El sector del automóvil

El material adecuado, en el lugar adecuado

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Cuando el Modelo T salió de la incipiente cadena de montaje de la Ford Motor Company en 1908 pesaba 540 kilos. En los años 70, un Ford Taunus rondaba los 1.000 kilos. Cien años después del T, un Ford Mondeo se ponía en circulación con 1.611 kilos.

La historia de la automoción es una historia de peso, el que han ido ganando generación tras generación, evolucionando en paralelo a la exigencia de los consumidores. Por un lado, la necesidad de una mayor seguridad al volante ha extendido la dirección asistida, el ABS, el control de estabilidad o los refuerzos en la carrocería. Por otro, los conductores demandamos cada vez más comodidad en forma de climatizadores, asientos eléctricos o sistemas de conectividad.

Todas estas mejoras se traducen en un aumento espectacular del peso de los vehículos. Mayor peso equivale a mayor consumo y mayor contaminación. ¿Estamos dispuestos a renunciar a todos estos avances tecnológicos? La respuesta es no.

La clave es conseguir compaginar nuestros deseos y el necesario respeto al medioambiente. El cambio climático demuestra que el sector del automóvil debe tomar medidas de urgencia para contribuir a la reducción de emisiones de CO2. Del total de emisiones, las generadas por el transporte suponen un 23 %, y de este 23 %, un 75 % es responsabilidad de los vehículos de carretera. Actualmente la legislación obliga a los fabricantes a reducir las emisiones de CO2 a 95 gr. CO2/Km para 2.020, y ya se barajan cifras de 75 gr. CO2/Km para 2030. No podemos mirar para otro lado, el cambio climático es cosa de todos.

Las nuevas estrategias de electrificación y optimización de los motores de propulsión son algunas de las vías por las que el sector apuesta para reducir las emisiones contaminantes. Si tenemos en cuenta que cada 100 kilos de ahorro de peso supone una reducción de emisiones de 8 gr. de CO2/Km, nos percataremos de la necesidad de apostar por el aligeramiento de los vehículos.

Vehículos más ligeros mediante el desarrollo de estructuras multimaterial

Actualmente son tres las estrategias en las que se han centrado los principales actores del sector: diseño de vehículos más ligeros, reducción de peso de componentes y los sistemas que lo rodean (mass decompounding), y estructuras multimaterial.

¿Cuáles serán los materiales del futuro? ¿Qué combinaciones de materiales nos encontraremos en los nuevos vehículos? ¿Cuáles serán los nuevos procesos de fabricación que resuelvan la introducción de estos nuevos materiales en las estructuras? ¿Cómo se unirán y ensamblarán estos materiales avanzados?

Para conseguir coches más ligeros, pero igual de seguros  que los actuales, se pueden definir tres ámbitos de investigación: nuevos materiales, nuevos procesos de fabricación avanzados y nuevas métodos de unión de estos materiales.

Actualmente se pueden encontrar en el mercado vehículos Premium con estructuras  multimaterial como el BMW serie 7 y el nuevo Audi A8 que combinan aceros y aluminios de alta resistencia, magnesio y fibra de carbono reforzada. Sin embargo, la extensión del uso de materiales como la fibra de carbono a series medias-largas requiere de desarrollos que permitan abaratar el coste de estos materiales y automatizar los procesos de fabricación.

Para la implantación de este tipo de materiales, de elevado coste, es necesario conocer muy bien su comportamiento y realizar un diseño optimizado que permita utilizar el material adecuado, en el lugar adecuado. Así mismo, y a diferencia de otros sectores como el aeronáutico, los tiempos de proceso son de vital importancia, por lo que se plantea la necesidad de desarrollar nuevos procesos de bajo coste y alta cadencia, que obtengan además componentes reciclables y reparables y que cumplan con los requisitos de seguridad exigidos por el sector.

Otra de las apuestas de los fabricantes de automóviles es el incremento del uso de aceros de alta resistencia, como los denominados aceros al boro estampados en caliente. Permiten reducir los espesores de los componentes de mayor requerimiento de seguridad. Empresas líderes en estas tecnologías como GESTAMP han desarrollado soluciones que permiten obtener componentes con diferentes espesores, dependiendo de los requerimientos estructurales necesarios en cada área.

Entre  los materiales que están tomando cada vez más protagonismo podemos encontrar los aluminios de alta resistencia de las series 6XXX y 7XXX. El aluminio, cuya densidad es casi la tercera parte que la del acero, permite obtener grandes ventajas de aligeramiento en zonas con menos exigencias a impacto. Fabricantes de aluminio como Novelis o Amag trabajan en el desarrollo de estos aluminios mejorados. En la misma línea, el aluminio toma un papel relevante en lo que se refiere a la aplicación de procesos avanzados de inyección como el denominado High Pressure Die Casting o inyección de alta presión (HPDC). Este proceso lo podemos encontrar  en componentes estructurales del Body in White  (carrocería) del vehículo.

Con la incorporación de todos estos materiales avanzados, los métodos tradicionales de unión, como por ejemplo la soldadura, dejan de ser aplicables. Es aquí, en las uniones multimaterial, donde encontramos uno de los mayores retos para que estas estructuras multimaterial puedan llegar al mercado del vehículo de serie media-larga. Tecnologías como el láser  o las hibridaciones de adhesivos estructurales con remaches avanzados harán posible que estos vehículos superen las pruebas de seguridad pasiva Euro NCAP (European New Car Assessment Programme, “Programa Europeo de Evaluación de Automóviles Nuevos”).

Por lo tanto, la estrategia de aligeramiento no es solo una preocupación asociada a los automóviles de combustión. La estrategia de incrementar la fabricación de vehículos eléctricos lleva implícita la necesidad de incluir el aligeramiento entre sus desarrollos. El uso de materiales ligeros en vehículos “hybrid electric”, “plug-in hybrid electric”, y “full electric” puede ayudar a compensar el peso de las baterías y los motores eléctricos, lo que supondrá baterías de menor tamaño y precio, permitiendo además un incremento de la autonomía del vehículo.

Las estructuras multimaterial aligeradas del futuro incorporarán por tanto materiales avanzados como los aceros de alta resistencia, el aluminio o los materiales compuestos de fibra reforzada, contribuyendo al medioambiente y a reducir su huella de CO2. Necesitamos investigar con intensidad para entender no solo el comportamiento de estos materiales y  desarrollar procesos de fabricación avanzada reduciendo costes y tiempos de fabricación, sino también para implementar nuevos modelos complejos de simulación, uniones disímiles eficientes y métodos de reciclaje y reparación de estos nuevos componentes y estructuras  multimaterial.

En TECNALIA trabajamos “codo con codo” con los principales fabricantes, aplicando la última tecnología para conseguir automóviles más seguros y respetuosos con el medioambiente.

Sobre Maite Santos Rueda

Responsable del ámbito “Estructuras Multimaterial de Vehículo” en el área de Industria y Transporte de TECNALIA. Licenciada en Ciencias Matemáticas, especialidad Análisis Numérico. Cuenta con más de 20 años de experiencia en la dirección y ejecución de proyectos de investigación e innovación orientados al desarrollo experimental y simulación de nuevos procesos de conformado de materiales. Desde su incorporación en TECNALIA en 1995, su trayectoria profesional ha estado siempre vinculada a la I+D+i para el sector automoción.

Durante los últimos años ha sido Responsable de Tecnología del área de automoción. Además cuenta con una patente y ha publicado más de 30 artículos en congresos científicos todos ellos asociados al conformado de materiales mediante estampación, hidroconformado o forja.

Hay que destacar el Premio de la Sociedad de Técnicos de Automoción de Barcelona por el desarrollo de una nueva línea de investigación denominada Forja Rotativa, que permite un mejor aprovechamiento en el uso de los materiales y por tanto una reducción en las emisiones de CO2.

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