Piezas de automóvil más ligeras gracias a los materiales nanocompuestos de aluminio
A fin de mejorar la eficiencia y cumplir con unas normativas más estrictas, el sector automovilístico debe disminuir el peso de los vehículos sin comprometer su resistencia ni seguridad. Aunque los componentes de acero tradicionales son muy resistentes, su peso representa una gran parte del total del vehículo. Por ello, se han explorado materiales alternativos como los materiales compuestos de aluminio, que incorporan refuerzos nanométricos para lograr una relación superior entre resistencia y peso, además de mayor estabilidad térmica y durabilidad.
Comercialización de tecnología y materiales compuestos avanzados
El proyecto financiado con fondos europeos FLAMINGo(se abrirá en una nueva ventana) fue pionero en el desarrollo de materiales nanocompuestos de matriz metálica de aluminio (Al-MMnC, por sus siglas en inglés), materiales avanzados con nanopartículas cerámicas como carburo de silicio (SiC) o carburo de titanio (TiC) en una base de aluminio. «Estos compuestos tienen una resistencia mecánica excepcional sin aumentar el peso. El objetivo es superar la fase experimental en el laboratorio y lograr que estos materiales sean viables para aplicaciones reales», comenta Alvise Bianchin, coordinador del proyecto. A lo que agrega: «Desde el principio, el objetivo no era crear un material perfecto en un entorno de laboratorio controlado, sino desarrollar un material que se pudiera producir de forma realista e integrar sin problemas en los procesos de fabricación automotriz actuales». Para lograrlo, el equipo se centró en las tecnologías convencionales de conformado del aluminio, como el moldeado en arena verde, el moldeado a baja o alta presión y el moldeado directo en frío, junto con la extrusión: todos ellos métodos probados y rentables que funcionaban como una plataforma ideal para desarrollar los nuevos materiales.
Superar los obstáculos para lograr una distribución uniforme de nanopartículas
La incorporación de nanopartículas como SiC y TiC en la matriz de aluminio planteó varios obstáculos, en concreto la necesidad de desarrollar soluciones innovadoras para lograr una dispersión uniforme de las partículas, evitando que se sedimentaran o aglomeraran. Para ello, los investigadores desarrollaron métodos de mezclado especializados, perfeccionando los diseños de rodete(se abrirá en una nueva ventana) y estudiando el comportamiento del flujo para lograr una distribución uniforme. La simulación también tuvo una gran importancia en este sentido. Gracias a la modelización de la sedimentación de partículas en función del tamaño, la densidad y la dinámica del flujo del metal fundido, el equipo pudo predecir los plazos críticos y optimizar los parámetros de procesamiento, lo que garantizó que las nanopartículas se distribuyeran de forma uniforme por toda la matriz. Una vez desarrollados los materiales, el equipo se centró en el diseño de los componentes. En lugar de limitarse a reproducir en aluminio las piezas de acero originales, emplearon el análisis de elementos finitos y técnicas de optimización topológica para rediseñarlas por completo. El objetivo era adaptar cada componente para aprovechar al máximo la alta rigidez y resistencia específicas de los Al-MMn, sin perder de vista la viabilidad económica y la posibilidad de fabricación a escala. Por último, el equipo llevó a cabo ensayos no destructivos, control de tensión-deformación y pruebas a escala real tanto en el laboratorio como en vehículos reales. Entre estas pruebas se efectuaron análisis por tomografía computarizada para detectar posibles defectos de fundición, así como pruebas de carga estática y en carretera para confirmar el rendimiento mecánico.
Transformación de componentes de acero en alternativas ligeras
Utilizando un vehículo utilitario eléctrico como demostrador, FLAMINGo se centró en los componentes clave que más se podrían beneficiar de la reducción de peso: los pivotes de dirección, los soportes superiores del amortiguador trasero y los perfiles del bastidor trasero. Estas piezas, fabricadas originalmente en acero, no se podían sustituir sin más por materiales nanocompuestos de aluminio. En lugar de eso, los investigadores rediseñaron las piezas, adaptaron los procesos de fabricación y evaluaron cada detalle. Gracias a este trabajo, lograron componentes más ligeros y estructuralmente sólidos que se integran perfectamente en las líneas de producción existentes. «A escala de un vehículo, estos cambios supusieron una reducción de peso del 2-3 %. Aunque pueda parecer modesto, si se aplicara a componentes similares de todo el vehículo se podría conseguir un ahorro de peso superior al 12 %. A nivel de componentes, se observó una reducción de hasta el 45 %, un logro muy importante», destaca Bianchin. Las evaluaciones de seguridad de los nanomateriales confirmaron que no presentan un riesgo superior al de las aleaciones de aluminio convencionales. «El Al-MMnC libera niveles similares de partículas en suspensión durante la soldadura, el fresado o el reciclado, lo cual garantiza que el uso de estos materiales en aplicaciones del sector automotriz no implique riesgo adicionales de seguridad frente a nanomateriales, favoreciendo así la confianza en su adopción», concluye Bianchin.
