Pese a los retos de fabricación que conllevan, los composites basados en la fibra de carbono están llamados a desempeñar un papel clave en la reducción del peso de los automóviles.
Normativas medioambientales más estrictas y el creciente uso del automóvil en las ciudades de los países emergentes han obligado a la industria de automoción a cambiar su forma de pensar. Se ha puesto el foco en carrocerías ligeras y baterías más duraderas para coches híbridos o eléctricos.
Para 2014, casi todos los fabricantes de automóviles ofrecerán coches híbridos, y eso es sólo el principio. Ferdinand Dudenhöffer, profesor y director del Centro de Investigación para la Automoción de la Universidad de Duisburg-Essen en Alemania, habla de un cambio tecnológico.
“En 2025, los coches nuevos que consuman solo combustibles fósiles no superarán el 35 por ciento del total global”, dice.
Se estima que, dentro de 10 años, se venderán unos 24 millones de coches híbridos o eléctricos anuales. Se trata de una cifra conservadora, dice Dudenhöffer, y todos los fabricantes de automóviles se enfrentarán al mismo problema: el peso. Cuando se instala una batería, el peso de un coche eléctrico sube unos 250 kilogramos, o unos 200 kilos si se trata de un híbrido enchufable.
Volvo Cars está trabajando en una posible solución. Junto con investigadores del Departamento de Aeronáutica del Imperial College London, ingenieros de Gotemburgo, Suecia, han desarrollado un composite hecho de una mezcla de fibra de carbono y polímero que es capaz de cargar y almacenar energía. La idea es que la carrocería de los Volvo del futuro funcione como una batería electroquímica.
Per-Ivar Sellergren, ingeniero de desarrollo del Centro de Materiales de Volvo Cars, es optimista. “Según nuestro plan, tendremos un prototipo de maletero a finales de 2012”, dice. Los composites no son baratos, dice Sellergren, y de momento cuestan mucho más que el acero y el aluminio, pero son el futuro de los coches eléctricos e híbridos.
Según los cálculos de Volvo, el coste de un capó hecho con el nuevo material podría ser equivalente al de un capó original más una batería de iones de litio. “Como fabricantes, podríamos cobrar algo más por el capó de fibra de carbono porque, en efecto, estamos ofreciendo una batería gratis”, dice.
Según Ulf Carlund, el experto en composites de Volvo Cars, hasta ahora los métodos de producción han sido demasiado lentos. Los fabricantes tradicionales de automóviles de acero han tenido dificultades para trabajar con los composites. Pero los expertos dicen que hay voluntad de cambio y se verá un uso creciente de materiales poliméricos en los coches nuevos.
Audi, con su coche de aluminio A2, lleva ventaja en la fabricación de coches ligeros. En el centro de “peso ligero” de la empresa en Neckarsulm, en el sur de Alemania, los ingenieros de Audi trabajan con las técnicas de fibra de carbono ya utilizadas por su filial Lamborghini así como con las tecnologías en composites desarrolladas por la empresa matriz Volkswagen para su Bugatti.
Para su deportivo R8 Spyder, que se vende por más de 120.000 euros y de los cuales sólo se fabrican unos 15–20 diarios, Audi utiliza polímero reforzado con fibra de carbono para ambos laterales y la parte superior de la caja para el techo. Para que el material resulte más barato en los coches de serie un componente de fibra de carbono debe sustituir varios componentes de aluminio. “En lugar de cinco o seis herramientas distintas, quizás sólo haría falta una sola”, dice Karl Durst, ingeniero de desarrollo del Leichtbauzentrum de Audi.
Aquí, entre otros proyectos, se empaquetan fibras en un composite para incrementar la ventaja de peso respecto al aluminio, desde el 17–18 por ciento hasta el 25 por ciento. El proyecto depende de la disponibilidad de un material que tenga la misma resistencia aerodinámica y la misma capacidad de soportar el peso de la prensa que el aluminio. A pesar de ello, hay varios problemas menores y mayores a resolver, dice Durst, incluyendo la corrosión en las uniones entre los composites y otros materiales. También hay un factor de ruido. Por cada kilogramo menos, aumenta el ruido, lo que requiere más aislamiento y más peso. Otro reto será el grado de familiaridad de los mecánicos con el material. “Debería ser posible reparar el coche y cambiar las piezas de composite, incluso en el taller Audi más pequeño, en cualquier punto del planeta”, dice Durst.
El deportivo R8 Spyder de Audi utiliza polímero reforzado con fibra de carbono en los laterales y la parte superior de la caja para el techo.
Debe mejorarse el proceso de fabricación. Lars Herbeck, director de Voith Composites, filial del fabricante alemán de máquinas Voith, prioriza varias áreas. Una es la optimización de los procesos de flujo de los materiales y otra es asegurar una producción regular de más de 100.000 componentes al año, además de agilizar el ritmo de producción. En comparación con los componentes de aluminio, que pueden fabricarse en pocos segundos, las piezas grandes de composites pueden llevar entre 20 minutos y una hora. Esto es aceptable en la industria aeroespacial pero no en la producción en serie de automóviles, con una producción global anual de más de 55 millones de coches.
Oliver Geiger, investigador del departamento de composites del instituto de investigación Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie en Pfinztal, Alemania, busca formas de favorecer la colaboración entre grandes empresas en distintos sectores. Según Durst, de Audi, lo que se necesita es un salto tecnológico, más que un avance evolutivo más lento.
Daimler, que utiliza fibra de carbono desde 2004 en su superdeportivo, el SLR McLaren, se ha comprometido con el desarrollo de esta tecnología. En abril de 2010, inició una colaboración con la empresa química japonesa Toray, líder mundial en la fabricación de fibra de carbono. El objetivo es, en un plazo de tres años, desarrollar componentes hechos de fibra de carbono para modelos con un volumen de producción de 20.000 a 40.000 vehículos al año.
Sin embargo, su eterno rival, BMW, le supera en audacia. Junto con un socio alemán, SGL Carbon, BMW está invirtiendo 100 millones de dólares en una fábrica de composites en Moses Lake, Washington, en los Estados Unidos. Según Friedrich Eichinger, director financiero de BMW, la fábrica permitirá, por primera vez, producir “volúmenes grandes a precios competitivos”. La fibra de carbono que se utiliza actualmente en los coches de carreras cuesta de 22 a 55 dólares por kilogramo y el objetivo es reducir el precio a menos de la mitad.
La fibra de carbono se fabricará en dos líneas, con una capacidad anual de unas 1.500 toneladas. Se utilizarán en el nuevo BMW eléctrico, el Megacity Vehicle, un cinco puertas de cuatro asientos con una pila de litio de 35 kWh, que le da una autonomía de más de 100 kilómetros. Una variante deportiva, con un pequeño motor diesel adicional y dos motores eléctricos, alcanzaría una velocidad máxima de más de 200 kilómetros por hora.
Se cree que la producción del Megacity empezará en 2013–2014 en Leipzig, donde BMW ha invertido más de 400 millones de euros. Según BMW, será el primer coche de serie con un habitáculo enteramente de composite de fibra de carbono y un chasis de aluminio. Los primeros bosquejos mostrados por BMW muestran un coche que parece salido de una película de ciencia ficción, con una batería plana como un colchón, que recorre todo el largo del coche, ruedas sobredimensionadas y una imagen dinámica, casi agresiva.
Queda por ver si mejorará la rentabilidad de un sector que ya está sometido a fuertes presiones.
Norbert Reithofer, director general de BMW, también es consciente de los riesgos. En un congreso de automovilismo celebrado en Nürnberg en octubre de 2010, dijo: “Es posible que no ganemos nada durante el primer ciclo de producción con esta tecnología, pero estará subvencionada con las técnicas tradicionales”.
La producción en serie plantea un reto importante para los coches del futuro.
24
millones de coches híbridos o eléctricos se venderán para 2025.
35%
de los coches nuevos utilizarán exclusivamente combustibles fósiles en 2025.
Fibra de carbón
Los composites que se utilizan en la industria aeroespacial y automovilística se componen mayormente de epoxi o viniléster reforzado con fibra de carbono. Sus ventajas son su bajo peso y propiedades mecánicas, como una tensión alta. Las fibras de carbono se rompen fácilmente pero también se pueden formar para absorber cantidades elevadas de energía. Esta propiedad es necesaria en los coches de carreras, debido al riesgo de choques a grandes velocidades.
Plásticos menos avanzados reforzados con fibra se utilizan desde hace tiempo en la industria automovilística. En la ex Alemania Oriental, se fabricaron más de tres millones de Trabants hechos de duroplástico de algodón de la Unión Soviética y resina fenólica suministrada por las fábricas químicas.
PERSPECTIVA TÉCNICA
Mucha incertidumbre
Los composites ya representan un mercado de crecimiento en la industria aeroespacial en el que Sandvik Coromant ofrece muchas soluciones, incluyendo brocas de PCD (diamante policristalino) y metal duro. Sin embargo, en la industria de automoción, persiste la incertidumbre sobre la necesidad real de composites.
La tecnología de fibra de carbono es un hecho en los Fórmula Uno y los deportivos y coches de lujo, coches que se fabrican más o menos manualmente en series muy pequeñas.
“Cuando se trata de la producción en serie, todavía estamos en la fase de investigación y desarrollo”, dice Francis Richt, que trabaja en el desarrollo de composites en Sandvik Coromant. “Pero creemos que este material pronto se utilizará para reducir el peso de los coches eléctricos e híbridos”. Richt añade que las aplicaciones en la industria aeroespacial son más complejas que en los vehículos; se exige más calidad y se procesan los composites simultáneamente con otros materiales como el titanio.
“Sabemos que los coches tienen una estructura más homogénea que los aviones, lo que, por ejemplo, reduce la necesidad de taladrar miles de agujeros y fresar grandes superficies”, dice Richt. “Hay que estar abierto a nuevas aplicaciones, pero no creo que la demanda llegue a ser comparable con la industria aeroespacial”.
Hay herramientas existentes que pueden utilizarse en automoción. Por ejemplo, las brocas CoroDrill tienen un recubrimiento de diamante que mejora la calidad del agujero y el rendimiento de las máquinas que las usan.
Los materiales compuestos ya se usan en los coches de Fórmula Uno. El reto es traspasar la técnica utilizada en pequeñas series a la producción masiva.
Cómo convertir una carrocería en una batería
La solución de Volvo Cars para tener coches eléctricos más ligeros es sencilla: en vez de instalar baterías, se trata de hacer de la carrocería una batería. Así se puede ahorrar hasta 250 kilogramos de peso. Cada kilogramo es vital si se quiere convertir el coche eléctrico en una realidad práctica. Para esta nueva, los nuevos composites desempeñan un papel esencial. Así funciona esta solución:
