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Innovación en materiales de fibra de carbono para la industria automotriz

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Por Felipe Sánchez Banda Saltillo, de la Agencia Informativa Conacyt.

Ante la necesidad de desarrollar autos más ligeros, resistentes y eficientes en consumo energético debido al aumento de costos de combustibles fósiles, científicos del Laboratorio Nacional en Innovación y Desarrollo de Materiales Ligeros para la Industria Automotriz (Laniauto), en el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA), trabajan en la generación de materiales compuestos a base de fibra de carbono para la sustitución de metales convencionales en diversas partes automotrices.

Con este proyecto, los científicos de Laniauto desarrollan materiales con diversas propiedades estructurales con potencial aplicación en diversas partes del automóvil y fomentar, cada vez más, la introducción de la fibra de carbono en los vehículos convencionales.

De acuerdo con estadísticas de la Asociación Mexicana de la Industria Automotriz, A.C. (AMIA), durante el primer bimestre de 2018, el saldo en la balanza comercial de la industria automotriz fue superavitario, es decir que los ingresos superaron los gastos, al registrar 11 mil 95 millones de dólares, con un incremento de 14.6 % en relación al mismo periodo de 2017. Por otro lado, la producción de vehículos ligeros alcanzó cifra récord en el mes de abril de 2018, en el cual se produjeron 290 mil 981 vehículos ligeros, registrando un crecimiento de 0.3 % en comparación con las 290 mil 88 unidades producidas en el mismo mes de 2017.

En un contexto donde la industria automotriz continúa con gran presencia e importancia para Coahuila y México, Laniauto desarrolla diversos proyectos, como la generación de estos materiales especializados, para detonar este sector a través de la innovación científica y tecnológica.

Las ventajas de la fibra de carbono dentro de Laniauto

El desarrollo de materiales poliméricos reforzados con fibras de carbono, principalmente, es una línea de investigación que actualmente es muy pertinente en el área automotriz, debido a la tendencia de la sustitución de metales convencionales para aligerar los vehículos y, por consiguiente, ahorrar en el consumo de combustible. Se estima que la reducción de 10 % del peso de un vehículo representaría un ahorro de siete por ciento de consumo de combustible.

“Cuando se planteó este proyecto, vimos que es uno de los materiales que va a ir sustituyendo los metales tradicionales como el aluminio y el acero, principalmente. El tema de buscar materiales cada vez más ligeros es uno de los motivos principales. Esto va a hacer que los materiales no solo sean cada vez más económicos, sino que va directamente relacionado a la disminución del consumo energético del mismo auto”, destacó el doctor Ernesto Hernández Hernández, catedrático Conacyt, adscrito al Departamento de Materiales Avanzados del CIQA y responsable técnico de Laniauto.

“El uso de fibra de carbono en la industria automotriz se remonta a la década de los 80 en autos de la Fórmula 1, con el McLaren MP4. Recientemente, se ha trasladado la aplicación de esta tecnología en autos de alta gama como los Ferrari, BMW, Chevrolet Corvette, Dodge Viper, Ford Shelby, Alfa Romeo, Ford GT, entre otros autos costosos y de producción en lotes pequeños. Sin embargo, se espera que estos materiales sean usados en mayor medida en autos más económicos”, subrayó José de Jesús Ku Herrera, catedrático Conacyt comisionado al Departamento de Síntesis de Polímeros del CIQA.

“Para poner en contexto el desempeño mecánico y ligereza de estos materiales, tenemos que el acero al bajo carbono tiene una resistencia mecánica de ~300 MPa y una densidad de 7.9 g/ cm 3 , mientras que un compuesto de fibra de carbono unidireccional/resina epóxica puede alcanzar una resistencia mecánica de ~1500 MPa y con una densidad mucho menor (1.55 g/cm 3 )”, comentó el doctor Ku Herrera.

El investigador añadió que en el desarrollo de estos materiales especializados, emplean fibra de carbono comercial, la cual modifican superficialmente a fin de mejorar su compatibilidad con alguna matriz específica y, por consiguiente, mejorar su desempeño mecánico. De esta forma, el material resultante contará con mayor resistencia mecánica, rigidez, tolerancia al daño, tenacidad, vida útil, entre otras características.

Ku Herrera indicó que a pesar de que en la actualidad existen nanomateriales más resistentes y tenaces como los nanotubos de carbono o el grafeno, aún se tienen muchos retos por superar a fin de aprovechar sus propiedades a escala macroscópica y, posteriormente, a nivel industrial; es por ello que la tecnología de las fibras de carbono es la más idónea actualmente para aplicaciones de alto desempeño que demandan simultáneamente alto desempeño estructural y ligereza.

Los retos en su aplicación

En la actualidad, los científicos han obtenido buenos resultados con los compuestos poliméricos reforzados con fibras de carbono. Sin embargo, continúa el desafío de aprovechar al límite las propiedades de las fibras de carbono en partes automotrices y cumplir con las demandas de calidad del sector automotriz, específicamente la relación costo-beneficio que involucra adoptar estas tecnologías.

“A nivel científico, uno de los retos más grandes de estos materiales es desarrollar tecnologías que mejoren la adherencia interfacial entre las fibras de carbono y la matriz huésped. Entonces, la idea es modificar la superficie de estas fibras de carbono, usando moléculas o aditivos adecuados para que cuando se integren con una matriz específica, se obtengan las propiedades deseadas en estos materiales”, puntualizó Hernández Hernández.

Respecto a los resultados y las propiedades de estos materiales compuestos, Ku Herrera subrayó que usando fibras de carbono unidireccionales se tiene la ventaja de poder diseñar un material con reforzamiento en la dirección y condiciones de carga específicas, de tal forma que satisfaga una necesidad concreta. Por lo tanto, dependiendo de la aplicación es posible mejorar la resistencia a tensión, compresión, cortante, rigidez, tenacidad, etcétera.

“Otras estrategias que estamos explorando para dar valor agregado a las tecnologías que desarrollamos, involucra mejorar las matrices poliméricas, el ensamble o integración de las fibras, así como la incorporación de nanomateriales, a fin de dotar al material resultante de características multifuncionales tales como retardancia a la flama, protección UV, propiedades antibacteriales, entre otras”.

Ku Herrera indicó que los retos más importantes de estos materiales para ser adoptados por la industria automotriz son escalar o diseñar métodos de manufactura en línea que garanticen el menor número de defectos estructurales, y, ya sea reducir el costo de producción para hacerlo asequible al usuario promedio o bien que el cliente esté dispuesto a invertir en un auto con alta eficiencia en el consumo de combustible. Actualmente, los procesos de manufactura que garantizan el menor número de defectos, como el VARTM (vacuum assisted resin transfer molding) y por autoclave, son los métodos por excelencia en la manufactura de piezas de alta calidad estructural; sin embargo, sus ciclos de proceso son muy largos. Por otro lado, los métodos como SMC y BMC (sheet and bulk molding compound, respectivamente) tienen ciclos de procesamiento cortos, pero típicamente tienen mayor número de defectos, es por ello que las partes fabricadas por estos métodos no son utilizadas para partes críticas.

“Estamos tratando de desarrollar o ver el límite que se puede alcanzar en cuanto a aprovechamiento de fibra de carbono. Posteriormente, estaremos explorando y diseñando métodos de manufactura que empleen ciclos de procesamiento cortos y un mínimo de defectos estructurales”, subrayó Ku Herrera.

Siguiendo esta estrategia, la idea es ser capaz de reemplazar toda parte metálica de los automóviles como la carrocería en general, la defensa, el chasís, eje de transmisión, etcétera.

Respecto al futuro de este proyecto, los investigadores comentaron que de manera simultánea al desarrollo de esta línea de investigación, buscarán la creación de una marca y las certificaciones requeridas de acuerdo con el sector, para posteriormente transferir la tecnología a las empresas interesadas.

“Esta es una de las líneas que le vamos a apostar mucho en Laniauto, porque además de las capacidades que tienen los investigadores que la están desarrollando, creemos que tenemos también la capacidad como centro y Laniauto de transferir esta tecnología (…) Por supuesto hay que validar el cumplimiento de las propiedades mínimas requeridas por el sector automotriz, hay que escalar estos materiales y el proceso para fabricarlos”, enumeró Hernández Hernández.

Además de trabajar en torno a la fibra de carbono, los especialistas realizan proyectos de desarrollo y consultoría para las empresas y exploran otros tecnologías a base de fibras de vidrio y de aramida, utilizadas a mayor y menor escala, respectivamente, en la industria automotriz.

“Tenemos proyectos que van enfocados en consultoría, a satisfacer una necesidad específica de la industria automotriz. Nos llegan las empresas con una necesidad específica y nosotros les sugerimos estrategias mediante la modificación de materiales, de tal forma que la empresa pueda adoptar estas tecnologías modificando al mínimo los procesos que ellos ya tienen implementados. Existen varias estrategias de colaboración con la industria automotriz, y nosotros estamos abiertos a cualquier tipo de colaboración en la que todos los involucrados salgan beneficiados”, puntualizó Ku Herrera.

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