Tres Métodos para Aligerar Vehículos: Aplicaciones en Automoción y Aeronáutica

Hoy en día, tanto fabricantes como consumidores coinciden en que la eficiencia del consumo de combustible es un tema candente que requiere atención. En el mercado automotriz, gobiernos de todo el mundo están implementando estándares más estrictos de consumo de combustible para automóviles y camiones ligeros. Por ejemplo, en Estados Unidos, las regulaciones sobre el Promedio de Eficiencia de Combustible Corporativo (CAFE) buscan alcanzar una eficiencia de combustible de 54.5 millas por galón (mpg) para vehículos de pasajeros para el año 2025.

En contraste, informes recientes de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) revelan que la eficiencia del consumo de combustible en la industria automotriz actual se sitúa en 28.5 mpg, por lo que la necesidad de innovación es real y extremadamente urgente. De manera similar, la industria aeroespacial también tiene como objetivo mejorar la eficiencia del combustible. Mientras los costos laborales y otros gastos operativos para aerolíneas de pasajeros en Estados Unidos continúan aumentando, la reducción de costos en combustible puede facilitar un incremento en la rentabilidad y una competitividad estable.

Para hacer frente a los desafíos y a las crecientes demandas de ahorro de costos, mejor rendimiento y sostenibilidad, fabricantes de los sectores automotriz y aeroespacial adoptan una práctica común denominada “aligeramiento” (lightweighting). Cuando el peso de automóviles y aeronaves disminuye, se requiere menos combustible para mover los vehículos de transporte. Además, según la Oficina de Tecnologías de Vehículos del Departamento de Energía de Estados Unidos: “Una reducción del 10% en el peso del vehículo puede resultar en una mejora del 6%-8% en la eficiencia del combustible. El uso de componentes ligeros y motores de alta eficiencia posibilitados por materiales avanzados en un cuarto de la flota automotriz estadounidense podría ahorrar más de 5.000 millones de galones de combustible anualmente para el año 2030.”

La industria aeroespacial ha sido pionera en este campo, y por tanto tiene bastante ventaja. Por ejemplo, el Boeing 787 Dreamliner de 2009 estaba compuesto por una estructura de un 50% de materiales compuestos, mientras que en 2013, el Airbus A350 se construyó utilizando un 53% de materiales compuestos, mejorando así la eficiencia en el consumo de combustible.

Ahora la industria automotriz está siguiendo este ejemplo e incrementando sus esfuerzos de aligeramiento, como se puede observar en la camioneta GMC Sierra 2019 con su caja fabricada con materiales compuestos de fibra de carbono y termoplástico avanzado, o en la considerablemente más ligera Ford F-150 de 2015, con su chasis 700 libras más liviano fabricado en aluminio. De hecho, Ford dio un gran salto cuando sustituyó el acero por aluminio de grado militar en su vehículo, pero el riesgo mereció la pena. Las ventas de la F-150 aumentaron rápidamente tras el lanzamiento del nuevo diseño aligerado, demostrando la lógica detrás del uso de materiales alternativos para el aligeramiento.

En definitiva, los fabricantes buscan materiales que puedan satisfacer los requisitos tanto de calidad como de rendimiento, sin afectar negativamente los plazos o el presupuesto del proyecto. Este artículo discute tres métodos importantes de aligeramiento, así como aplicaciones prácticas del mismo para las industrias automotriz y aeroespacial.

General Plastics cree que las soluciones de aligeramiento pueden implementarse con éxito utilizando tres enfoques diferentes. Estas técnicas pueden usarse individualmente o en combinación entre sí.

El primer enfoque es el más comúnmente entendido del término “aligeramiento” - simplemente usar materiales más ligeros. Sin embargo, los ingenieros de diseño suelen considerar por defecto metales y aleaciones debido a su mayor resistencia. La siguiente tabla compara la resistencia y densidad de diferentes materiales automotrices:

Resistencia a la Tracción y Densidad de Materiales para Aligeramiento Automotriz (fuente: Granta Design)

Afortunadamente, la ciencia de materiales ha progresado tanto que existen otras opciones viables en el mundo de los compuestos. Dependiendo de los requisitos de resistencia, seguridad y otros factores, hay una variedad de materiales más ligeros que pueden considerarse para cada componente de automóviles y aviones.

Por ejemplo, en lugar de utilizar piezas decorativas de metal o plástico macizo en un vehículo, existen una serie de componentes fabricados con espuma de poliuretano de alta densidad que pueden recubrirse para parecerse al material original. Al multiplicar un solo ajuste de aligeramiento en toda una aeronave de pasajeros, la reducción de peso se traduce repentinamente en libras y la reducción del consumo de combustible se convierte en rentabilidad.

El segundo técnica de aligeramiento no implica meramente una disminución en el número total de piezas del vehículo. De hecho, debido a los avances tecnológicos, el número de componentes electrónicos en los automóviles ha aumentado con el tiempo - como es el caso de las comunicaciones inalámbricas, los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) y la electrificación del vehículo - lo que hace aún más imperativo asegurar una reducción de peso para compensar estas adiciones.

Por lo tanto, si no es posible reducir el número de componentes en un vehículo, considere elegir una solución de aligeramiento donde el material en sí mismo pueda tener menos componentes.

Tome, por ejemplo, los paneles de panal fabricados con mezclas de papel y compuestos, que suelen ser una opción popular para el aligeramiento debido a su alta resistencia. Sin embargo, como su núcleo consiste en una cuadrícula de celdas abiertas grandes, los paneles deben envolverse en varias capas adhesivas y de revestimiento para evitar la entrada de agua y polvo. Estas películas también deben ser lo suficientemente gruesas para crear una superficie lisa y prevenir la transferencia del patrón de panal.

Materiales como la espuma de poliuretano pueden producirse utilizando una estructura de celdas cerradas que es impermeable y, por lo tanto, no se pudrirá, deformará, torcerá o despegará por la entrada de agua. Además, la espuma cuenta con propiedades de autorevestimiento que sellan automáticamente y están listas para pintar o recubrir, logrando así la apariencia y textura adecuadas. Naturalmente, cuantos menos pasos de fabricación se requieran para crear un componente, mayores serán los ahorros de tiempo y costos.

Las preocupaciones sobre el impacto ambiental y la sostenibilidad suelen ir de la mano con las consideraciones en torno a la eficiencia del combustible. Hay que considerar preguntas como: ¿Cuánto desperdicio se está produciendo para lograr un camión o helicóptero más ligero? Con algunos materiales, como la madera o los paneles de panal, la estructura se fabrica construyendo un bloque con las dimensiones apropiadas y luego mecanizándolo hasta la forma requerida. Sin embargo, este método puede implicar mucho desperdicio y exceso. Dependiendo del material elegido para el aligeramiento, puede ser menos costoso y más eficiente en términos de costos utilizar otras técnicas de procesamiento. Por ejemplo, considere los siguientes métodos de fabricación utilizados para la espuma de poliuretano de alta densidad:

• Moldeo personalizado: En lugar de mecanizar una lámina o bloque en la forma del componente, se crea una herramienta personalizada para moldear la pieza a partir de un material ligero. Esta técnica tiene la ventaja de permitir altos niveles de detalle, formas complejas sin mecanizado, y una piel lisa o texturizada según se desee. Los componentes pueden fabricarse además con pieles listas para procesamiento adicional o para pintura, o puede realizarse una pintura en molde para una mayor eficiencia del proceso.

• Termoformado: Este proceso implica formar mediante drapado o moldeado y es fácil de usar, ideal para dar forma a pendientes y ángulos poco profundos donde el mecanizado podría ser más desperdicioso o consumir más tiempo. Mediante el termoformado, piezas que requieren láminas grandes de espuma y complejidad pueden formarse en cuestión de minutos.

• Laminación de paneles sándwich: Una técnica comúnmente utilizada en la producción de materiales compuestos, este proceso emplea laminación estándar en bolsa al vacío o prensas calientes a temperaturas superiores a 275°. Sin embargo, es importante señalar que ciertos materiales para aligeramiento, como el polieterimida (PEI), aunque poseen buenas propiedades de resistencia, no son del todo adecuados para procesamiento bajo temperaturas elevadas.

Independientemente del método de fabricación elegido, el producto final sigue teniendo el mismo peso y resistencia a la compresión. Sin embargo, con la solución ideal, se garantiza menos desperdicio, con una menor huella de carbono, utilizando materias primas provenientes de productos reciclados, entre otros beneficios.

General Plastics ofrece una amplia gama de espumas de poliuretano rígidas y flexibles en diversas densidades, propiedades térmicas, superficies y otras características para adaptarse mejor a las necesidades de aplicación.

Para el sector aeroespacial, General Plastics ofrece la espuma LAST-A-FOAM® FR-3800 FST y la espuma WSF-1121 para absorción de energía de impacto, cumpliendo con los últimos requisitos de la FAA y la FDA. La FR-3800 fue específicamente desarrollada teniendo en cuenta los estándares de seguridad FST y OSU 65/65/200 para inflamabilidad, densidad de humo, toxicidad y liberación de calor.

Debido a sus propiedades físicas únicas como densidad, resistencia, rigidez y cumplimiento con FST/OSU, la FR-3800 es un material de núcleo que representa una alternativa rentable a los paneles de panal, el cloruro de polimetilo (PMI), la polieterimida (PEI) y la poliéter-sulfona (PESU).

Además, las piezas moldeadas fabricadas a medida por General Plastics para cabina de pilotaje y pasajeros están presentes en la mayoría de las áreas de las aeronaves modernas, tales como:

• Acolchado duradero - utilizado en cubiertas de visualización frontal, revestimientos de techo, protectores de poste, tiras de protección para los pies y cubiertas de asas de asistencia
• Relleno para espacios en aviones - que proporciona amortiguación y reducción de ruido en compartimentos superiores, divisores de cabina de pasajeros, zonas de cocina (galleys) y lavabos.

Explore un gráfico interactivo de 360° para descubrir dónde se utilizan los productos de núcleo de espuma y poliuretano en soluciones interiores para aeronaves.

La espuma de poliuretano suele utilizarse fácilmente para sustituir elementos decorativos metálicos y plásticos en cabinas de aviones. Por ejemplo, un núcleo de espuma recubierto con un revestimiento de metal cepillado puede reemplazar el remate de aluminio alrededor de las pantallas de respaldo de los asientos, disminuyendo así el peso en más del 66% y el precio en un 33%.

Para citar otro ejemplo, un cliente fabricante de equipos originales (OEM) aeroespaciales discutió el uso de espuma de poliuretano en lugar de plásticos más pesados para extensiones de reposabrazos bajo el cojín. Trabajando con ellos en cada paso del camino, General Plastics desarrolló la solución óptima para cumplir con sus especificaciones. Gracias a los ahorros en costos, peso y economía de combustible, el cliente OEM quedó extremadamente satisfecho con la solución y decidió incorporar la estandarización de ese material ligero para ese componente en sus proyectos futuros.

El sector automotriz utiliza espumas de poliuretano para reemplazar elementos termoplásticos en el vehículo, tales como soportes que mantienen diferentes componentes en su lugar en el tablero y paneles de puertas. Dado que estos elementos no son estructurales, sustituir estas piezas funcionales por espuma de poliuretano no compromete la seguridad de todo el tablero o panel de puerta.

General Plastics recomienda la serie LAST-A-FOAM® FR-7100 de núcleos multiuso, ya que la variedad de densidades disponibles la hace aplicable prácticamente en toda la estructura del vehículo, como núcleos para pisos de carga, respaldos de asientos y componentes de soporte rígido, tableros, paneles de puerta, parasoles, carcasas de antena y revestimientos de techo. Asimismo, la serie FP-8000 de absorción de energía semirrígida de General Plastics es ideal para usar en láminas delgadas para amortiguación de sonido en puertas.

En cuanto a aplicaciones de termoformado, la serie de tableros termoformables FR-4300 puede utilizarse en la fabricación de asientos deportivos y cajas de altavoces. Además, para piezas moldeadas personalizadas, tanto la espuma rígida retardante de llama FR-3700 como la espuma WSF-1121 para absorción de impacto pueden usarse bajo plástico ABS termoformado para almohadillas en puertas, reposabrazos, consolas y parasoles. Cada una de estas series de espuma posee mejoras y rendimientos únicos adaptados a una variedad de propósitos, y pueden reducir significativamente el peso y costos en comparación con otros materiales.

En lugar de piezas sólidas de plástico o metal, considere el uso de componentes compuestos económicos que pueden hacer los vehículos no solo más ligeros sino también igual de resistentes.

Ya sea en los mercados aeroespaciales o automotrices, el aligeramiento está volviéndose cada vez más importante para los fabricantes de equipos originales (OEM), proveedores Tier 1 y Tier 2, así como para fabricantes que desean crear nuevos productos para satisfacer las crecientes necesidades de la industria y los nuevos estándares gubernamentales. Materiales para aligeramiento como la espuma de poliuretano proporcionan reducción de peso, así como mejor rendimiento y ahorro de costos totales.

Además, el uso de estos materiales alternativos rara vez es un reemplazo directo uno a uno, debido a diferencias en propiedades, procesamiento, cadena de suministro, etc. Sin embargo, con la orientación de expertos en materiales como General Plastics, todo el proceso desde la planificación hasta el diseño y la fabricación se vuelve mucho más sencillo y fácil.

Con más de 75 años de experiencia trabajando con fabricantes en proyectos complejos y de vanguardia, General Plastics cuenta tanto con la experiencia como con el conocimiento extensivo para ayudar a planificar y coordinar sus objetivos y soluciones de aligeramiento. Con una amplia selección de soluciones innovadoras en espumas de poliuretano rígidas y flexibles, el equipo también ofrece servicios completos de producción interna para entregar conjuntos y piezas completas.

Esta información ha sido obtenida, revisada y adaptada de materiales proporcionados por General Plastics Manufacturing.

Para más información sobre esta fuente, visite General Plastics Manufacturing.