Compuestos de fibra y materiales cerámicos

El acero es actualmente un material barato y que satisface muchos requerimientos en cuanto a versatilidad, seguridad, robustez, inalterabilidad, etc. Por el contrario cuenta con una seria desventaja: es un material pesado, que lastra seriamente los esfuerzos en los que están envueltos actualmente los principales fabricantes para construir automóviles verdaderamente eficientes. Por ello este material tan estandarizado podría ser sustituido en poco tiempo en muchas de las partes de los automóviles actuales. A decir de muchos especialistas, estamos a punto de entrar en la transición de la edad de hierro a la edad de los materiales compuestos, en lo que a la industria de la automoción se refiere. El motivo por el que todavía el acero domina la fabricación del automóvil actual es la inercia tecnológica que ha generado la enorme inversión hecha a lo largo del tiempo en diseñar, mecanizar, fabricar, y terminar en este metal miles de tipos de vehículos. En cada nuevo modelo, alrededor de mil ingenieros emplean en torno a un año en el diseño, y luego otro año en la fabricación, rondando los costos finales muchos miles de millones de euros.

Recuperar tamaña inversión lleva varios años, y rentabilizarla obliga a realizar una enorme producción en serie que a veces se ve sorprendida por cambios rápidos e inprevistos en los mercados. Un proceso productivo tan difícil y complejo y que obliga a asumir tantos riesgos financieros, podría quedar anticuado en poco tiempo.

El peso total que llega a alcanzar un vehículo en orden de marcha es un factor crítico que afecta a todas las fases de su diseño. Su disminución permitirá reducir la potencia requerida para su arrastre, aumentará la eficiencia del sistema propulsor, disminuirá tanto la resistencia a la rodadura de los neumáticos como la cantidad de energía usada en su aceleración, y que posteriormente se derrocha en su frenado. Un diseño ultraligero debe ser realizado sin sacrificar ni la robustez ni la seguridad de la estructura del vehículo, reemplazando la mayor parte de sus piezas de acero por otras construidas en nuevos materiales como son los compuestos poliméricos avanzados y los cerámicos.

Cuando se aligera el peso de ciertas partes de un automóvil, se genera un "efecto dominó" sobre casi todo el resto de las piezas del vehículo, que pueden ser mucho más ligeras, ya que, al reducirse la carga o tensión que soportan pueden ser aligeradas sin menoscabo de su funcionalidad. Pero lo más importante de todo es que esta fuerte reducción del peso total permite instalar un motor de menor potencia para conseguir las mismas prestaciones. Además ciertos sistemas auxiliares como los servos acaban por ser innecesarios. La supresión de masa en piezas giratorias redunda en mayor suavidad de funcionamiento, y el aligeramiento de la estructura, del motor y de la suspensión aumenta la comodidad del vehículo. Un vehículo del tipo híbrido ultraligero puede obtener una reducción en el peso superior al 50% sin sacrificar prestaciones.

Las piezas en compuestos poliméricos avanzados se diseñan y fabrican de una forma totalmente diferente al acero, ya que son más ligeras, rígidas y robustas, y además permiten el trenzado interior de fibras, formando una matriz-soporte plástica que distribuye uniformemente la tensión. Las fibras pueden ser seleccionadas y orientadas para conseguir las propiedades mecánicas requeridas. Con la fibra de carbono es posible conseguir una robustez similar a la del acero, pero con la mitad o una tercera parte del peso de este. Para mucho usos, otras fibras como la de vidrio y polyaramida, son tan buenas o mejores, y actualmente entre un 50 y un 85 por ciento más baratas. Los chasis de los vehículos híbridos ultraligeros usarán con toda probabilidad compuestos avanzados, formulados con carbono, aramid (Kevlar), o fibras similares, que pueden alcanzar para un mismo peso, mayor grado de firmeza y robustez que los compuestos reforzados de fibra de vidrio.

Son también importantes los compuestos de aluminio infiltrados de aire (aluminium matrix composites), usados en la fabricación de piezas ligeras de motores, los de matriz metálica, que incorporan fibras de carbono-silicio cerámicas insertadas en aluminio o titanio y que poseen características metálicas superiores a las del acero, sobre todo en su resistencia al aumento a la temperatura. La adición de estas fibras al aluminio le hace incrementar su resistencia al alargamiento en tres veces. También se hacen partes de motores con compuestos formulados con poliamida y poliester. En España se fabrican y comercializan actualmente compuestos de fibra de vidrio y resina poliester, sobre todo en palas para aerogeneradores.

Pero las ventajas más importantes de los compuestos surgen en la fabricación de piezas individuales. Solo el 15 por ciento del valor final de una pieza típica de automóvil hecha en acero corresponde al coste del metal; el 85 por ciento restante se distribuye en costes de fundición, soldadura, mecanizado y acabado. Sin embargo, las piezas de compuestos y otros moldeados sintéticos surgen desde el molde ya terminadas y con la forma requerida. Además las unidades grandes y complejas pueden moldearse en una sola pieza, Los cortes podrán hacerse a tan solo un 1% de lo qué ahora es normal, así como reducirse el tiempo de ensamblaje y espaciado a casi el 10 por ciento. Las piezas, además de más ligeras y fáciles de ensamblar, pueden ajustarse mucho más precisamente. El pintado podrá suprimirse en parte al colocarse ya las piezas coloreadas desde el molde. A menos que se reciclen, los compuestos tienen una duración ilimitada, ya que no son susceptibles de abollarse, oxidarse o quebrarse. Con estos materiales será posible que los nuevos vehículos incorporen un cuerpo monocasco sin bastidor. Esta configuración proporciona una rigidez extrema en el automóvil que facilita la conducción, aumenta la seguridad y elimina vibraciones.

Los compuestos avanzados ofrecen un gran potencial debido a su alta reducción de masa (2 veces menos que el aluminio y 5 veces menos que el acero). Reducir la masa de un vehículo mejora la eficiencia del combustible consumido, lo hace más fácil de conducir, de acelerar y de frenar. Muchos expertos en automoción han estimado que los monocascos de los automóviles fabricados en compuestos avanzados pueden aligerar el peso de la estructura de un vehículo en más de un 60%, en relación con su equivalente en acero. El equivalente en aluminio se espera que lo aligere en torno a un 50%, y el acero optimizado en más de un 25%. Por ello, para alcanzar altas cotas de reducción de masa y economía de combustible, los compuestos avanzados parecen ser mucho más prometedores. Sus superiores propiedades mecánicas proporcionan grandes ahorros en tamaño y peso, permitiendo que los automóviles sean más espaciosos, seguros y ligeros.

Con los compuestos pueden fabricarse equipos con una inversión hasta diez veces menor. Esto es así porque las piezas de compuestos se forman en la forma deseada no con los variados y complejos procesos que requiere el acero (prensados a alta presión o temperatura, estampados, galvanizados o revestimientos, pintados, rectificados, etc), sino con un simple y sencillo moldeado, que generalmente se suele revestir de resina epoxy. Algunos procesos de fabricación de compuestos deben hacerse bajo presión, aunque mucho menor que la requerida para el moldeado de metales. La estructura de un automóvil está compuesta por muchos cientos de partes que deben ser soldadas para formar un único conjunto. La estampación del metal no permite generar directamente piezas individuales con formas geométricamente complejas. Sin embargo los compuestos harán posible construir la estructura completa del automóvil moldeada de una sola pieza en forma de monocasco, generando la robustez propia del "efecto cáscara", y ahorrando muchos procesos de subensamblaje.

Si bien las piezas hechas con compuestos se desgastan más rápidamente que las de acero, su fabricación mucho más económica compensa sobradamente la menor duración. El costo total del mecanizado por modelo está actualmente entre la mitad y una décima parte que el del acero, debido a la reducción de número de piezas, y porque muchas de estas pueden ser desechables, y por tanto más baratas. La estereolitografía, - un proceso tridimensional que convierte las figuras diseñadas en ordenador directamente en objetos sólidos complejos- - puede disminuir extraordinariamente el tiempo de mecanizado de piezas complejas.

Los compuestos anisotrópicos ofrecen una flexibilidad en el diseño de vehículos sin precedentes. Las propiedades de este material permiten que se gradúe exactamente la carga a la que se puede someter una pieza, por lo que el diseñador puede maximizar las ventajas de estos todavía costosos materiales. Los procesos de fabricación de piezas permiten ajustar mucho mas sus tolerancias de lo que lo permite el acero, por lo que las costuras entre piezas pueden ser bastante más delgadas de lo que lo son en los automóviles actuales. La estabilidad de los compuestos (que presentan una alta resistencia a la oxidación y la fatiga), su alta firmeza, menor vibración y menor generación de ruido, los hacen más comerciales y confortables para los automóviles.

Correctamente diseñados, los compuestos avanzados pueden proveer un excelente comportamiento ante los impactos por alcance. Tienen mejores propiedades, incluida la favorable absorción de la energía del choque (alrededor de cinco veces más por kilogramo que la del acero), que los hacen ideales para aplicaciones de seguridad. Por ello, muchos fabricantes de automóviles contemplan actualmente la posibilidad de incluir compuestos avanzados en sus automóviles de acero para hacerlos más seguros.

Las principales desventajas de los compuestos avanzados son el alto costo del material, lo poco familiarizado que está el sector de la automoción con ellos, y sobre todo el hecho que para conseguir bajos precios finales es necesario que el volumen de producción sea similar al del acero. El kilo de fibra de carbono es actualmente entre treinta y cuarenta veces más caro que el de acero, aunque el necesario aumento en la producción permitirá a los fabricantes bajarlo en principio a la mitad y posteriormente hasta una cuarta parte. Aunque el costo de un automóvil producido en masa con materiales compuestos es probablemente comparable más o menos al de un automóvil de acero, lo importante en el futuro inmediato no será el coste de adquisición inicial del vehículo, sino los costos globales a lo largo de su vida útil (de combustible, mantenimiento y conservación).

La creencia de que los compuestos son materiales difícilmente reciclables es debida a los problemas que presenta en la actualidad el reciclado de los envases de plástico, fundamentalmente por ser poco rentable. El caso de los compuestos es diferente, ya que el costo de su materia prima es muy superior. Los compuestos están siendo usados actualmente en la industria aeroespacial, y en embarcaciones de altas prestaciones. Los automóviles son inevitablemente los siguientes.

Una de las barreras que tienen los motores actuales para incrementar su eficiencia es la imposibilidad de funcionar a mayores temperaturas por limitaciones propias del acero y los lubricantes. Para las aplicaciones en las que se requiere especial resistencia a la corrosión, al rozamiento y a las altas temperaturas, (lo cual ocurre en muchas de las piezas de los motores), son más aconsejables los materiales cerámicos. También son materiales especialmente ligeros, que pueden disminuir mucho el peso total de los grupos propulsores. Desde hace tiempo se viene utilizando el nitruro de silicio cerámico en turbinas, turbocompresores y cámaras de combustión de los motores de automóviles, donde soporta temperaturas de hasta 1370º y permiten una mejor eficiencia térmica. La incorporación de materiales cerámicos en motores de combustión interna proporciona una enorme disminución de rozamientos internos, incrementando notablemente la eficiencia. En las cerámicas estructurales se han mejorado notablemente la resistencia mecánica y robustez, presentando ahora mismo módulos de elasticidad elevados. Todavía presentan ciertas desventajas en cuanto a la tendencia a fracturarse por shock térmico, y sobre todo en el costo.

Antonio Sánchez 1.999

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