Nuevos materiales y aleaciones transforman la industria automotriz

Reducir el peso de los componentes entre un 10 % y un 60 % es posible al sustituir el acero pesado por materiales como acero de alta resistencia, aleaciones ligeras, compuestos de polímeros reforzados, entre otros. 
 

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La transición hacia materiales avanzados, no ferrosos y la adopción de tecnologías innovadoras en sus uniones representan un cambio significativo para la industria metalmecánica donde aquellos talleres y plantas que se especializan en estos enfoques no solo mejorarán su competitividad en el mercado, sino que también contribuirán a un futuro más sostenible y eficiente en el sector automotriz.

El informe de McKinsey & Company, Lightweight, heavy impact: How lightweighting can affect the automotive industry señala que "el uso de materiales ligeros crecerá significativamente en todos los sectores: mientras que el porcentaje de materiales ligeros es actualmente mayor en la aviación, con casi un 80 %, la industria automotriz está aumentando masivamente el porcentaje de materiales ligeros del 30 % al 70 % para 2030". 

Además el  informe de McKinsey & Company enfatiza que todos los materiales ligeros permiten reducir peso, pero a un costo mayor. Como ejemplo, La fibra de carbono, un 50% más ligera que el acero, es mucho más costosa (570 % del acero). Con una reducción de costos del 70% en la industrialización, la diferencia de precio con el aluminio podría bajar del 80% actual al 30% en 2030.

Siendo así, el hecho de que el 75 % del consumo de combustible esté relacionado con el peso del vehículo impulsa a los talleres a adaptarse a la creciente demanda de materiales más ligeros y otros sustituyentes. Esta transición requerirá inversiones en nueva tecnología y maquinaria, así como ajustes en los procesos de fabricación. Aunque esto puede aumentar los costos iniciales, también ofrece oportunidades para innovar y mejorar la eficiencia, manteniendo la competitividad en un mercado que cada vez valora más la reducción de peso y la sostenibilidad.

COMPARATIVO: REDUCCIÓN DE PESO EN VEHÍCULOS ACERO VS. MATERIALES LIGEROS

MATERIAL LIGERO	REDUCCIÓN DE MASA
Magnesio	30-70 %
Compuestos de fibra de carbono	50-70 %
Compuestos de aluminio y matriz de aluminio	30-60 %
Titanio	40-55 %
Compuestos de fibra de vidrio	25-35 %
Acero avanzado de alta resistencia	15-25 %
Acero de alta resistencia	10-28 %

*Fuente: Departamento de Energía de EE. UU. Oficina de Tecnologías de Vehículos

Una constante en investigación para el futuro automotriz

La innovación en tecnología de materiales requiere un estudio constante para mejorar sus aplicaciones. Modificar las propiedades de los materiales puede ampliar su rango de aplicación. Es crucial entender cómo estos materiales reaccionan bajo diferentes condiciones de fuerza, fricción y temperatura.

Según un estudio realizado por el Centro de Investigación de Automoción (Center for Automotive Research), el uso de materiales ligeros y compuestos aumentará significativamente si los fabricantes de automóviles quieren lograr una reducción global del peso de entre el 10% y el 15%. El Centro ha proyectado que se utilizarán alrededor de 25 libras más de plástico y materiales compuestos en los vehículos, en sustitución de los aceros, esta demanda va acompañada de mayores oportunidades para aligerar los vehículos gracias a los avances en materiales y fabricación.

Materiales no ferrosos, como el aluminio y el magnesio, ofrecen propiedades excepcionales que son altamente beneficiosas para la industria automotriz. Más allá de sus propiedades intrínsecas, existen métodos alternativos de unión que pueden proporcionar ventajas significativas sobre los procesos convencionales. Estos métodos mejoran las uniones y el comportamiento mecánico de las aleaciones, resultando en productos finales de mayor calidad y rendimiento.

Para los talleres y plantas de la industria metalmecánica, entender y adoptar estos materiales y técnicas innovadoras es crucial. Implementar aleaciones avanzadas y métodos de unión alternativos puede resultar en una producción más eficiente y sostenible.

Innovación en procesos de unión

Procesos de unión por arco

• GMAW (Gas Metal Arc Welding)

Utiliza un electrodo de alambre continuo y un gas de protección para soldar materiales. El calor generado por el arco eléctrico funde el metal base y el electrodo, formando una unión.
Ventajas: Alta velocidad de soldadura, adecuado para metales delgados a gruesos, automatizable.
Desventajas: Genera distorsión y fases no deseables que afectan las propiedades mecánicas.

• GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Emplea un electrodo de tungsteno no consumible y un gas de protección (generalmente argón) para soldar. Es conocido por su alta calidad de soldadura.
Ventajas: Excelente control del calor, produce soldaduras limpias y de alta calidad, adecuado para metales delgados.
Desventajas: Proceso más lento, requiere mayor habilidad del operador, puede generar distorsión y alteraciones microestructurales.

Procesos de unión en estado sólido

• FSW (Friction Stir Welding):

Utiliza una herramienta giratoria que se introduce en las piezas a unir, generando fricción y calor. El material alcanza un estado plástico y se mezcla sin llegar a la fusión.
Ventajas: Baja distorsión, mantiene las propiedades mecánicas, adecuado para materiales difíciles de soldar por métodos convencionales.
Desventajas: Requiere maquinaria especializada, no adecuado para todas las geometrías de unión.

• Brazing (Soldadura por Capilaridad):

Consiste en unir materiales usando un metal de aporte que tiene una temperatura de fusión más baja que las piezas a unir. El metal de aporte se funde y se distribuye por capilaridad entre las superficies a unir.
Ventajas: Menor distorsión, adecuado para unir diferentes materiales, buena resistencia mecánica y a la corrosión.
Desventajas: No siempre adecuado para altas temperaturas de servicio, puede requerir preparación de superficies.

Procesos y técnicas avanzadas para manipular las aleaciones 

La adopción de aleaciones ligeras como el aluminio, el magnesio y el titanio ha revolucionado la fabricación donde los talleres deber seguir procesos y técnicas especializadas para manejar estas materias primas debido a sus propiedades únicas. Al abordar el trabajo con aleaciones ligeras se deben tener en cuenta procesos de Maquinado como:

 

• Maquinado de alta velocidad: Las aleaciones ligeras generalmente permiten velocidades de corte más altas debido a su menor densidad y baja dureza en comparación con los aceros. 
• Herramientas de corte: Utilización de herramientas de corte afiladas y de alta calidad (carburo de tungsteno o diamante policristalino) para minimizar el desgaste y obtener un acabado de superficie superior. 
• Refrigeración y Lubricación: Empleo de fluidos de corte adecuados para reducir la fricción, el calor y evitar el embotamiento de las herramientas.

Adicional, el control de calidad es una fase crítica en el trabajo con aleaciones ligeras en los talleres metalmecánicos. Este proceso incluye una serie de inspecciones y pruebas diseñadas para asegurar la integridad y el desempeño de las piezas fabricadas. Por ejemplo, las pruebas de dureza y resistencia son prácticas habituales para garantizar que las aleaciones mantengan sus propiedades mecánicas y estructurales bajo diversas condiciones operativas.

Para asegurar que las piezas fabricadas con aleaciones ligeras cumplan con los estrictos requerimientos de la industria automotriz, es fundamental adherirse a tolerancias dimensionales y geométricas estrictas. Esto implica la precisión en las medidas y formas de las piezas para asegurar su intercambiabilidad y correcto funcionamiento en aplicaciones críticas. El cumplimiento de estas tolerancias no solo garantiza la calidad del producto final, sino que también asegura que las piezas se integren perfectamente en sistemas complejos, donde incluso la más mínima desviación puede afectar el rendimiento general del vehículo.

Al mantener altos estándares de inspección y pruebas, los talleres metalmecánicos pueden producir componentes altamente confiables y duraderos, contribuyendo así a la creación de vehículos más sostenibles y de alto rendimiento.