Los fabricantes de automóviles utilizan los materiales compuestos cada vez en más aplicaciones y en mayor volumen para reducir el peso de los automóviles
A principios de este año BMW anunció que realizaría un uso extensivo de los plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP, carbon-fibre reinforced plastic) en el chasis de la próxima generación del sedán de lujo de la Serie 7. Los nuevos modelos serán 130 kg más ligeros que los anteriores, a pesar de haber aumentado los equipos de seguridad y comodidad para los pasajeros. También han reducido el consumo de combustible y las emisiones de CO2, la pérdida de peso también ha descendido el centro de gravedad, lo que mejora su manejabilidad.
Según Jürgen Köhler, CEO de SGL Group, un socio clave en los proyectos de CFRP de BMW, “El uso de productos con fibra de carbono en la nueva Serie 7 de BMW es otro hito en el uso a gran escala de la fibra de carbono en la industria del automóvil".
El enfoque de los materiales mixtos
Los vehículos se producen entorno a una estructura de carrocería con un material mixto de ‘Núcleo de carbono’. El uso de CFRP para los elementos estructurales de la cabina de pasajeros, como los pilares B, aumenta la resistencia general y la rigidez de torsión y flexión. Esto permite ajustar la configuración de los elementos de lámina metálica de la cabina, lo que permite una reducción en el peso de la carrocería.
El CFRP se utiliza también en el marco de techo híbrido del vehículo. SGL Automotive Carbon Fibers (SGL-ACF) producirá las fibras de carbono para esta aplicación, se trata de una joint venture entre BMW y SGL Group y cuenta con una planta en Moses Lake, Washington, donde se ha aumentado la capacidad constantemente en los últimos años. Se producirán preformas a partir de estas fibras mediante un proceso de producción textil completamente automático. Las preformas se enviarán directamente a BMW Group para luego convertirlas en piezas de CFRP.
BMW afirma que su experiencia en la producción del i3 con uso intensivo de CFRP y el modelo i8 han sido claves para habilitar este desarrollo.
El volumen total de fibra de carbono utilizada en el nuevo BMW Serie 7 es el segundo mayor en la industria del automóvil, solo por detrás de los modelos i.
Diseño, producción y ensamblado
La rigidez y ligereza del CFRP son ideales para la producción de componentes estructurales del automóvil, pero su uso a gran escala requiere un cambio total en el diseño, producción y ensamblado de estas piezas, lo que representa una gran inversión para los constructores.
En 2010 se anunció y vendió en edición limitada el modelo Sesto Elemento de Lamborghini y es uno de los ejemplos más destacados de lo que se puede conseguir con un uso extensivo del CFRP. El modelo se basa en el Gallardo y se construye entorno a un monocoque de CFRP, el motor V10 y los 610 CV propulsan el vehículo de 999 kg a los 100km/h en tan solo 2,5 segundos y alcanza una velocidad máxima de 300km/h. Además de alcanzar este espectacular rendimiento, la producción del Sesto Elemento permitió a los ingenieros de Lamborghini probar diversas tecnologías para la producción de las piezas de CFRP.
La marca tiene un extenso historial en el uso de CFRP en sus vehículos. El Murciélago estuvo en producción entre 2001 y 2010, y contaba aproximadamente con un 31% (por peso estructural) de preimpregnados de epoxi reforzados con fibra de carbono. Estos materiales se utilizaron en todos los paneles exteriores de la carrocería y en piezas estructurales internas que luego se unieron al chasis de acero.
Coste frente a volumen
En la construcción del vehículo Lamborghini experimentó los elevados costes asociados a la aplicación de las capas de CFRP para estas estructuras y el largo periodo de curación en autoclave que requieren. Sin embargo, la empresa concluyó que el proceso era adecuado para el Murciélago, cuya tasa de producción es de aproximadamente 400 unidades anuales.
El Alpha Romeo 4C pesa 895 kg y cuenta con un uso extensivo del aluminio y materiales compuestos moldeados en láminas y de baja densidadSe producen aproximadamente 800 piezas al año, los componentes CFRP del Aventador se producen principalmente con tecnologías de resinas líquidas, tales como el moldeo por transferencia de resina termoestable ayudado de vacío (VaRTM) y el moldeo por transferencia de resina (RTM). Lamborghini considera que estas tecnologías son eficientes para estos volúmenes, pero una operación de mayor escala requeriría de nuevas tecnologías.
Materiales compuestos forjados
Una de las principales innovaciones que introdujo Lamborghini con el Sesto Elemento es un material denominado como Compuesto forjado, que se utiliza en el monocoque y en los brazos de suspensión del vehículo. Se desarrolló en asociación con el fabricante de palos de golf Callaway. El material discontinuo reforzado con fibra está diseñado para facilitar la producción de piezas CFRP a mayor escala.
Los Compuestos forjados están basados en el compuesto de moldeado en láminas reforzadas con fibra de carbono (CFSMC) que suministra Quantum Composites. Se produce a partir de haces de fibra de carbono con una longitud de 25,4 mm (53% del peso del material), que se distribuyen aleatoriamente en una malla entre dos capas de resina de viniléster. El conjunto se compacta mediante rodillos para su forma laminada y se enrolla en bobinas similares al preimpregnado estándar.
El material está diseñado para moldeo de compresión en una herramienta metálica y prensa caliente. Su temperatura de curación es de entorno a 132-160°C con presiones de 6,9-10,3MPa, el tiempo de curación es de entre tres y cinco minutos. Lamborghini asegura que el material permite una reducción drástica en los ciclos de producción y la producción de geometrías complejas tridimensionales que no son posibles con las láminas continuas reforzadas con fibra.
El uso de los Compuestos forjados permitió a la marca reducir el peso de los brazos de control de la suspensión del Sesto Elemento en aproximadamente un 27% respecto a las versiones de aluminio del modelo Lamborghini Gallardo LP570-4 Superleggera de 2010. Además, estas piezas se producen en tan solo seis minutos.
Desde el desarrollo del Sesto Elemento, los Compuestos forjados se han utilizado para producir los asientos de dos piezas del roadster Aventador J y también en la bahía del motor del nuevo Huracán. Sin embargo, el chasis del Huracán es una estructura de materiales mixtos que comparte con su homólogo de Volkswagen, el Audi R8. El chasis R8 Audi Space Frame (ASF) es una estructura de aluminio y CFRP que pesa tan solo 200 kg – 10 kg menos que su predecesor.
Los módulos frontal y trasero del ASF son enteramente de aluminio, pero se utiliza el CFRP en la pared trasera, el túnel central y los pilares B de tres piezas. Estos componentes grandes se producen en un proceso RTM, forman la columna vertebral del ASF y representan un 13% de la estructura.
En el travesaño de la pared trasera, donde se requiere una alta resistencia en el sentido transversal, las capas de fibra de CFRP están alineadas de manera unidireccional. Son hasta 14 capas colocadas una encima de otra que forman una lámina de 5 mm de grosor con una resistencia tensil de 3,95 GPa. En los refuerzos del pilar B, las capas de fibra están alineadas en todos los sentidos para hacer frente a las cargas longitudinales y transversales. La resistencia tensil de estas piezas es de 0,9 GPa.
Hay una gran similaridad entre este enfoque y el de BMW en la serie 7.
Más aplicaciones tradicionales
Parece que también Audio introducirá piezas CFRP en sus vehículos más convencionales. En junio de este año el asociado de Audi en materiales CFRP desde hace muchos años, Voith, anunció que había recibido un pedido del fabricante alemán para producir grandes volúmenes de componentes CFRP para uno de sus modelos futuros.
"Las ruedas de fibra de carbono [en el Shelby GT350R Mustang] reducen el peso del vehículo en 27 kg en comparación con el aluminio y son más rígidos para una mejor respuesta de dirección" – Adam Wirth, Ford
Recientemente se ha utilizado CFRP para producir componentes estructurales para vehículos mucho más baratos que el Huracán o el R8. Con un precio de 69.500 dólares, el Alpha Romeo denomina al 4C como el 'supercoche económico'. Lanzó el 4C en 2013 y se produce en la planta de Maserati en Modena, Italia. Tiene una aceleración de 0-100km/h en tan solo 4,5 segundos y alcanza una velocidad de 258km/h.
Este rendimiento se debe a que han garantizado la relación de peso a potencia de menos de 4 kg por caballo, los diseñadores del 4C decidieron reducir el peso en lugar de aumentar los caballos. El automóvil pesa tan solo 895 kg y cuenta con un uso extensivo del aluminio, compuestos de moldeado en láminas de baja densidad (SMC) y CFRP.
Construcción de una pieza
El 4C destaca por un monocoque de CFRP producido en un proceso similar al utilizado el LaFerrari de 1 millón de libras. El monocoque de una pieza pesa 65 kg y lo produce Adler Group en Nápoles. Para producirlo se utiliza el preimpregnado de fibra de carbono E700 de TenCate Advanced Composites y se coloca manualmente, se embolsa al vacío y luego se cura en un autoclave.
Mediante este proceso Adler es capaz de producir en una única fase componentes que normalmente requerirían diversas piezas y múltiples pasos de producción. Un pilar de puerta de acero convencional, por ejemplo, necesitaría entorno a seis piezas diferentes. En el 4C, el pilar de puerta es parte del monocoque. La complejidad y el coste de producir este monocoque solo puede justificarse por el reducido volumen, se producirán un máximo de 3.500 unidades del 4C cada año.
La rueda de fibra de carbono del Shelby GT350R utiliza un elemento de molde de polímero flexible y es más ligero que las versiones de aluminioEstas ruedas son un 50% más ligeras que las alternativas de aluminio y estarán presentes en el Shelby GT350R Mustang de Ford en su versión estándar. La empresa australiana Carbon Revolution ha colaborado en su desarrollo.
Carbon Revolution ha desarrollado una técnica de infusión de resina al vacío que evita el uso de preimpregnados, los cuales requieren un transporte y almacenamiento a baja temperatura (casi congelados), tienen una vida útil limitada después de la formación, son costosos y dificultan la conformación geometrías complejas y como ya hemos mencionado, deben moldearse y curarse a gran presión.
Polímeros flexibles
El método de esta empresa aplica un elemento de molde de polímeros flexibles. Este elemento flexible puede moldear cavidades imposibles con los moldes rígidos convencionales. Además, el molde de polímeros flexible es más barato de producir que los moldes rígidos y permite producir otros componentes de mecanizado con menores tolerancias. En comparación, los moldes sólidos emparejados deben mecanizarse con altas tolerancias para obtener un encaje adecuado con los componentes de molde contiguos.
Adam Wirth, supervisor de chasis en Ford Performance, comenta: “Las llantas de fibra de carbono reducen el peso del vehículo en 27 kg respecto al aluminio, además son más rígidas para una mejor respuesta de dirección". Según Ford, al reducir el peso suspendido (aquellos componentes no sostenidos por la suspensión), las llantas ligeras pueden tener un impacto notable en el manejo y rendimiento del Shelby. La reducción del peso de las ruedas reduce su inercia rotacional en por lo menos un 40%, lo que ayuda en el arranque, parada y velocidad de giro – lo que mejora su tiempo de respuesta. Adicionalmente, las ruedas más ligeras reducen la carga de la suspensión, ballestas y amortiguadores MagneRide, ya que mantienen los neumáticos en contacto con la carretera en superficies irregulares y onduladas.
!["Bastidor]("https://automotivemanufacturingsolutions.com/wp-content/uploads/2015/10/Mirai_Stack_Tank_InstallationWEB.jpg" "\"Bastidor")
El bastidor CFRTP del Toyota Mirai proviene de la planta de ensamblado de Motomachi, JapónEn la conferencia de Automotive Composites Circle en la feria JEC de París, el director general del proyecto, Nobuya Kawamura, comentó: "El suelo del Mirai es bastante complejo. Sinceramente, al principio pensé que esta era la mejor aplicación para un material compuesto debido a la compleja forma y la mayor maleabilidad del material, pero esta no es la parte que consideramos".
El bastidor está compuesto de tres paneles CFRTP moldeados por compresión producidos con poliamida 610 reforzada con fibras de carbono con un volumen del 40% y que nos suministra Toray. Estos paneles están dispuestos en una estructura de sándwich y están sujetos por un marco de acero, que se utiliza para fijar el bastidor a la carrocería del vehículo desde abajo. Pesa aproximadamente 11 kg menos que una estructura de acero equivalente. El bastidor se produce en el área de ensamblado de la planta Motomachi de Toyota, en Japón, anteriormente LFA Works, donde se producía el modelo Lexus del mismo nombre.
