Cómo los procesos de fabricación consiguen aligerar el peso del automóvil

Alcanzar la ligereza en la automoción es vital para aumentar el ahorro de combustible de los vehículos con motor de combustión interna y ampliar la autonomía de los vehículos eléctricos (VE). Reducir el peso del vehículo en 10% puede mejorar el ahorro de combustible en 6-8% y reducir las emisiones de dióxido de carbono. ^[1]. La reducción del uso de combustible también implica una reducción de las emisiones, lo que es estupendo para la sostenibilidad medioambiental.

Más allá del ahorro de combustible y la mejora de la autonomía, la fabricación de automóviles ligeros puede mejorar significativamente el rendimiento, incluido el frenado, el manejo y la aceleración. Además, la fabricación ligera reduce el esfuerzo de la suspensión, los frenos y los neumáticos, lo que disminuye el desgaste. El resultado a largo plazo es que estas piezas durarán más y necesitarán menos mantenimiento.

Entonces, ¿cómo pueden los fabricantes aligerar las piezas de los automóviles? ¿Puede lograrse simplemente sustituyendo los materiales tradicionales por alternativas ligeras o es necesario replantearse el diseño de las piezas?

Desmontando el “mito del novato” en la fabricación ligera

Hay muchas ideas equivocadas sobre la fabricación de piezas ligeras para automóviles. Una escuela de pensamiento afirma que la ligereza puede lograrse mediante la elección de materiales. En otras palabras, un automóvil puede ser más ligero simplemente cambiando a materiales más ligeros.

Basándose en esta idea errónea, ven los procesos de fabricación como moldeo por inyección para automoción, utillajey Mecanizado CNC como meros “obreros” que siguen un plan establecido. La segunda escuela de pensamiento es que el uso de materiales más ligeros compromete la seguridad. Ninguna de estas dos escuelas de pensamiento sobre la fabricación ligera de vehículos es cierta.

De hecho, se ha demostrado que los materiales compuestos modernos son más resistentes a los choques. ^[2]. Son más eficaces para absorber la energía de los impactos que los metales utilizados en los automóviles tradicionales.

Fabricación ligera de automóviles mediante moldeo por inyección

Sin duda, la elección del material desempeña un papel importante en el aligeramiento. Sin embargo, la resistencia y la forma óptimas se consiguen casi por completo sin aumentar el peso mediante la optimización del diseño y las prácticas de fabricación innovadoras que se indican a continuación:

1. Ahuecamiento de secciones para reducir el uso de material

Las piezas voluminosas pueden crearse para que tengan secciones interiores huecas. Este vacío suele conseguirse mediante moldeo por inyección asistida por gas o espumado. Por ejemplo, en el espumado físico, se inyecta gas nitrógeno o dióxido de carbono en el plástico fundido. El gas provoca la expansión del plástico fundido en el molde. El plástico fundido atrapará las burbujas de gas, creando una estructura interna porosa y parecida a una espuma.

También se utiliza a menudo el espumado químico, que implica la adición de un agente espumante químico (CBA), como la azodicarbonamida (ADC) y el bicarbonato sódico o el ácido cítrico, a la resina. Al calentarse, el CBA se descompone y libera gas para crear el mismo efecto que se experimenta en el espumado físico. El espumado crea una capa exterior sólida y un núcleo espumoso. Esto reduce el uso de material y ayuda a mantener el peso ligero del producto, sin socavar la estabilidad dimensional.

2. Uso de nervaduras como complemento de estructuras de paredes delgadas

Otra práctica importante en la fabricación de automóviles ligeros es el uso de técnicas de fabricación avanzadas (como el moldeo por inyección de paredes finas y el conformado al vacío) para crear piezas con paredes más finas (<1 mm de grosor), preservando al mismo tiempo la integridad estructural de la pieza.

Esta técnica de moldeo por inyección utiliza altas presiones, velocidades (>1000mm/s) y maquinaria avanzada para garantizar el correcto llenado de las delgadas cavidades. Las paredes finas suelen apoyarse utilizando costillas y refuerzos para proporcionar rigidez y resistencia allí donde se requieren estas propiedades. Las nervaduras también pueden evitar defectos como marcas de hundimiento.

3. Consolidación de múltiples partes

Cuando una pieza de automóvil está formada por varios componentes, cada uno de ellos debe soldarse o fijarse entre sí. La soldadura o la fijación acaban por aumentar el peso de la pieza acabada. En la fabricación ligera, las piezas demasiado complejas se rediseñan para facilitar su producción mediante un único proceso de moldeo por inyección.

La consolidación de varias piezas en una única unidad moldeada elimina la necesidad de elementos de fijación secundarios, como remaches y pernos, lo que reduce el peso de la pieza. Sin embargo, los moldes para crear diseños snap-fit que no requieren fijaciones adicionales durante el montaje pueden necesitar la adición de elevadores o deslizadores, lo que aumentará potencialmente su coste. Otras ventajas de la consolidación de piezas para la industria ligera del automóvil son:

• Crear estructuras con una sola pieza continua suele tener una mayor integridad estructural en comparación con múltiples piezas unidas, que pueden introducir puntos débiles en las juntas.
• La consolidación permite a los fabricantes crear más piezas con menos mano de obra y a un coste reducido.

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Fabricación ligera de automóviles mediante mecanizado CNC

El mecanizado por control numérico computerizado, o mecanizado CNC, es uno de los métodos habituales de fabricación sustractiva. En este proceso de fabricación, un software preprogramado controla una máquina herramienta para cortar con precisión un bloque de material (madera, plástico o metal) en una pieza o producto deseado.

El alto nivel de precisión de la herramienta de mecanizado hace que esta técnica sea útil para la creación de diseños complejos. Además, el alto nivel de automatización elimina los errores y las intervenciones humanas, lo que puede ayudar a los fabricantes a ahorrar costes de mano de obra. Entre los componentes ligeros de automoción más comunes creados con esta técnica se incluyen:

• Componentes y sistemas de refrigeración de motores de vehículos eléctricos
• Chasis y suspensiones, incluidos brazos de control y soportes
• Piezas del motor, incluidos el bloque motor, el pistón, las culatas y los cigüeñales.

Una de las razones por las que el mecanizado CNC es crucial para la fabricación ligera es su versatilidad de materiales. Puede utilizarse para crear piezas de distintos materiales, como aluminio, fibra de carbono, aleaciones de titanio, magnesio y otros plásticos especializados. Estos materiales suelen elegirse por su relación resistencia-peso.

Es fundamental mantener una gran precisión dimensional a la hora de crear componentes ligeros optimizados. Las imprecisiones en las dimensiones pueden comprometer el rendimiento, la funcionalidad o la integridad estructural del producto o la pieza. El mecanizado CNC multieje moderno, como las máquinas de 5 ejes, puede crear piezas multidimensionales complejas. Entre las modificaciones avanzadas de diseño de fabricación ligera que pueden conseguirse mediante el mecanizado CNC se incluyen:

• Canales huecos o internos complejos: En el diseño de secciones huecas de piezas de automoción, como componentes de motores y placas de refrigeración, el mecanizado CNC se utiliza para eliminar con precisión los materiales de los componentes internos de una forma que es prácticamente imposible de conseguir manualmente. Para crear piezas ligeras de automoción, esta técnica puede utilizarse para vaciar secciones en las que la resistencia no es necesaria, reduciendo así el peso de la pieza.
• Creación de piezas con tolerancias ajustadas: El mecanizado CNC puede utilizarse para lograr un nivel extremo de precisión (en torno a ±0,01 mm), exactitud y consistencia. Este mayor nivel de precisión garantiza que cada pieza encaje a la perfección, lo que puede aumentar la seguridad al utilizar el menor grosor de material posible.

La alta precisión del mecanizado CNC optimiza la producción de forma que se reduce el desperdicio de material en comparación con otros métodos tradicionales. Esto resulta especialmente útil en la fabricación de componentes ligeros para automóviles con materiales caros y de alto rendimiento.

Fabricación híbrida de automóviles ligeros

La fabricación híbrida es un término que describe la combinación de diferentes técnicas de fabricación para crear piezas ligeras. Por ejemplo, el mecanizado CNC (un proceso de fabricación sustractivo) se combina con la fabricación de piezas ligeras. Impresión en 3D (un proceso de fabricación aditiva) para crear piezas complejas y ligeras con tolerancias estrictas que serían más difíciles de conseguir con cualquiera de los dos métodos.

Fabricación híbrida mediante impresión 3D y mecanizado CNC

La fabricación híbrida aprovecha las ventajas complementarias de cada una de las técnicas en cuanto a eficiencia de materiales, diseño y acabado. Una fabricación ligera híbrida común combina los poderes de la impresión 3D y el mecanizado CNC.

La impresión 3D se utiliza para crear geometrías internas muy complejas, como canales huecos o celosías. La fabricación híbrida ofrece un nivel de libertad de diseño incomparable con otros métodos. El punto fuerte de este proceso de fabricación aditiva es la creación de este tipo de geometrías internas complejas sin comprometer la integridad estructural. Sin embargo, su rendimiento es deficiente en cuanto a tolerancia y acabado.

Por lo tanto, después de imprimir en 3D la pieza hueca utilizando un material ligero, el mecanizado CNC se utiliza en el post-procesamiento para lograr la tolerancia deseada y precisión extrema (±0,002 mm) en la estructura interior y acabado superficial liso en el exterior (Ra0,4μm). Otras ventajas de utilizar un proceso híbrido de fabricación ligera con impresión 3D y mecanizado CNC son:

• Mayor reducción de los residuos materiales: Primero se utiliza la impresión 3D para crear la forma hueca, y el mecanizado CNC sólo tiene que retirar un mínimo de material, lo que reduce los residuos y los costes.
• Ciclos de producción más rápidos: Dado que la impresión 3D y el mecanizado CNC pueden automatizarse, la combinación de ambos elimina el movimiento manual de las piezas, que puede ralentizar el proceso de fabricación.
• Racionalización del proceso de producción: Un software integrado gestiona ambos procesos, lo que ayuda a eliminar ineficiencias y errores.

Fabricación ligera híbrida mediante impresión 3D y moldeo por inyección

La impresión 3D se combina a menudo con el moldeo por inyección, especialmente en el proceso Voxelfill ^[3]. El proceso fue desarrollado y patentado por AIM3D. El proceso Voxelfill utiliza un proceso de fabricación de 2 pasos para superar la debilidad asociada con el eje Z de las piezas impresas en 3D capa por capa de la siguiente manera:

• El primer paso es la creación de la estructura reticular mediante impresión 3D: La estructura, que se asemeja a un panal, se imprime en 3D mediante un sistema de modelado por extrusión de materiales compuestos.
• El segundo paso es el relleno de la red o relleno de vóxeles: Se utiliza una extrusora para inyectar material termoplástico en las cavidades internas de la celosía. El material de relleno puede ser espumas y está pensado para aumentar la rigidez y la resistencia sin aumentar el peso.

El futuro de la fabricación ligera gira en torno al diseño multimaterial (MMD). En lugar de una sustitución general del material, el MMD coloca estratégicamente el mejor material para un requisito específico en el lugar adecuado. Por ejemplo, el acero de alta resistencia puede utilizarse en zonas que requieren una gran resistencia a los choques, mientras que el aluminio se emplea en paneles exteriores donde la prioridad es la reducción de peso.

Referencias

[1] Departamento de Energía de Estados Unidos. (s.f.). Materiales ligeros para coches y camiones. Oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables.https://www.energy.gov/eere/vehicles/lightweight-materials-cars-and-trucks

[2] Universidad de Tennessee Knoxville. (2023, 27 de febrero). Un estudiante de doctorado prueba la resistencia a los choques de los materiales compuestos con una profundidad sin precedentes. Departamento de Ingeniería Civil y Medioambiental. https://cee.utk.edu/phd-student-tests-composite-crashworthiness-in-unprecedented-depth/

[3] Engineering.com. (2022, 24 de octubre). ¿En qué consiste el proceso Voxelfill? Ingeniería.com. https://www.engineering.com/what-is-the-voxelfill-process/