Materiales reforzados que marcan tendencia en automotriz

Los plásticos son protagonistas en el norte tecnológico de la industria automotriz. Según un reporte del American Chemistry Council, hoy en día un vehículo liviano promedio puede contener más de 1,000 componentes plásticos. Encuentre aquí una selección de materiales reforzados y aplicaciones innovadoras.


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Según el reporte de 2015 “Plásticos y compuestos poliméricos en vehículos livianos” (Plastics and Polymer Composites in Light Vehicles), del American Chemistry Council (ACC), el uso de estos materiales ha crecido de un promedio de 20 libras (9 kg) por auto en 1960 a 329 libras (149 kg) en los autos actuales.

Los compuestos poliméricos son una combinación de plásticos y fibras (vidrio, carbono, aramida y otras), que crean un material avanzado con atributos superiores a los de los plásticos o las fibras por sí solos. Gracias a su favorable relación entre resistencia y peso, se estima que estos materiales plásticos comprenden aproximadamente 50% del volumen de un vehículo liviano, pero representan sólo 8% del peso total. Varios analistas coinciden en afirmar que el uso de estos plásticos reforzados tenderá a crecer drásticamente en cuanto los fabricantes de automóviles buscan reducir el peso de los vehículos, con el fin de cumplir los estándares CAFE (Corporate Average Fuel Economy), asegura el reporte.

En la Conferencia VDI "Plásticos de Ingeniería Automotriz" 2016, que se llevó a cabo a comienzos de marzo en Mannheim (Alemania), se hizo énfasis en que las estructuras del cuerpo del auto, fabricadas con plástico reforzado con fibras de carbono abren nuevas dimensiones para lograr vehículos más livianos. En el caso de otros componentes independientes, montados en el cuerpo, los plásticos de ingeniería permiten formas geométricamente sofisticadas y costoeficientes.

Presentamos aquí una selección de materiales lanzados recientemente al mercado, que están teniendo gran impacto en la reduccción de peso y un desempeño mejorado para aplicaciones en la industria automotriz.

 

Levedad, fuerza y alto desempeño

Lanxess presentó la conferencia VDI su gama ampliada de poliamidas y poliésteres altamente reforzados para el diseño de componentes estructurales extremadamente resistentes. A los grados de poliamida 6 Durethan BKV 60 EF y XF se une una poliamida 66, con un 60% de contenido de fibra de vidrio, que va a ser comercializada bajo el nombre de Durethan AKV 60 XF. El nuevo termoplástico de alto rendimiento combina los beneficios de un compuesto altamente reforzado y de fácil fluidez con las ventajas de una resina de poliamida 66. "El material exhibe rigidez y excelente resistencia. Abre una nueva dimensión a la libertad de diseño para piezas hechas totalmente de plástico, para piezas híbridas plástico/ metal y para compuestos termoplásticos semi acabados de fibra reforzada continua. Es más, puede ser utilizado como sustituto del metal en una amplia gama de aplicaciones", dice Ralf Heinen, experto en plásticos en Lanxess.

A 13,300 MPa (condicionado, a temperatura ambiente), el módulo de elasticidad del material, un indicador de rigidez, es más del doble que el estándar de poliamida 66, Durethan AKV 30 H2.0, que tiene un 30% en contenido de fibra de vidrio. Heinen comenta: "nuestro innovador material ofrece la oportunidad de producir piezas que tienen paredes más delgadas que otras alternativas hechas en poliamida 66 con 30% refuerzo de fibra de vidrio pero exhiben un comportamiento mecánico similar. Las paredes más finas ofrecen un potencial adicional para la reducción en el peso".

Lanxess también utilizó el ejemplo de una brida de motor para la ventilación interna de un automóvil, con el fin de mostrar los beneficios de la poliamida 6 térmicamente conductiva Durethan BTC 75 H3.0 EF. Este material conduce el calor aproximadamente cinco veces mejor que una poliamida 6 estándar con un 30% de refuerzo de fibra de vidrio y es una alternativa a los compuestos poliamida 6 con óxido de aluminio o de nitruro de boro como rellenos conductores de calor.

Las nuevas poliamidas térmicamente conductivas de LANXESS están dejando una gran impresión en sus primeras aplicaciones. El termoplástico, que se refuerza con un 75% de contenido mineral, está reemplazando una poliamida con una mezcla de fibra de vidrio y mineral para la conductividad térmica. “En comparación con materiales alternativos posibles, nuestro compuesto conduce mejor el calor y es la solución más rentable. Funciona mejor en términos de propiedades mecánicas, resistencia a la degradación térmica y a la fluidez y, gracias a su estabilización eléctricamente neutral ayuda a prevenir la corrosión por contacto”, explica Stefan Theiler, experto en poliamidas altamente reforzadas en Lanxess. Robert Bosch GmbH está utilizando la brida hecha con este material en un módulo de ventilador que se está incorporando al sistema de refrigeración para varios fabricantes de automóviles.

Ascend Performance Materials ofrece en su portafolio soluciones con alta resistencia química y a altas temperaturas. Su nueva resina PA66 Vydyne R530HR, diseñada para aplicaciones en radiadores y tanques, tiene 30% de refuerzo de fibra de vidrio y puede soportar requerimientos de desgaste de 3,000 horas a 120°C.  Ascend cuenta con una amplia gama de grados PA66 reforzados con fibras de vidrio y minerales. Sus compuestos con fibras son usados en airbags, compuestos exteriores e interiores, así como aplicaciones under the hood.

Solvay Specialty Polymers, proveedor mundial de polímeros de alto rendimiento, anunció que el proyecto Polimotor 2, dirigido por Matti Holtzberg, reconocido innovador de la industria automotriz, eligió su poliamida-imida de alto rendimiento Torlon (PAI) para reemplazar al metal, usado convencionalmente en la fabricación de un diseño innovador de piñón de leva. Solvay es el principal patrocinador de material para este esperado proyecto técnico, que tiene como objetivo diseñar y fabricar un motor de última generación, totalmente de plástico para automóviles de competición en 2016.

 “’Torlon PAI tuvo un papel vital en el éxito de nuestro primer motor Polimotor a comienzos de la década de los ochenta. La versatilidad y desempeño de los materiales de la empresa definitivamente se ha ampliado desde entonces”, dijo Holtzberg. Según este visionario, los continuos avances de Solvay ofrecen hoy la base para la gran innovación en el Polimotor 2, donde de Torlon PAI con relleno de fibra de carbono permitió el desarrollo de un piñón de eje de leva mecánicamente fuerte, pero muy ligero. “Esta es sólo la primera de varias nuevas aplicaciones con los materiales de Solvay, que esperamos anunciar en los próximos meses", agregó.

Tradicionalmente, los piñones de leva se fabrican con acero sinterizado, aluminio u ocasionalmente polímeros fenólicos termoestables. Sin embargo, Polimotor 2 optó por moldear las ruedas dentadas de los piñones de leva del motor usando Torlon 7130 PAI 30, de Solvay, que está reforzado con 30% de fibra de carbono.

El proyecto de Polimotor 2 pretende desarrollar un motor de levas totalmente plástico, de cuatro cilindros y doble cubierta, que pese entre 138 y 148 libras (63-67 kg), aproximadamente 90 libras (41 kg) menos que un motor estándar de hoy. Además de la aplicación actual de piñón de leva, el programa innovador de Holtzberg aprovechará los polímeros de Solvay para desarrollar hasta diez piezas del motor: la bomba de agua, la bomba de aceite, la entrada y salida de agua, el cuerpo del acelerador, el conducto del combustible y otros componentes de alto rendimiento.

Evonik presenta su más reciente desarrollo, basado en poliftalamida (PPA). Vestamid HTplus M1035 P1 ofrece ahora a sus clientes un compuesto de moldeo reforzado con fibra de vidrio con propiedades superiores.

Los componentes de cubierta que enfrentan un esfuerzo dinámico en la industria automotriz necesitan propiedades mecánicas excepcionales. También se requiere buena resistencia química contra medios corrosivos. VESTAMID HTplus M1035 P1 fue desarrollado especialmente para el uso bajo estas condiciones difíciles. Este nuevo grado de PPA también logra muy buenos resultados de resistencia al impacto.

La familia de productos VESTAMID HTplus fue desarrollada para reemplazar las aplicaciones clásicas de metal. Es un material semicristalino, basado en poliftalamida que es resistente a altas temperaturas con una muy buena relación calidad-precio. Combina estabilidad a alta temperatura con una resistencia excepcional a productos químicos y propiedades mecánicas excepcionalmente buenas.

 

Compuestos con polipropileno

Borealis lanzó durante la conferencia VDI un portafolio completo de PP para compuestos de bajo peso. De acuerdo con la compañía, estos materiales ofrecen beneficios como resistencia mejorada y desempeño al impacto, así como buena estabilidad dimensional y baja expansión térmica en comparación con otros plásticos de ingeniería. Además de un procesamiento más fácil con menor consumo energético, Borealis también destaca la completa reciclabilidad de estos materiales. En el marco del evento, Borealis reportó una expansión de la capacidad de su planta productora de polipropileno reforzado con fibra de vidrio larga (PP-LGF), en Monza (Italia).

Por su parte, PlastiComp, proveedor de termoplásticos de fibra larga (LFT) está comercializando sus compuestos de fibra larga vidrio+carbono, Complet Hybrid, en dos matrices de polímero termoplástico adicional. Estos productos "híbridos", que combinan fibras largas de vidrio y carbono en un solo pellet, están ahora disponibles en PP y poliuretano termoplástico de ingeniería (ETPU). Inicialmente habían sido introducidos en nylon 66.

Durante ACCE 2015 (SPE Automotive Composites Conference & Exhibition),  Eric Wollan, director técnico de PlastiComp, dijo que los compuestos LFT híbridos proporcionan un "enfoque escalonado hacia la disminución de masa y costo mientras que proporcionan oportunidades para optimizar el rendimiento con proporciones de mezcla de fibra diferentes". Los ensayos iniciales han indicado que híbridos de fibras largas de vidrio+carbono podrían cerrar la brecha de rendimiento entre cada uno de estos tipos de fibra. Wollan observó también que los híbridos podrían reducir la barrera del costo al utilizar los beneficios de rendimiento de la fibra de carbono. Hizo hincapié en que no se trata simplemente de una cuestión de sustituir un material por otro; sino de la necesaria integración del diseño, el material y el proceso para maximizar el beneficio de cambio de material.

"El sector automotor ha adoptado el PP de fibra larga de vidrio hace un par de décadas ya que ofrece reducción de peso significativo en comparación con los componentes tradicionales de metal," dijo Wollan. "Para satisfacer el aumento de las regulaciones de la economía de combustible, tienen que ser aún más ligeros, pero LFT PP no puede hacerse más fuerte, y saltar directamente a la fibra de carbono es un incremento económico importante para un sector donde el precio es un tema sensible. Usando nuestros híbridos de fibra larga vidrio+carbono, podemos incorporar fibra de carbono en proporciones pequeñas para lograr la mejora necesaria en el rendimiento para reemplazar más componentes de metal por plástico, manteniendo los costos de material en un nivel razonable", concluyó.

 

Policarbonatos

Con la adquisición de Thermoplast Composite GmbH (TCG) el año pasado, Covestro consolidó su posición en el mercado de compuestos reforzados con fibras. La compañía vaticina grandes oportunidades para los compuestos reforzados con fibras continuas, con base de policarbonato, para la industria automotriz, y también para la industria de bienes de consumo.

Covestro desarrolló una nueva tecnología para la construcción de componentes tipo sándwich, que satisfacen la demanda de superficies suaves y de alta calidad.

“Los componentes son fabricados con esteras de fibra de vidrio continua, impregnadas en un polímero termoplástico formulado de policarbonato”, comentó el doctor Olaf Zöllner, líder de desarrollo para aplicaciones de policarbonato en Europa. “La estructura de la pieza, con un núcleo espumado y suave, pero un exterior denso, se parece a la de un hueso”, concluye.

 

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