el material y le hacen mas resistente. Esta propiedad puede ser usada tanto en la fase de producción como en el diseño de partes de protección contra impacto.”

El secreto de los aceros de fase dual reside en la forma de fabricarse. Sus singulares propiedades se alcanzan mediante un proceso de recocido continuo y el subsiguiente templado en agua. El proceso está basado en su totalidad en una combinación de calentamiento y enfriamiento con agua, lo que lo hace solidario con el medio-ambiente. El acero adquiere una microestructura especial consistente en una fase dura llamada martensita, que transmite resistencia al acero y otra fase blanda llamada ferrita que explica su gran conformabilidad del acero. Esto permite alcanzar una alta resistencia a pesar de que el contenido de elementos de aleación sea muy bajo. Estos aceros son, por ello, fáciles de soldar y conformar.

La empresa italiana Frigostamp ha introducido las ventajas de los aceros de fase dual en la fabricación de una barra de protección contra el impacto lateral, que ha sido desarrollada para diferentes modelos de Fiat y de otros fabricantes. Las barras han sido diseñadas específicamente para vehículos donde sus demandas de seguridad se dictan de acuerdo a las últimas regulaciones EuroNCAP. Mediante el uso de los aceros de alta resistencia los diseñadores han desarrollado un barra mas ligera con un volumen geométrico muy moderado.

“En un impacto, una barra es deformada en un muy corto espacio de tiempo,” dice Paolo Cavallo de Altair Engineering, empresa involucrada en el desarrollo de la barra. “La deformación y la energía de absorción deben de ser uniformes a lo largo del proceso de impacto, y la invasión de la puerta dentro del habitáculo interior no deberá ser muy evidente. Las altas fuerzas involucradas deberán ser contrarrestadas en un espacio de unos pocos centímetros.”

La solución al problema fue la realización de una barra en acero avanzado de alta resistencia de fase dual con una carga de rotura de 1000 MPa. La sección transversal de la barra tiene la forma de una doble acanaladura que resulta relativamente fácil de producir. El peso completo de la barra es de 1,8 kG.

“La barra anti-impacto lateral de Frigostamp demuestra las oportunidades ofrecidas por los aceros avanzados de alta resistencia, tanto para diseñadores como fabricantes de vehículos,” dice Kennet Olsson. “La barra es muy delgada y a pesar de su aparente liviandad, proporciona una protección efectiva en una gran variedad de impactos laterales. Esta impresionante demostración muestra como puede ser alcanzada una protección efectiva mediante el uso de una pequeña cantidad de material.”

“Las oportunidades son enormes, y poseemos la técnica para usar eficientemente los aceros avanzados de alta resistencia” continua Kennet Olsson. “Pero los desarrollos no solo deben ser confinados a reemplazar aceros convencionales por aceros de alta resistencia. Los aceros avanzados de alta resistencia pueden reemplazar al aluminio en una aplicación como puede ser la fabricación de asientos. El objetivo aquí es mantener un bajo peso provocando una disminución de costes, lo que es posible mediante el uso de estos aceros. Además, los aceros de alta resistencia permiten lograr un diseño mas compacto”.

Los aceros avanzados de alta resistencia pueden ser usados en una amplia variedad de piezas para reducir el peso hasta en un 50%.

En el Volvo XC90, por ejemplo, un complicado problema de montaje para la fila central de asientos ha sido solucionado por medio del montaje de un bastidor en el suelo del coche, fabricado con aceros avanzados de alta resistencia.

El bastidor de montaje, oculto en el suelo bajo el asiento, debe absorber la totalidad de la fuerza ejercida durante la colisión sobre los tres ocupante de la fila central de asientos. Los ensayos de impacto mas extremos han producido fuerzas equivalentes a 6 toneladas.

“El respaldo no puede ir asegurado a las paredes laterales del coche,” remarca Martín Wallström, ingeniero de diseño de Volvo Car y la persona responsable del desarrollo del nuevo bastidor para montaje. “Para alcanzar un alto nivel de comodidad para todos los pasajeros, el respaldo de los asientos de la fila central debe batirse para permitir a los pasajeros entrar y salir de la parte trasera del coche. El respaldo no puede asegurarse a las paredes laterales del coche como es la forma mas usual, pero además, la caja del mecanismo del cinturón de seguridad del asiento central deberá ensamblarse en el respaldo. El bastidor deberá ser capaz de recoger todas estas fuerzas sin ningún tipo de sujeción lateral.”

El bastidor de montaje, oculto en el suelo bajo el asiento, debe absorber la totalidad de la fuerza ejercida durante la colisión sobre los tres ocupante de la fila central de asientos

La solución final al problema ha sido realizar un marco de bastidor en el que su barra frontal, cuyo perfil es abierto, esta producida en un acero avanzado de alta resistencia con carga de rotura de 1200 MPa. La barra posterior del marco, que absorbe la mayoría de las fuerzas, es de sección cerrada y esta producida en acero bonificable al boro con una mayor carga de rotura. Las otras dos barras laterales que configuran el bastidor anti-impacto, están estampadas en una acero de alta resistencia con un límite elástico de 600MPa.

La solución para las estrictas demandas medio-ambientales

La proporción de aceros avanzados de alta resistencia usados en la producción de carrocerías de automóviles esta aumentando continuamente, pero hay todavía trabajo que hacer. El proyecto ULSAB-AVC ha demostrado la existencia de oportunidades, y nos ha presentado un vehículo completo capaz de cumplir con las emisiones de dióxido de carbono exigidas por la EU.

“El proyecto ULSAB-AVC ha sido un éxito y ha sido la punta de lanza definitiva para la entrada de los innovadores aceros de alta resistencia dentro de la industria del automóvil,” considera Kennet Olsson. “Debemos admitir que los aceros de alta resistencia han sido ampliamente utilizados por la industria del automóvil, pero vehículos cuya carrocería se realice en su totalidad de aceros avanzados de alta resistencia serán, a buen seguro, más seguros que los actuales. Esto será parte de la solución para alcanzar el deseado futuro medioambiental y las demandas de calidad.”

“Los aceros avanzados de alta resistencia son el material mas apropiado para producir automóviles mas ligeros, a la vez de mas resistentes, seguros y cómodos,” dice Kennet Olsson.