Las ventajas de un peso ligero y alta resistencia contrastan con los costes de materiales y procesos. James Bakewell analiza los retos para conseguir que la fibra de carbono resulte más rentable
Volvo utilizará por primera vez este material, plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) en el capó, tapa del maletero, paneles laterales, puertas y toda la estructura de techo del Polestar 1 de $176,400. En conjunto, el uso extenso de componentes CFRP conseguirá que este vehículo híbrido sea 230kg más ligero que si se hubieran utilizado metales para estos componentes.
En los últimos diez años, marcas como BMW y Audi aumentaron el uso de CFRP de vehículos de gama alta, como la serie i del primero y la serie 7 o el modelo A8 del segundo, pero no se ha extendido a vehículos de producción en masa.
“Hay muchas marcas que estudian adoptar los materiales CFRP y evalúan cuidadosamente su viabilidad económica”, según indica Achim Fischereder, director de ventas y marketing del productor de materiales compuestos Hexcel. “El mercado crece con fuerza, pero no tan rápido como algunos habían previsto después del anuncio de la serie i”.
Hay buenos motivos para ello, según comenta Fischereder. La cadena de suministro de los materiales CFRP no está muy bien integrada, lo que signifiaca que los proveedores de materiales y desarrolladores de procesos no se benefician de las ventajas de cooperar. La mayoría de ingenieros automotrices están acostumbrados a trabajar con metales, y se están desarrollando herramientas de diseño y simulación para mejorar su conocimiento de los materiales compuestos.
Pero el mayor obstáculo son los costes. El CFRP es más costoso que sus competidores metálicos y los procesos de conformación de piezas son lentos e ineficientes. De hecho, en algunos procesos la tasa de residuos, la cantidad de CFRP descartada después de producir la pieza, puede ser de hasta el 50%. Fischereder afirma que estos niveles no son sostenibles en la producción a escala con materiales CFRP. Por lo que las marcas, proveedores y productores de materiales trabajan intensamente para desarrollar materiales y procesos que resuelvan estos asuntos.
"Los productores de CFRP deben demostrar que pueden producir con materiales compuestos cosas que no se pueden hacer con metales. Deben diferenciarse" - Achim Fischereder, Hexcel
Los métodos de colocación automatizada de fibra AFP (Automated fibre placement) eliminan los residuos y resuelven este problema. Con el método AFP, un robot coloca cintas continuas de CFRP sobre un sustrato para construir la estructura capa por capa. Este método permite la producción de piezas personalizadas ya que cada capa se puede colocar en un ángulo diferente para soportar mejor las cargas. El uso de la robótica ofrece al operario un control activo sobre todas las variables críticas, por lo que el proceso es más controlable y replicable. Las formas resultante apenas requieren perfilado, por lo que se minimizan los residuos.
Los procesos AFP son comunes en la industria aeroespacial y comienzan a atraer a los proveedores del sector automotriz. Por ejemplo, SGL, socio BMW y proveedor de fibra de carbono de los modelos i (entre otros) recientemente inauguró un centro de 500 metros cuadrados destinado a la investigación y desarrollo de disposición de fibra en la producción a gran escala de componentes de CFRP en Meitingen, Alemania.
El CEO de la empresa, Jürgen Köhler, comenta: “Queremos que los componentes de plásticos reforzados con fibra de carbono sean un estándar en todos los sectores principales. Una de las claves es adoptar los métodos de producción adecuados, la colocación de fibra es uno de varios métodos que están creando tendencia”.
El grupo SHAPE utiliza Una versión del AFP, la colocación a medida de fibra (TFP, tailored fibre placement), desarrollada por ZSK Technical Embroidery Systems en la producción del arco de rueda del deportivo de carreras RP1 de Elemental Motor Company.
El gestor de materiales compuestos de Elemental, Peter Kent, afirma que “fuimos capaces de diseñar un componente de carrocería con SHAPE mediante el sistema TFP, que puede funcionar como componente estructural, soportando la carrocería, el maletero trasero y parte de las fuerzas aerodinámicas”.
Según ZSK, el proceso es eficiente y apenas genera residuos, esta automatizado, es replicable y permite la producción de piezas a medida de las cargas mecánicas que experimentarán en funcionamiento.
Con el método TFP, las preformas se pueden tejer a partir de manojos estrechos de fibras de carbono y termoplásticos. Estas preformas se consolidan utilizando procesos de moldeado por compresión y las fibras termoplásticas se funden creando una matriz.
El uso de termoplásticos permite que el componente sea más duro y resistente a la gravilla que los componentes de materiales termoestables. También permite reciclar las piezas simplemente aplicando una temperatura de 300°C para fundir la matriz y extraer las fibras. El reciclado de materiales termoestables por otro lado es un proceso prolongado y consume mucha energía.
El proceso TFP comienza con manojos de fibra de carbono dispuestas sobre un cavezal decostura fijo mientras que un material de anclaje, como una lámina de poliamida (PA), que luego forma parte de la matriz después de la consolidación se dispone debajo en un pantógrafo. Las fibras se pueden disponer y alinear según necesidad para resistir mejor las condiciones de carga con un aumento mínimo del coste de material.La pieza sigue siendo bidimiensonal en esta fase, pero se pueden acumular capas sucesivas de fibras para crear características de superficie tridimiensionales. El sistema desarrollado por ZSK puede depositar hasta ocho capas en un proceso hasta alcanzar una altura de 7-8mm. También permite apilar varias preformas para alcanzar un mayor grosor. Una vez creada la preforma, se coloca sobre una prensa de calor donde toma la forma geométrica final y se consolida. Los métodos de AFP reducen los residuos, entre otras ventajas, pero podrían no ser lo suficientemente rápidos para la producción automotriz a gran escala. ZSK no publicó cuánto tarda en producir las preformas de RP1, pero asegura que es posible depositar 1–3kg de fibra con el sistema TFP, según la complejidad de la pieza.
Procesos para producción a gran escalaLos compuestos de moldeado de láminas SMC de fibra de carbono son largas fibras cortadas e impregnadas con resinas termoestables que normalmente se suministran en bobinas, su uso puede ofrecer una solución al problema de producir piezas de CFRP en grandes cantidades. Las láminas SMC son muy fluidas, por lo que las preformas no necesitan tener forma de red para producir piezas con geometrías complejas. Esto permite reducir los desechos generados por el corte.
El director de automotriz de Zoltek en Europa, Tobias Potyra, asegura que los SMC reforzados con fibra de vidrio convencional se utilizan en la industria automotriz desde hace décadas para producir componentes no estructurales, como paneles de carrocería, de forma rápida y económica en procesos de moldeado por compresión. “Se aprovecha el 100% del compuesto, no se produce ningún residuo”, resume. “El moldeado por compresión es una tecnología extendida. Es muy conocida y se encuentra en todas partes”.
Al utilizar fibras de carbono en lugar de fibras de vidrio, Zoltek tiene como objetivo aplicaciones automotrices estructurales y semi-estructurales. El potencial del SMC de fibra de carbono SMC está demostrado con un prototipo de un sub-bastidor de CFRP diseñado por Magna International y Ford. El uso previsto es un vehículo de segmento C, como por ejemplo el modelo estadounidense Fusion de Ford, donde el sub-bastidor es un 34% (o casi 10kg) más ligero que el equivalente de acero estampado.
El sub-bastidor está compuesto por dos piezas moldeadas con cuatro insertos metálicos – una reducción del 87% en el número de componentes respecto a las 45 piezas metálicas que requiere un sub-bastidor estándar de acero. Estas piezas moldeadas son de SMC, que compone Magna utilizando la fibra de carbono troceada de gran número de filamentos (50k) que produce Zoltek.
En lugar de la resina epoxy que se utiliza normalmente en los componentes estructurales de CFRP, la matriz utilizada en el SMC es un viniléster modificado internamente por Magna. El equipo de Magna afirma que el viniléster se adhiere bien a la fibra de carbono y su viscosidad permite impregnar adecuadamente el refuerzo, todo un reto con fibras 50k.
El uso de SMC reforzado con fibras cortas permite realizar la compleja geometría de la pieza. Sin embargo, estos materiales no poseen las mismas propiedades mecánicas que los materiales reforzados continuamente con fibras. En el caso del sub-bastidor, el componente cuenta con tres áreas de carga elevada que deben reforzarse con SMC de fibra continua que luego se moldean junto con el compuesto de fibra troceada.
Zoltek descubrió que el trocear su fibra de carbono 50k de bajo coste en lotes de 3k, se puede utilizar para producir SMC con propiedades mecánicas similares a los de las costosos materiales compuestos de fibras continuas.
Equilibrio entre precio y rendimientoHexcel por su parte desarrolló un compuesto de moldeado para resolver la brecha entre precio y rendimiento. HexMC-i 2000 utiliza el sistema de epoxy preimpregnado HexPly M77 y está compuesto por astillas preimpregnadas rectangulares de orientación aleatoria ensambladas en un material de 2000gm2. Es adecuado para producir geometrías complejas y piezas de diversos grosores, recientemente recibió la certificación de Audi.
La certificación llegó gracias al desarrollo conjunto entre Hexcel, la marca automotriz y el procesador de materiales compuestos Secar. Se trata una abrazadera ligera de CFRP para la bahía del motor del Audi R8 de alto rendimiento. Este componente en forma de cruz soporta el motor V10 montado a media altura del R8 y mejora la rigidez torsional de la estructura de carrocería del vehículo. Para producir esta pieza que es un 15% más ligera que la versión de aluminio, se moldean tubos CFRP de Secar con HexMC-i 2000 para formar el nodo central y las terminaciones que permiten montar la pieza en el auto.
Pullwinding es un proceso para producir estructuras tubulares en las que las bobinas de fibra se pueden disponer en cualquier ángulo. Permite producir tubos que resisten la tensión en más de una dirección.
La unidad de negocio automotriz de Hexcel contactó con el equipo de desarrollo de compuestos de Audi a principios de 2016 con el objetivo de certificar su compuesto de moldeado HexMC-i para procesos de producción automotriz. Este acercamiento coincidió con la evaluación de mercado de la fibra de carbono SMC de la propia marca automotriz.
Al colaborar con Secar y Hexcel, Audi decidió demostrar la posibilidad de producir una versión de materiales compuestos de la pieza de aluminio ya existente para que fuera más ligera y, gracias a las formas orgánicas que permite el moldeado, de mejor aspecto.
Los socios debían garantizar que el moldeado estaba consolidado y que su unión con los tubos de carbono de grosor mínimo (<1mm) era lo suficientemente sólida sin estropear estos elementos pre-curados. La fortaleza de unión adhesiva de HexPly M77 eliminó la necesidad de un exceso de compresión de los tubos. Los insertos metálicos para el montaje del soporte cruzado se moldean directamente en la pieza durante la producción, y la pieza apenas requiere acabados después de salir del molde y antes de su instalación en la bahía del motor del R8. El soporte cruzado también tiene un aspecto diferenciado gracias al troceado y orientación aleatoria de las astillas preimpregnadas en HexMC-i.
Audi sometió el componente a un riguroso programa de ensayos de cargas estáticas y dinámicas a temperatura ambiente, caliente y bajo humedad. Es importante notar que el R8 sirve como modelo de ensayo de nuevas tecnologías de la marca; la pared trasera de CFRP del A8 se utilizó por primera vez en este deportivo.
Parece que está garantizado el lugar de los CFRP en la producción de vehículos de gama alta, pero debe ofrecer una ventaja sustancial para utilizarse en la producción a gran escala. Un ejemplo es el uso por parte de GM de este material para el piso opcional de su camioneta 2019 GMC Sierra. No solo es una pieza mucho más ligera que sus alternativas metálicas, también es resistente a la corrosión y las abolladuras, una gran ventaja en una pickup de trabajo pesado. En resumen, Achim Fischereder de Hexcel asegura que los productores de CFRP “deben demostrar que se pueden hacer cosas con los materiales compuestos que no se pueden hacer con los metales. Debemos diferenciarnos”.
