Reducción del peso de los componentes destinados a automoción

Consideraciones sobre los materiales y el proceso de fabricación para el aligeramiento del peso

El aumento del esmog y la contaminación, los fluctuantes precios del combustible, las preocupaciones medioambientales con respecto al fracking y las perforaciones marítimas... Hay muchas razones para incrementar la eficiencia en el consumo de combustible tanto en los vehículos de pasajeros como en los comerciales. Una de las mejores maneras de hacer esto es reduciendo el peso de los vehículos. Si los coches son más ligeros significa que los consumidores utilizan menos combustible, lo que resulta en aire más limpio y menos dependencia de los combustibles fósiles irreemplazables. En pocas palabras, aligerar el peso de los vehículos es una buena idea.


 


Los fabricantes de automóviles y sus proveedores tendrán que luchar una ardua y continua batalla durante las próximas décadas para diseñar y fabricar componentes para automóviles más ligeros y eficientes. Las iniciativas reguladoras para crear nuevos diseños impulsadas por el mercado, tanto europeas como mundiales, están creando un ambiente propicio para que  los proveedores de automóviles puedan desarrollar productos. Incluso en el sector comercial, existen incontables oportunidades para simplificar los diseños, reducir el peso y utilizar menos materiales, y todo ello beneficia tanto a los consumidores como al planeta.

  

El cambio hacia componentes y productos de menor peso a menudo comienza con la creación de prototipos, donde la selección de materiales y del proceso de fabricación resulta clave.

El cambio al magnesio

Algo que debe recordarse antes de embarcarse en un proyecto de aligeramiento de peso es que hay que abordarlo por partes pequeñas. A menos que vaya a rediseñar la caja de transmisión de un automóvil de 18 ruedas con consumo eficiente de combustible, resultará difícil reducir de forma significativa el peso de una sola pieza. En su lugar, una pequeña reducción de peso de cada componente de un vehículo de uso doméstico es la solución lógica a la reducción del peso de vehículos. El retrovisor utilizado en los coches de uso doméstico, por ejemplo, antes era lo suficientemente pesado como para clavar un clavo. Hoy en día, la mayoría de los retrovisores están fabricados con un bastidor de magnesio y revestimiento de plástico, pero conservan la misma solidez y funcionalidad que sus corpulentos predecesores. El truco es desarrollar productos que satisfagan los requisitos de coste y servicio pero que utilicen materiales alternativos y diseños inteligentes para reducir el peso.

Afortunadamente para los diseñadores e ingenieros, la selección de materiales y tecnologías de fabricación avanzada que existe hoy en día para la creación de prototipos ofrece oportunidades innovadoras para pruebas de diseño iterativas e incluso paralelas. Por ejemplo, a la hora de considerar un material adecuado para diseñar un bisel de los faros delanteros de peso ligero, el magnesio puede que sea un buen punto de partida.

Con una densidad de 1740 kg/m3, el magnesio es el más ligero de todos los metales estructurales, y posee además la mejor proporción resistencia/peso. Tiene una trayectoria probada en el sector médico, aeroespacial, de la electrónica y la automoción, y se utiliza en todo tipo de objetos, desde depósitos de combustible hasta cajas de cambios. Y, debido a que el magnesio es uno de los minerales más abundantes en el cuerpo humano, no es únicamente biocompatible sino también biodegradable, así que es una elección lógica para tornillos o clavos que se disuelvan por sí mismos u otros implantes que requieran mayor resistencia que los fabricados con polímeros biodegradables..

Pero no debemos preocuparnos por el riesgo de incendios en los sitios donde haya componentes de magnesio, porque el magnesio se encuentra por todas partes. El Volkswagen Beetle lució un bloque de motor de aleación de magnesio durante décadas, y BMW comenzó a utilizar el magnesio en las cubiertas de la culata y los cárteres de su N52 de seis cilindros en 2005. Los grados AZ31 y AZ91 de aleación de magnesio utilizados en Protolabs incluso son soldables, y poseen puntos de fusión de aproximadamente 482 °C (900 °F). A menos que esté diseñando un revestimiento de horno de peso ligero, el magnesio es una elección excelente para muchos componentes diferentes. A nivel mundial, las compañías de automoción están optando por el magnesio por su resistencia, peso ligero y, debido a que puede extraerse del agua de mar, su abundante suministro.

 

Alternativas de plástico

El magnesio y el aluminio son alternativas excelentes al acero para aligerar el peso, aunque los materiales termoplásticos y termoestables son también buenas opciones. Así mismo, puede utilizarse una amplia selección de polímeros rellenos de vidrio, metal o cerámica así como caucho de silicona líquida (LSR por sus siglas en inglés) para sustituir las piezas metálicas, reduciendo por consiguiente el coste y peso del producto y mejorando la durabilidad.


El polipropileno (PP) es una familia de termoplásticos flexible y resistente a la fatiga que se utiliza habitualmente en los interiores de los automóviles, cajas de baterías, cascos de embarcaciones, prótesis y otros productos que requieren dureza y peso ligero. Los diferentes grados de polipropilenos se agrupan en homopolímeros, copolímeros de impacto o copolímeros aleatorios, con los dos últimos considerados materiales aptos para ingeniería, y ofrecen proporciones resistencia/peso superiores y una buena resistencia al impacto incluso a bajas temperaturas. Todos los polipropilenos son resistentes al calor, con puntos de fusión de aproximadamente 149 °C (300 °F). También son aptos para el microondas y las piezas moldeadas pueden dejarse translúcidas o con color, lo que hace que el PP sea uno de los materiales favoritos para los contenedores de almacenamiento de alimentos y otros tipos de embalaje de peso ligero.

El polietileno se ofrece tanto en versión de alta densidad (HDPE por sus siglas en inglés) como de baja densidad (LDPE por sus siglas en inglés). El HDPE tiene unos usos y propiedades mecánicas similares al polipropileno, pero es más rígido y ofrece una mayor resistencia al alabeo. Debido a su bajo coste y una resistencia relativamente alta, se utiliza a menudo en tuberías subterráneas, depósitos de agua y contenedores de almacenamiento de sustancias químicas. El análogo del HDPE  de menor densidad y más flexibilidad, el LDPE, se utiliza en botellas comprimibles, envoltorios de plástico y toboganes de áreas de juegos infantiles. Ambos materiales son adecuados para su uso cuando se necesitan dureza y peso ligero (tales como, por ejemplo, una guantera o la toma de aire frío).

El ABS es otro termoplástico con una dureza y resistencia al impacto excepcionales. Es una alternativa al metal de peso ligero para el embellecedor del salpicadero, las cajas de la electrónica, las cubiertas de los tapacubos y otras aplicaciones de automoción parecidas. El ABS moldeado por inyección también está disponible para usos ignífugos o antiestáticos en una variedad de colores, dejando la puerta abierta a un asombroso número de productos de electrónica, médicos y de consumo de peso ligero. Los tapacubos de ABS cromado se utilizan en un gran número de vehículos de uso doméstico para reducir el peso de los vehículos, como las rejillas de ABS y las extensiones de los guardabarros de ABS. Finalmente, el chasis del primer automóvil impreso en 3D del mundo —el STRATI— fabricado in situ durante el International Manufacturing Technology Show de 2014, se hizo de ABS reforzado con fibra de carbono. Pesa solamente 499 kg.

 

 

El policarbonato (PC) es muy termoformable y a menudo se utiliza para formar paneles arquitectónicos transparentes, lentes para gafas, pantallas de ordenadores industriales y otros productos en los que no es adecuado utilizar vidrio debido a su peso o la posibilidad de que se rompa. Tiene una resistencia al impacto 250 veces superior al vidrio normal pero solamente la mitad de su peso, razón por la que el "vidrio a prueba de balas" y las ventanas de los aviones están en realidad hechos de policarbonato o de su pariente cercano, el acrílico, que es ligeramente más flexible. En el departamento de fabricación aditiva, Protolabs ofrece el plástico Accura 60, imitación de policarbonato relleno de vidrio al 10%, de 3D Systems para prototipos funcionales con propiedades similares al PC de uso comercial, y el Accura 5530 o DSM Somos Nano Tool relleno de cerámica para aplicaciones aeroespaciales o de automoción de alta temperatura. Hay disponibles tipos similares de PC para mecanizado o moldeo por inyección.


El nailon también se rellena frecuentemente con fibras minerales o de vidrio para mejorar las proporciones rigidez/peso y mejorar las propiedades mecánicas. Esto lo convierte en uno de los plásticos más fuertes disponibles en Protolabs y, debido a que es autolubricante, termoestable y altamente resistente al desgaste, es un candidato excelente para piñones, aspas de ventiladores, engranajes, cierres, colectores y superficies de rodamiento. Es también muy ligero, con el 15% del peso del acero y el 40% del peso del aluminio. Protolabs ofrece sinterizado selectivo por láser (SLS por sus siglas en inglés) de varios nailons aptos para ingeniería, que puede utilizarse para pruebas funcionales de prototipos antes del mecanizado o el moldeo por inyección. Uno de estos es el Nailon 11, un material que funciona bien para diseños de bisagras flexibles como las que se utilizan en clips de mangueras y alambres, tapas del líquido del limpiaparabrisas y otros componentes para automóviles.

 

El acetal, más habitualmente conocido por su nombre comercial Delrin, es un material de referencia utilizado frecuentemente en los prototipos mecanizados. Es fuerte y rígido sin la necesidad del refuerzo de fibra de vidrio del nailon (aunque el vidrio se utiliza a veces para incrementar la rigidez y resistencia a la termofluencia del Delrin), y se recurre frecuentemente a él para sustituir piezas de metal de precisión de una gama de productos industriales y de consumo: componentes de sistemas eléctricos y de combustible, piezas de transmisión de energía tales como engranajes, casquillos y rodamientos, y otras piezas de alto rendimiento pueden fresarse o moldearse por inyección a partir de diferentes grados de homopolímeros o copolímero de acetal disponibles en Protolabs.


El caucho de silicona líquida, o LSR, es un material sorprendente y versátil que se puede utilizar en muchas aplicaciones de moldeo. Comienza siendo un compuesto termoestable de dos componentes que se mezcla a bajas temperaturas y después se inyecta en un molde caliente. Cuando se endurece, el LSR se vuelve fuerte pero flexible, y es adecuado para juntas, lentes, conectores y otras piezas que requieren una excelente resistencia térmica, química y eléctrica. Los conjuntos de cables, los botones de paneles y las fundas para bujías son algunos de los lugares donde se puede encontrar LSR en los vehículos modernos. Eso representa una gran cantidad de plástico.

  

Análisis de las opciones de fabricación

A pesar de la gran variedad de materiales disponibles, es buena idea comprender qué tipo de material encaja con qué tipo de fabricación. Los prototipos mecanizados antes se producían en fresadoras accionadas manualmente y tornos de motor. Sobre todo estaban hechos de acero, bronce o aluminio y se tardaba semanas en entregarlos. Protolabs ha automatizado ese mismo proceso básico hasta el punto de que los diseños de las piezas electrónicas pueden cargarse literalmente un día y entregarse al siguiente, y hacerse de casi cualquier material que se ha mencionado anteriormente. Los centros de mecanizado CNC de Protolabs fresan prototipos a partir de bloques sólidos de metal y plástico de aproximadamente el tamaño de una enciclopedia gruesa, y los tornos con herramientas activas cortan las piezas de un tamaño parecido a un florero. Ambos procesos tienen unas tolerancias de +/- 0,1 mm o más, dependiendo de la geometría de la pieza.

Un método cada vez más usado para fabricar rápidamente piezas de magnesio es el moldeo por inyección (también conocido como thixomoldeo, que está disponible en las instalaciones de Protolabs de EE. UU.). Aquí, las virutas de la materia prima de magnesio se cargan en la tolva de una prensa de moldeo. Entonces, se aplica calor y agitación, llevando así la carga útil de magnesio a un estado semisólido, estado en el que se "inyecta" bajo presión a la cavidad de un molde a través de un tornillo de alimentación. El resultado es que pueden producirse componentes de magnesio completamente funcionales en pequeños volúmenes por solo una parte de lo que costarían piezas "mecanizadas en producción".

Muchos ingenieros de fabricación asocian el magnesio con la fundición a presión, debido a que esta ha sido durante mucho tiempo el método tradicional para formar grandes volúmenes de este metal omnipresente. Ahora bien, el moldeo por inyección de magnesio ofrece cierto número de claras ventajas con respecto a su análogo más maduro. El thixomoldeo es esencialmente un proceso "en frío", que opera justo por debajo del punto de fusión del magnesio. Debido a esto, hay menos contracción y alabeo en comparación con las piezas fundidas a presión, y las propiedades mecánicas de las piezas thixomoldeadas son generalmente mejores también. Este proceso más frío además requiere herramientas menos sofisticadas porque no hay mucha necesidad de canales de refrigeración. Y dado que la solución de magnesio se introduce en el molde a muy alta presión —en algunos casos dos veces la de la fundición a presión— se producen detalles de piezas muy finos. Por todo esto, el thixomoldeo es la elección clara para muchos prototipos de componentes de magnesio o pequeños volúmenes de esos componentes.

Otro proceso maduro de creación de prototipos es la estereolitografía (SL por sus siglas en inglés), precursora de todas las tecnologías de fabricación aditiva. Protolabs utiliza SL para imprimir piezas a partir de nueve grados de polímero de entre tres grupos primarios: ABS, policarbonato y polipropileno. Es importante destacar que estos materiales imitan a los plásticos y no están calificados para su uso en productos funcionales. La SL, sin embargo, sí produce prototipos de alta precisión, y es un primer paso lógico para tener una experiencia práctica inicial del concepto de las piezas con peso más ligero. Y para probar la forma y ajuste de los productos destinados a la fundición a presión, Protolabs ofrece SLArmor, un material aditivo niquelado y relleno de cerámica que es muy ligero pero aún así es lo suficientemente fuerte como para sustituir al metal en ciertos casos, y una solución ideal para muchas aplicaciones de aligeramiento del peso.

La siguiente posición de la lista de impresión 3D la ocupa el sinterizado selectivo por láser, que en Protolabs se limita a cuatro tipos de materiales de nailon aptos para ingeniería, dos de los cuales se refuerzan para aplicaciones a temperaturas elevadas y una mayor integridad estructural. Como todos los procesos aditivos de Protolabs, el SLS emplea un láser para dibujar cada capa de las piezas. Las características de las piezas son algo menos precisas que las producidas mediante SL, pero aún así son muy buenas para las pruebas funcionales. De todos los materiales plásticos disponibles en Protolabs, el nailon relleno de vidrio es uno de los materiales más populares entre los fabricantes de automóviles, en gran medida debido a su bajo coste y su dureza, aunque el policarbonato relleno de vidrio le sigue de cerca. Por esto, la SL y el SLS son ambos muy adecuados para crear prototipos de piezas de peso ligero.

Otro proceso de fabricación aditiva utilizado cada vez más y que ofrecemos es el DMLS, o sinterizado directo de metal por láser. El DMLS funde capas de polvo metálico, de solo 0,02 mm de grosor (20 micras) en Protolabs, para crear formas de piezas complejas con una densidad del 98 %, que a menudo no sería posible fabricar de otra manera. Es altamente preciso, con tolerancias de entre +/- 0,1 mm y +/- 0,2 mm, más +0,005 mm adicionales que suelen lograrse en piezas bien diseñadas.

En Protolabs, el DMLS funciona con el aluminio y el titanio, así que es una opción lógica para fabricar piezas de peso ligero, pero también se utiliza con acero inoxidable 316L y 17-4PH, aleación de cobalto-cromo e Inconel, metales superresistentes conocidos por su extrema durabilidad y resistencia al calor en lugar de por la reducción de peso. Posiblemente se pregunte cómo un proceso aditivo que utiliza metales como los anteriores ha logrado aparecer en un libro blanco sobre aligeramiento de peso. Es por esto: el DMLS puede fabricar piezas metálicas que, hasta ahora, no eran más que la fantasía de los diseñadores. Piezas más huecas que un huevo de pascua de chocolate, esferas y curvas de Escher, paredes ultrafinas y celosías de tipo telaraña, la consolidación de montajes de múltiples piezas en un único componente sinterizado... estas son algunas de las posibilidades de aligeramiento de peso que puede ofrecer el DMLS (así como la SL y el SLS).

El DMLS es más lento que otros procesos aditivos, y más caro (si el diseño de su pieza puede mecanizarse o moldearse de forma eficiente, el DMLS puede que no sea el método de fabricación correcto). Pero para montajes complejos, formas improbables, o piezas en las que pequeñas cantidades de superaleación sirven de mucho, el DMLS puede que sea la solución para reducir el peso de las piezas y reducir los costes de fabricación. Por último, el DMLS no se limita a cantidades de prototipos. En el caso de una pieza pequeña y compleja, demasiado difícil o cara de fabricar mediante los métodos tradicionales, el DMLS es a menudo una alternativa viable para una producción a pequeña escala o volúmenes de miles de piezas.

 

Consideraciones finales

Fijémonos en el diseño de una bomba de agua. El policarbonato relleno de vidrio podría servir para un impulsor resistente y de peso ligero, los tapones de drenaje de bronce podrían sustituirse fácilmente por plástico de polipropileno o ABS, y el material Nano Tool niquelado y relleno de cerámica podría usarse para la placa posterior. En cada uno de estos casos, se podría utilizar la SL para imprimir en 3D varias iteraciones de diseño para pruebas de forma y ajuste, y después mecanizar una docena o una cantidad similar de prototipos para pruebas funcionales, y luego pasar fácilmente a varios miles de piezas moldeadas por inyección. Además, la carcasa de la bomba de hierro fundido podría sustituirse por una hecha de magnesio.

Elegir entre todas las posibilidades diferentes es uno de los mayores desafíos del aligeramiento de peso. Y eso sucede porque para realizar mejoras en el diseño de los productos dentro del mundo de la automoción no es cuestión de aprovechar cualquier material que sea el que menos pese y sustituir el acero o hierro que se utilizaban anteriormente. Las piezas de plástico que al final se producirán en serie mediante el moldeo por inyección deben estar diseñadas con los ángulos de desmoldeo y los grosores de pared correctos desde el primer momento. Deben tenerse en cuenta los pivotes eyectores, de la misma manera que las áreas con contrasalidas, los radios internos ajustados y muchos otros detalles que pueden suponer el éxito o el fracaso a la hora de fabricar una pieza de peso ligero.

Otros factores que se deben considerar antes de embarcarse en el diseño de aligeramiento de peso:
• Las nervaduras de apoyo y las secciones de panal reducen el peso de las piezas a la vez que mantienen la integridad estructural, especialmente en las piezas termoplásticas moldeadas por inyección.
• Las piezas de magnesio son un 33 % más ligeras que las de aluminio y nada menos que un 75 % más ligeras que las de acero.
• El moldeo por inyección de magnesio es un trampolín rápido y sencillo para hacer grandes volúmenes de productos de magnesio fundidos a presión.
• Un análisis exhaustivo y temprano de los volúmenes de piezas proyectados puede evitar rediseños costosos cuando aumentan las cantidades.
• Aunque el acero inoxidable, el cobalto-cromo e Inconel pesan más que el aluminio y el magnesio, la tecnología DMLS puede convertir estos metales "pesados" en una alternativa sólida y de peso eficiente con respecto a materiales más ligeros.
• No se asuste por el mayor coste de los plásticos rellenos de vidrio, ya que su resistencia superior puede llevar a una significativa reducción del peso.
• Cuando diseñe piezas moldeadas, utilice siempre las herramientas de análisis de moldeabilidad en línea que ofrece Protolabs (tanto si solicita pedidos de piezas a través suyo como si no).

Existen muchas buenas razones para el aligeramiento de peso. Diseñar productos más ligeros, más resistentes y que se fabriquen de forma más rentable es bueno para todos, y hace más competitivas a las empresas que los producen. La búsqueda de una mayor eficiencia en el consumo de combustible en los coches y camiones seguirá siendo el santo grial de estas industrias, un objetivo que descansa sobre el desafiante taburete de tres patas de unos  combustibles fósiles limitados, la creciente cantidad de gases de efecto invernadero y el cada vez mayor número de regulaciones gubernamentales.

La buena noticia es que, considerando la selección de servicios de producción a pequeña escala y de creación de prototipos disponible en Protolabs —junto a su experiencia técnica interna— usted dispone de muchos y diferentes recursos para ayudarle a reducir el peso de las piezas. Si tiene alguna pregunta con referencia a los materiales, procesos de fabricación o el diseño, no dude en ponerse en contacto con el ingeniero de aplicaciones de Protolabs en [email protected] o +34 932 711 332 o visite protolabs.es.