Mejorar las propiedades mecánicas del automóvil mediante composites

2020 es un año marcado en rojo para los fabricantes de vehículos, ya que los nuevos automóviles que salgan a la venta a partir de esta fecha no podrán superar los 95 gramos de dióxido de carbono por kilómetro. Así lo determina la normativa europea que limita las emisiones del transporte en carretera en general.

Dada su importancia, la industria automovilística ha establecido una hoja de ruta con diferentes medidas para reducir las emisiones de gases, principalmente dióxido de carbono, como son la reducción de peso del vehículo, la mejora de la eficiencia aerodinámica, la introducción de nuevos motores más eficientes, la reducción del consumo de la energía eléctrica y el fomento de la conducción eficiente.

De todas estas, la reducción de peso es una de las medidas prioritarias, ya que mejora de forma exponencial la eficiencia de todos los vehículos, pues un 10% de reducción de peso rebaja la potencia requerida del motor y el consumo de combustible entre un 6 y 8%. Esta reducción de peso es posible con una mejora en el diseño, pero también con la utilización de materiales más ligeros y con prestaciones similares a los materiales utilizados actualmente. Ahora mismo, casi un 75% del peso del vehículo son metales, de los cuales el 67% son férricos.

En este contexto, investigadores del centro tecnológico Eurecat están estudiando la hibridación de fibras y tejidos de refuerzo para mejorar las propiedades mecánicas de los materiales compuestos, con tal de facilitar su aplicación en la industria automovilística e incluso la aeronáutica. En concreto, los investigadores están probando la hibridación de hilos de refuerzo sobre un componente estructural de composite en el que se ha utilizado la tecnología RTM (Resin Transfer Molding) y la introducción de microondas para reducir los tiempos de curado, a fin de mejorar los tiempos de ciclo de fabricación.

El proceso de RTM que se utiliza en aeronáutica y en otros sectores de alto valor añadido puede ser una de las tecnologías potenciales para el sector automoción, que necesita innovaciones que permitan procesos de alta producción, viables desde el punto de vista de costes, para la fabricación de piezas con prestaciones avanzadas de ligereza y resistencia.

Ejemplo 1 de un proceso de termoconformado de prepreg de una pieza estructural de automoción.

Dentro de los composites poliméricos o plásticos reforzados, podemos distinguir dos grupos bien diferenciados; los composites de matriz termoestable, que son compuestos ampliamente conocidos en sectores tan diversos como la aeronáutica, la Fórmula 1 o la construcción, y los composites termoplásticos donde en los últimos años ha habido un incremento importante en el desarrollo de nuevos materiales, procesos de conformado y en su utilización.

Los plásticos reforzados con fibra presentan diferentes ventajas, como una alta relación en la resistencia entre mecánica y peso, una óptima resistencia al desgaste y a la fatiga, propiedades de aislamiento térmico, eléctrico y acústico, y una alta resistencia a la corrosión, además de una alta rigidez a la par que flexibilidad.

Por todas estas razones, los fabricantes del sector automoción no descartan ningún tipo de matriz polimérica e incluso la combinación entre diferentes fibras con el fin de desarrollar materiales compuestos a medida y poder producir componentes ligeros de altas prestaciones a costes competitivos.

Desde la entrada de los composites a la industria, ha habido una evolución en las tecnologías de fabricación de componentes con este tipo de materiales. Actualmente, existen técnicas muy diversas en función de las materias primas, geometría y dimensiones, número de piezas, requerimientos mecánicos y calidad exigida.

El sector automoción es una industria muy competitiva donde los componentes tienen unas solicitaciones mecánicas importantes pero, además, se necesita un alto volumen de producción que permita obtener piezas a un coste aceptable. Por esta razón, actualmente se están valorando diferentes procesos de fabricación de piezas de composites que cumplan, al menos, estas tres premisas: El proceso RTM o Resin Tranfer Moulding, el conformado por prensa o press-forming, la inyección y la pultrusión.

Así, vemos como la innovación en materiales composites es clave en el sector automovilístico para dar respuesta a los requisitos legales de reducción de emisiones para 2020, así como a las necesidades de ligereza y robustez que está introduciendo el vehículo eléctrico.

De hecho, se espera que el consumo de los composites de matriz polimérica se duplique en menos de tres años, pues sus prestaciones ofrecen un gran interés en el transporte aéreo, terrestre, ferroviario y naval.

Es indudable el interés de la industria automovilística en los materiales compuestos, pero es necesario un esfuerzo en I+D para superar los retos tecnológicos en cuanto a materias primas, diseño óptimo de las piezas, procesos de fabricación y post-proceso que ayuden a los materiales compuestos a competir con los materiales metálicos.

Dentro de los proyectos de I+D de Eurecat donde se han estudiado las facilidades de fabricación de componentes en material compuesto para el sector automoción, se encuentran los proyectos Structlighty Comhi.

Structlight es un proyecto liderado por la empresa Batz y subvencionado por la convocatoria Innpactos del Ministerio de Economía, Industria y Competitividad. El objetivo principal ha sido el desarrollo de componentes estructurales ligeros para automoción en materiales compuestos de matriz termoplástica.

Comhi es un proyecto de I+D de Eurecat donde el objetivo principal es el desarrollo de piezas de altas prestaciones mecánicas en composite de matriz termoestable mediante la tecnología RTM para el sector automoción. Para conseguir este objetivo, se está trabajando en el desarrollo de hilos híbridos (combinaciones de fibras de carbono con fibras poliméricas) con el fin de modificar el comportamiento mecánico y reducir costes. Paralelamente, se están diseñando y fabricando tejidos a medida para mejorar las propiedades mecánicas y facilitar el proceso mejorando, así, la productividad.

Desde Eurecat existe una colaboración muy estrecha con empresas de materiales, fabricantes de piezas del sector transporte, así como usuarios finales para el desarrollo y la mejora de los plásticos reforzados y procesos productivos con el fin de obtener piezas de altas propiedades mecánicas, con elevada cadencia productiva y con el menor consumo energético posible.