La electromovilidad no es posible sin acero y piezas fundidas

La electromovilidad no tendrí­a un futuro viable sin fundiciones y fábricas de acero. Los principales componentes del motor, el tren de potencia y el cuerpo de los vehí­culos eléctricos están hechos de acero o aluminio, ya sea moldeados o fundidos. Muchas de las presentaciones y discusiones en el evento “El brillante mundo de los metales” (GMTN) y particularmente en GIFA, del 25 al 29 de junio 2019, se centrarán en los problemas de electromovilidad y los nuevos conceptos de accionamiento.

Hay varios conceptos diferentes para el sistema de accionamiento del futuro. ¿Motor eléctrico? ¿Unidad hí­brida? ¿Celda de combustible? ¿O el viejo y buen motor de combustión después de todo, impulsado por combustible con CO2 neutro, es decir, con combustible sintético producido con la ayuda de energí­a renovable?

A largo plazo, la electromovilidad se considera la clave del transporte privado con CO2 neutro. El tiempo que el motor de combustión continuará siendo la solución de transición depende no solo de actores polí­ticos sino también, y sobre todo, del progreso en el desarrollo de la tecnologí­a de la baterí­a y de la amplia disponibilidad de la infraestructura de carga: los requisitos son de mayor alcance a un costo económico. Los expertos creen que los motores de combustión seguirán desempeñando un papel durante mucho tiempo tanto en el perí­odo de transición como después.

Según un estudio de FEV, uno de los mayores proveedores independientes de servicios de desarrollo en el mundo en el sector automotor, menos del uno por ciento de todos los vehí­culos vendidos en todo el mundo en 2016 eran principalmente eléctricos. Los expertos en motores están trabajando sobre la suposición de que la mayorí­a de todos los vehí­culos vendidos en Europa en 2030 todaví­a tendrán un motor de combustión (75 a 85 por ciento), aunque la mayorí­a (alrededor del 90 por ciento) estarán en trenes de potencia hí­bridos. La situación global no se espera que sea muy diferente. Incluso si hay un fuerte aumento en la electrificación del tren de potencia, la mayorí­a de los accionamientos todaví­a tendrán motores de combustión en 2030 también, y los expertos en FEV enfatizan que estos motores de combustión necesitarán operar en topologí­as de accionamientos muy variadas.

La mayorí­a de los expertos en motores están de acuerdo en que los sistemas de accionamiento se electrificarán en el futuro. El profesor Hermann Rottengruber de la Universidad de Magdeburg está seguro: “El cambio a vehí­culos puramente eléctricos se llevará a cabo a través de sistemas de accionamiento hí­brido”. í‰l espera que un tren de potencia hí­brido con un motor de combustión y un motor eléctrico continúe siendo la solución óptima para muchas aplicaciones y tipos de vehí­culos diferentes a largo plazo; sin embargo, el experto en motores emite una advertencia: “No obstante, es hora de pensar cómo se transformará el mercado de componentes de transmisión de vehí­culos a la vista de estos cambios”.

Electrificación del tren de potencia

La experiencia de conducir un vehí­culo eléctrico y la reducción en el consumo de combustible y emisiones de CO2, que son los objetivos de la electrificación, comienzan con el sistema de arranque-parada automático relativamente simple basado en electricidad de 12 V y finalizan con un vehí­culo eléctrico completamente baterí­a (BEV) con tecnologí­a de alto voltaje.

La electrificación conduce a un cambio fundamental en el tren de potencia. Todas las cadenas de suministro para la fabricación de motores deben reconsiderarse por completo. Mientras que las unidades de motor de combustión están dominadas por transmisiones manuales y automáticas con hasta diez engranajes, un vehí­culo exclusivamente eléctrico se maneja sin motores y transmisiones complejas. Mientras que el motor y la transmisión de un automóvil convencional constan de aproximadamente 1.400 partes, un motor eléctrico más transmisión no tienen más de aproximadamente 200.

Esta es la consecuencia para las fundiciones por la eliminación de los motores de combustión: sin bloques de cilindros, sin culatas, sin pistones, sin escape y otros colectores. Los fabricantes de acero pierden cigí¼eñales forjados, árboles de levas y transmisiones complicadas. Las fábricas de acero y las fundiciones tienen todos los motivos para estar relajadas sobre tales desarrollos de todos modos. Los motores de combustión clásicos y los motores eléctricos nuevos necesitarán ser fabricados uno junto al otro durante muchos años más, lo que conducirá inicialmente a un aumento en los componentes. Mientras que los vehí­culos eléctricos incluyan piezas de acero forjado y moldeado y piezas fundidas también, se crearán nuevas oportunidades. Ningún vehí­culo con baterí­a se mueve sin componentes de fundición y acero altamente complejos.

Estructuras ligeras: la tecnologí­a clave

La baterí­a, el motor eléctrico, el tren de potencia y la electrónica de potencia son los componentes cruciales de la electromovilidad.

La limosina eléctrica Tesla con el rango más amplio (600 kilómetros) incorpora una baterí­a que pesa 750 kilogramos. Los autos eléctricos promedio tienen que mover baterí­as que pesan entre 200 y 300 kilogramos. Las estructuras livianas y económicas se están convirtiendo en una tecnologí­a clave en la fabricación de automóviles, por lo que la electromovilidad llega al mercado masivo a pesar del peso y el costo de las baterí­as. Mientras que el pionero del automóvil eléctrico, Tesla, comenzó inicialmente con una mezcla de aluminio, titanio y acero y BMW eligió el costoso plástico liviano reforzado con fibra de carbono para su auto eléctrico i3, un cambio es ahora evidente gracias a los nuevos aceros ligeros. El nuevo Tesla Model 3 se basa principalmente en acero y, mientras tanto, BMW ha suspendido su empresa conjunta con el fabricante de carbono SGL Carbon.

La necesidad de estructuras livianas y la reducción de peso asociada con la electromovilidad son un estí­mulo para las fundiciones. Los componentes ligeros de fundición hechos de metales no ferrosos (aluminio y, en menor medida, magnesio) son cada vez más importantes como rivales de la chapa de acero y aluminio y también componentes de perfil para chasis y partes del cuerpo. Puntales y barras longitudinales hechas de aluminio fundido a presión, por ejemplo.

Nemak, una de las principales fundiciones de metales ligeros que provee a los fabricantes de automóviles, cree que los componentes estructurales hechos de aluminio fundido a presión representan en general una combinación muy interesante de potencial de reducción de peso, costos y propiedades de los componentes. La compañí­a señala que, entretanto, también se está introduciendo la fundición estructural en plataformas de vehí­culos de gran volumen y tamaño medio que deben fabricarse con calidad idéntica en varios mercados diferentes de todo el mundo al mismo tiempo.

Las estructuras ligeras están dominadas por una combinación de acero de alta resistencia y componentes de aluminio seleccionados en autos eléctricos también. El proveedor de automóviles Kirchhoff, por ejemplo, presentó un concepto para una carcasa de baterí­a económica y resistente a los choques con una función de refrigeración integrada hecha de una estructura hí­brida de acero y aluminio en el Salón Internacional del Automóvil (IAA) en 2017.

El profesor Christoph Wagener, vicepresidente de investigación y desarrollo de productos de Kirchhoff Automotive, explica que el objetivo era producir una carcasa de baterí­a lo más liviana posible y al mismo tiempo económica. Por razones de protección contra la corrosión, una parte inferior de acero debe tener un espesor de pared de al menos 1,5 milí­metros, lo que la hace comparativamente pesada. La estructura liviana producida por Kirchhoff con un marco de perfiles de aluminio satisface todos los requisitos tales como la seguridad pasiva, el diseño plano, la gestión térmica, la compatibilidad electromagnética, el sellado y la protección contra la corrosión. Thyssenkrupp Steel también presentó su concepto para una carcasa de baterí­a en IAA. Se supone que el módulo desarrollado a partir de acero de alta resistencia no pesa más que una versión de aluminio comparable, pero cuesta solo aproximadamente la mitad.

El acero de alta resistencia es la principal opción en el mercado de volumen tan sensible a los costos. Philippe Aubron, director de marketing de la división corporativa de ArcelorMittal Automotive Europe, dice: “Los automóviles eléctricos pueden construirse de 50 a 60 kilogramos más ligeros con acero”. La cartera suministrada por el mayor fabricante de acero del mundo incluye no solo acero plano, sino también productos largos para automóviles exclusivamente eléctricos. Aunque las transmisiones de los autos eléctricos son menos complejas que las transmisiones de motor clásicas, las demandas hechas sobre los componentes son similares. El tren de potencia de un BEV aparentemente incluye, por ejemplo, ejes de transmisión y componentes de transmisión que se fabrican con barras especiales y alambre enrollado. Competidores como Saarstahl y el grupo de acero Georgsmarienhí¼tte también están llevando a cabo un trabajo similar de desarrollo para el mayor fabricante de acero del mundo en el sector del acero largo.

Cinta eléctrica: un material fundamental

Tanto el acero como los productos de fundición continúan siendo esenciales para el motor y el tren motriz mientras se hace el cambio a los automóviles eléctricos. “La electromovilidad no es posible sin acero”, dice Andreas J. Goss, CEO de thyssenkrupp Steel. La compañí­a se considera el lí­der del mercado y la tecnologí­a para la banda eléctrica, el material base para todos los motores eléctricos. El torque del motor depende en gran medida de la calidad del producto de acero fácilmente magnetizado. La aleación de hierro y silicio determina el nivel de eficiencia, que se supone que es lo más alto posible, y la pérdida de energí­a debido a la remagnetización, que se supone que es lo más baja posible. Solo unos pocos fabricantes en todo el mundo suministran este material especial y costoso.

El trabajo de investigación y desarrollo aún no se ha completado por un largo camino. Vacuumschmelze, de Hanau en Alemania, demostró recientemente cuánto potencial tiene la tecnologí­a de la banda eléctrica. Equipado con el material de este fabricante de materiales especiales, el coche de carreras eléctrico “Grimsel2, con récord mundial, aceleró de cero a cien en solo 1,513 segundos. Ningún automóvil en el mundo que se produce en serie puede acercarse a una aceleración de este tipo. Ni siquiera el modelo “Project One” de 1000 caballos de fuerza fabricado por AMG, filial de Daimler. El “Hypercar” con tecnologí­a de Fórmula 1 que se presentó en IAA 2017 tardó 2.5 segundos en llegar a cien. Los cuatro motores eléctricos en el “Grimsel” tienen paquetes de chapa hechos de un material especial que serí­a prohibitivamente caro para la producción en serie. Aun así­, Vacuumschmelze está pensando en lanzar un material de motor eléctrico modificado para vehí­culos premium en el mercado.

Carcasas de motor eléctrico hechas de aluminio fundido

Los automóviles eléctricos incorporan una gran cantidad de piezas fundidas de fundiciones como Georg Fischer (GF) o Nemak. A partir de 2019, por ejemplo, la División Automotriz de GF ubicada en Mettmann, Alemania, producirá carcasas de baterí­as de aluminio con un sistema de refrigeración integrado para un fabricante francés de automóviles. Nemak también confirma que el cambio en los conceptos de accionamiento y la introducción de nuevos componentes de electromovilidad estructural, como las carcasas de la baterí­a, están generando un crecimiento adicional.

Los sistemas de accionamiento eléctricos para automóviles requieren una gran cantidad de componentes nuevos. No solo las carcasas para baterí­as sino también, y sobre todo, las carcasas para motores eléctricos y electrónica de potencia, que están diseñadas preferiblemente como piezas moldeadas debido a su complejidad, como informa Christian Heiselbetz, director de I + D Global en Nemak Europe.

Los motores de combustión hechos de aluminio fundido a presión han sido soluciones estándar durante mucho tiempo. La electromovilidad está creando nuevas oportunidades de mercado para las fundiciones. Las partes fundidas del motor son componentes clave de alta calidad tanto en vehí­culos eléctricos parcialmente electrificados como en baterí­as. Desde 2013, por ejemplo, Nemak ha estado suministrando las carcasas de motor fundidas para los modelos BMW i3 e i8. La tecnologí­a de fundición con ingenierí­a madura de procesos y sistemas para fundición a presión y fundición a baja presión y procesos de fundición como espuma perdida, arena y fundición de inversión está en condiciones de enfrentar desafí­os extremadamente variados y aprovechar sus fortalezas, especialmente cuando los componentes son complicados y la integración funcional es necesaria. Si se necesitan circuitos de refrigeración complejos, por ejemplo, la fundición a baja presión permite el uso de núcleos de arena o la inclusión de tubos para poder llevar a cabo una refrigeración optimizada, como enfatiza Heiselbetz, director de investigación de Nemak.

Franz-Josef Wí¶stmann, experto en fundición y gerente departamental en el Instituto Fraunhofer de Tecnologí­a de Fabricación y Materiales Avanzados IFAM, cree que hay un mercado prometedor para las fundiciones no solo en estructuras ligeras y no solo en carcasas para motores eléctricos, baterí­as y electrónica de potencia. Considera que los rotores con aluminio o cobre e incluso los hí­bridos son un problema. El experto en fundición enfatiza que las bobinas se pueden fundir y que los nuevos materiales de moldeo magnético podrí­an convertirse en un mercado.

Nuevos conceptos de accionamientos con acero formado y fundición a presión

La tecnologí­a de accionamiento para vehí­culos eléctricos en el futuro también requiere una transmisión y, por lo tanto, componentes de aluminio fundidos a presión muy complejos, así­ como componentes de acero igualmente complejos fabricados mediante tecnologí­a de conformado, como lo confirma Astrid Wilhelm-Wagner, director de Marketing de Voit. El proveedor de automóviles de Saarland en Alemania —que tiene su propia fundición— tiene la intención de fortalecer la producción de piezas de transmisión convencionales (principalmente para el proveedor ZF) y expandir el negocio de electromovilidad al mismo tiempo.

El segmento de fabricación establecido para trenes de potencia convencionales ya está siendo sustituido en la hibridación de conceptos de accionamiento existentes hasta e incluyendo módulos de accionamiento eléctrico completamente integrados”, dice Wilhelm-Wagner. En su opinión, algunos componentes existentes se eliminarán por completo en el futuro, mientras que otros componentes, como las unidades de control de electrónica de potencia, se integrarán directamente en la transmisión. La gama de productos se extenderá cada vez más en los próximos años. La experta de Voit enumera componentes tales como piezas de transmisión interna, estructuras de alojamiento para aplicaciones de electromovilidad, estructuras de alojamiento para electrónica de potencia, carcasas de motores eléctricos, componentes de recuperación de energí­a y pilas de celdas de combustible.