El debate sobre el diseño de peso ligero protagoniza varias ferias, entre ellas, la BIEMH

Redacción MU16/01/2008

La fabricación de automóviles ligera contribuye a la protección climatológica

En la pasada edición de la feria EMO, en septiembre de 2007, el diseño de peso ligero constituyó uno de los temas sobre los que mucha gente hablaba. Hubo incluso un simposio en torno a esta cuestión. De forma menos acentuada, es más que probable que éste de cómo construir de forma más ligera sea uno de los temas que se discutirán durante la próxima BIEMH.

El diseño de peso ligero es uno de los temas candentes en numerosos ámbitos de la industria de bienes. Y sobre todo, teniendo en cuenta el actual debate internacional sobre la protección ambiental, se ha convertido en un tema más importante que nunca. Las crecientes presiones para ahorrar materia prima y energía mediante la reducción de peso han adquirido una mayor relevancia en el sector científico e industrial. Mientras se reduce el peso, sin embargo, es un imperativo mantener la estabilidad y funcionalidad en las piezas de peso ligero.

Teniendo en cuenta el actual debate internacional sobre la protección ambiental, se ha convertido en un tema más importante que nunca

“Aquí es donde la tecnología de fabricación entra en juego”, afimó Matthias Kleiner, Presidente de la Asociación Alemana de Investigación y miembro del Comité del Institut for Forming Technology and Lightweight Construction, de la Universidad de Dortmund. Cada vez más, clientes de las industrias de la automoción y aeronáutica quieren una reducción de peso, por un lado, con la integración de cada vez más funciones auxiliares en sus componentes”. Esta es la razón por la que el diseño de peso ligero es una auténtica actividad conjunta que integra las tecnologías de construcción, material y fabricación.

La investigación de procesos de fabricación ideales para materiales ligeros ha sido uno de los objetivos. Se ha explorado toda la gama de tecnologías, desde la deformación primaria, deformación y corte, hasta tecnologías de unión y ensamblaje. Sin embargo, según afirmó Kleiner, el futuro basado en la investigación y desarrollo debe incluir la fabricación interdisciplinar y estrategias de dimensiones. Esta será la única forma de incrementar los productos complejos de forma eficaz desde la fase conceptual vía prototipo hasta la aplicación industrial final.

“Cada vez más, las industrias de la automoción y aeronáutica quieren una reducción de peso, por un lado, con la integración de cada vez más funciones auxiliares en sus componentes”

¿Hacia dónde nos lleva esta situación? ¿Hacia dónde van los consumidores y las tecnologías de fabricación? En el Simposio de Tecnología Internacional que se celebró en la feria EMO Hannover 2007, diversos expertos contestaron a estas preguntas en la jornada: “Intelligent light weight design – Challenge for future manufacturing solutions”. Usuarios del sector de la aeronáutica, de la industria de la automoción, y la fabricación de maquinaria dieron a conocer sus demandas relacionadas con los conceptos de diseño de peso ligero, así como los requisitos de tecnología de fabricación. Los fabricantes de máquina-herramienta y componentes presentaron soluciones para satisfacer todas las demandas.

Dipl.-Ing. Ria Kaiser y Hans Jürgen Lange Socios de The Team Technology GmbH, Hamburgo: “La optimización y el dominio del proceso de producción determinan el precio del producto”.

Foto: TTT, Hamburgo

Los vehículos comerciales ligeros ayudan a la protección climática

Lo que hace unos años avivó el debate sobre la construcción ligera con una ‘nueva ligereza’ con el Audi A2 es poco menos que revolucionario para un vehículo de 40 toneladas: en CFK-Valley Stade se desarrollará el primer camión con remolque pesado de la UE en plástico reforzado con fibra de carbono.

CFK-Valley Stade desarrollará el primer camión con remolque pesado de la UE en plástico reforzado con fibra de carbono

El vehículo articulado de CFRP está pensado para ser el vehículo comercial motorizado pesado más moderno y ligero.

Foto: TTT, Hamburgo

Los miembros de CFK-Valley, The Team Technology GmbH (TTT), Hamburgo, y Carbo Tech Composites GmbH (CTC), Salzburgo, han firmado un acuerdo con la asociación británica Motor Industry Research Association (Mira) para desarrollar el primer camión con remolque pesado de la UE hecho de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP). Este vehículo articulado está compuesto fundamentalmente por una construcción laminada de fibra de carbono para el chasis, la estructura básica, la cabina del conductor y una serie de accesorios y piezas. El camión de tres ejes, de unos 330 kW (450 HP), está concebido para ser el vehículo comercial motorizado pesado más moderno y ligero y está previsto terminarlo en el 2009.

El siguiente cálculo es un ejemplo que muestra la importancia de este proyecto para la ecología: dada una reducción media de peso en vacío de entre 5,5 y 6 toneladas por camión con remolque (camión y remolque de tres ejes), la reducción de las emisiones de CO2 será de entre 12 y 15 millones de toneladas anuales aproximadamente, para todos los vehículos alemanes de esta categoría registrados actualmente.

Antecedentes: CFK-Valley Stade e.V.

La organización con orientación internacional, CFK-Valley Stade e.V., es una de las redes de competencia más competentes de Alemania: alrededor de 70 prestigiosas empresas y centros de investigación logran sinergias de sus innovaciones engranando redes de investigación, desarrollo y producción. Uno de los protagonistas de Stade es el grupo Airbus, cuyo centro de excelencia es la instalación de fabricación más grande de Europa para estructuras ligeras.

Según Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Hintze, responsable de ingeniería de producción en el Instituto de gestión de la producción e ingeniería de la Universidad Técnica de Hamburg-Harburg: “La ingeniería mecánica ofrece numerosas opciones de aplicación para el material CFRP”.

Foto: TU Hamburg-

Ventajas de peso y funciones integradas

Si se consideran unos valores de rigidez y resistencia mecánica comparables, el CFRP es aproximadamente un 70 por ciento más ligero que el acero y un 40 por ciento más ligero que el aluminio y los costes sólo son alrededor del 20 por ciento superiores. Otra ventaja son las opciones de integración de funciones: no es necesario atornillar o soldar componentes adicionales, todas las funciones adicionales, como cajas de palets, ruedas de repuesto o parachoques, ya están incluidas en el peso total del remolque de entre 3 y 3,5 toneladas.

La construcción ligera es moderna y, naturalmente, los materiales laminados de fibra de carbono no tienen rival en este terreno. Sin embargo, el material ligero no es una sustancia fácil de tratar. Ria Kaiser, una ingeniera graduada y socia directora del socio de proyecto TTT, decía: “Para procesar mecánicamente componentes CFRP se necesitan herramientas muy resistentes y resistentes al desgaste. Sin duda, se necesita perfeccionar esta parte, por eso se está reduciendo al mínimo el proceso mecánico”. Según dice, esto implica exigencias más estrictas en la construcción de herramientas y moldes: “Cuanto más se reduzca la cantidad de procesamiento mecánico, más complejo será el molde”.

La barra de aguja de una máquina textil como solución completa de construcción ligera. Este componente no sólo proporciona una mejora en el rendimiento de producción (+70%), sino también una vida útil muy superior.

Esta prueba se ha estado realizando durante un año (!) y no ha tenido problemas.

Foto: Carbo Tech Composites GmbH, Salzburgo

El mecanizado de CFRP plantea unas exigencias muy elevadas para las máquinas -herramienta y la tecnología de procesos utilizadas: en primer lugar, las fibras de carbono duras generan un desgaste por abrasión extremadamente alto, lo que exige materiales de corte y revestimientos de una dureza máxima

Más ligereza también en ingeniería mecánica

Sin embargo, las posibilidades que ofrece el material ligero CFRP no se acaban, ni mucho menos, en las aplicaciones de construcción de vehículos. Según Hans Jürgen Lange, también socio director de TTT: “Del mismo modo que nosotros hemos tratado el tema de los vehículos comerciales hechos de CFRP, ahora todos los fabricantes de maquinaria y herramientas pueden mejorar sus procesos mecánicos reduciendo la masa de las piezas pesadas en movimiento de las máquinas paradas. Porque un funcionamiento ligero significa menos energía y menos desgaste y roturas”.

Wolfgang Hintze, responsable de ingeniería de producción en el Instituto de gestión de la producción e ingeniería de la Universidad Técnica de Hamburg-Harburg, es un reconocido experto en el procesamiento de CFRP y miembro de CFK-Valley Stade e.V.: “El CFRP podrá mejorar la respuesta dinámica de máquina herramienta y del equipo de manipulación cuando se reduzca la masa de las guías o los husillos que requieren aceleración”. Esto mismo, dice, se puede aplicar a cualquier palanca o guía oscilante en máquinas de embalaje o textil e imprentas, por ejemplo. Al reducir las fuerzas centrífugas implicadas, la construcción CFRP permite velocidades de rotación superiores para rodillos rápidos. Una alternativa sería reducir la carga de los cojinetes, lo que aumentaría la vida útil. “Por último”, dice Hintze, “el uso de CFRP permite reducir la deformación térmica de la maquinaria y el equipo, por lo que se consigue una mayor precisión”.

Hintze considera que la condición necesaria para hacer un uso rentable del CFRP y "aún un obstáculo frecuente" es un diseño de componente que vaya en consonancia con el CFRP y el conocimiento y la disponibilidad de procesos de producción económicos. El mecanizado de CFRP plantea unas exigencias muy elevadas para las máquinas -herramienta y la tecnología de procesos utilizadas: en primer lugar, las fibras de carbono duras generan un desgaste por abrasión extremadamente alto, lo que exige materiales de corte y revestimientos de una dureza máxima. Además, las fibras muy resistentes se deben cortar de forma que no se separen de la matriz de resina, mucho más blanda.

Revestimiento de la cabeza del cilindro fabricada con RTM (moldeado por transferencia de resina).

Las herramientas RTM requieren el mayor grado de complejidad, ya que deben ser herméticas.

Foto: Carbo Tech Composites GmbH, Salzburgo

Innovaciones necesarias de máquinas, herramientas y moldes

Las estrictas tolerancias que requieren las grandes estructuras de CFRP, “que no se suelen conseguir con los procesos actuales”, conllevan nuevas tareas. “En comparación con el metal, el conocimiento sobre el trabajo con CFRP tiene aún importantes lagunas”, explica Hintze. Las soluciones propuestas para máquina herramienta, continúa, incluyen materiales para cortar diamante y revestimientos, junto con bases de metal duro y geometrías de la herramienta que se orientan a los requisitos del procesamiento de CFRP.

La construcción de herramientas y moldes también tiene que hacer frente a algunos retos: los esfuerzos son continuos, por ejemplo para cambiar de los moldes de metal a otros materiales de molde, como CFRP. Según el profesor Hintze: “Es un campo perfecto para soluciones innovadoras”. Como se manejan grandes dimensiones, los moldes de metal convencionales se encuentran con pesos muy elevados que son difíciles de manejar en funcionamiento. Ésta es otra razón por la que se desea encontrar moldes alternativos.