Una guía para el aligeramiento automotriz

El aligeramiento, un concepto en la industria automotriz, exige que todas las partes del automóvil se optimicen para lograr el menor peso posible. Al proponer que se diseñen nuevos materiales para reemplazar piezas pesadas de automóviles que causan tensión en el motor, los fabricantes de equipos originales (OEM) están invirtiendo en soluciones modernas y funcionales que sirvan mejor a los usuarios individuales y al medio ambiente.

Los eventos recientes han renovado el interés y el enfoque en el aligeramiento. Para empezar, el presidente Biden emitió la Orden Ejecutiva 13990 dentro del primer mes de su presidencia. Esta orden, «Protección de la salud pública y el medio ambiente y restauración de la ciencia para abordar la crisis climática», ordena a las agencias federales que revisen las regulaciones y otras acciones de la agencia de la Administración Trump, incluidas las normas federales que regulan la economía de combustible y las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). de turismos y camiones.

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Estos estándares incluyen los estándares de economía de combustible promedio corporativa (CAFE) aplicados por la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en Carreteras (NHTSA) y los estándares de emisión de GEI para vehículos livianos puestos en vigencia por la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA).

Más recientemente, el presidente Biden se reunió con fabricantes de chips y fabricantes de automóviles para analizar la escasez de la cadena de suministro de semiconductores. Los semiconductores están en el centro de la innovación dentro de la industria automotriz. Mejoran la eficiencia del vehículo al tiempo que avanzan en la tecnología de seguridad, como los sistemas de detección de colisiones. Invertir en tecnología, investigación y abastecimiento de semiconductores podría ayudar a optimizar las prácticas de aligeramiento en toda la industria al reemplazar la necesidad de componentes pesados ​​con microchips livianos y electrificación.

El presidente también se reunió con líderes mundiales, reafirmando el compromiso de EE. UU. con la neutralidad de carbono para 2050 y la reducción a la mitad de las emisiones para 2030. Su plan, disponible con más detalles en Whitehouse.gov, destaca el papel de “los trabajadores automotores que construyen vehículos eléctricos modernos y eficientes”. y la infraestructura de carga para apoyarlos”. Con el apoyo del gobierno a la innovación dentro de la industria automotriz, el aligeramiento ocupa un lugar central.

Dos enfoques

Los OEM han seguido dos enfoques específicos para la reducción de emisiones y el aligeramiento automotriz:

1. Adoptar tecnologías de energía híbrida y fuentes de energía alternativas en el desarrollo de vehículos eléctricos (EV)
2. Aumentar la distancia recorrida por galón de combustible

Estos enfoques tienen como objetivo mejorar la autonomía por carga de los vehículos eléctricos y reducir las emisiones de los vehículos de gasolina y diésel. La reducción del peso total del vehículo desbloquea la viabilidad comercial de ambos enfoques.

Una evolución de los materiales: tendencias en el aligeramiento automotriz

Los fabricantes de automóviles buscan constantemente nuevos materiales de calidad. Hacen esto para mejorar la seguridad general del vehículo o para reducir el ruido, la vibración y el consumo de combustible. Estos incentivos para la innovación dentro de la industria se ven intensificados por estrictas regulaciones ambientales, que son un componente esencial para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero a nivel mundial. El aligeramiento automotriz parece ser el mejor camino a seguir.

Impulsando la evolución de la ciencia de un material en beneficio de un mejor kilometraje, aceleración, frenado y manejo general del vehículo, los OEM han desarrollado biocompuestos y biomateriales avanzados, como alternativas reforzadas con fibra, aleaciones de aluminio premium y aceros avanzados y de ultra alta resistencia hacia la el objetivo de aligerar los vehículos para cumplir las normativas.

Ejemplos de aligeramiento

Las prácticas de aligeramiento están orientadas a sistemas. Es engañoso pensar en ello como un proceso de sustitución de componentes individuales por sus versiones más ligeras.

Más bien, los productos y procesos en los que se enfocan los OEM hoy en día consideran todas las posibilidades de aligeramiento para reducir y eliminar componentes por completo. El uso de nuevas herramientas, como impresoras de metal 3D e IA, ayuda a facilitar la experimentación y respalda las pruebas de materiales que requiere el aligeramiento automotriz exitoso.

Freno por cable

Brakes International, con sede en Eindhoven, Países Bajos, está desarrollando la tecnología Smart Brake de freno por cable, que se lanzará en 2025. Smart Brake elimina el frenado hidráulico y reemplaza el cilindro maestro, las líneas de freno, el líquido de frenos, los pistones de la pinza accionados por líquido y componentes de frenos antibloqueo.

Al centrarse en todo el sistema de frenado, en lugar de los componentes de frenado individuales, se podría implementar una solución de aligeramiento ya que el frenado se produce electrónicamente con motores eléctricos. Estos motores eléctricos demuestran una gran fuerza de sujeción en las pastillas y rotores de freno.

Sistema de combustible

Los tanques de combustible más pequeños que ofrecen una mejor eficiencia de combustible son más livianos que sus contrapartes más voluminosos. Además, los vehículos a batería eliminan por completo la necesidad de tanques de combustible.

Consolidación de componentes

Tener menos piezas en general reduce la cantidad de fijaciones mecánicas y adhesivos en elementos como las consolas de los vehículos. Estos componentes más pequeños aparentemente menos pesados ​​se acumulan a granel.

Abrigos y acabados

Las capas base y finales más delgadas reducen el uso de material.

Amortiguación de ruido, vibración y dureza (NVH)

Los materiales de aislamiento (reducción del calor, el ruido y/o la vibración) debajo de los cofres, los arcos de las ruedas, los compartimientos de los pasajeros y el encapsulado del motor están cambiando a materiales más livianos como aluminio, magnesio y compuestos reforzados con fibra de carbono.

Unión y composición de componentes

Los plásticos, el policarbonato, las fibras de carbono, el aluminio, los tipos de acero de resistencia ultra alta y avanzada y el uso de adhesivos y soldaduras por puntos en lugar de las fijaciones mecánicas tradicionales dan como resultado una reducción de peso. Los adhesivos permiten unir diferentes materiales, lo que puede ser beneficioso para construcciones híbridas.

¿Qué se usa dónde?

Las aplicaciones de aligeramiento automotriz pueden variar según el tipo de vehículo. Por ejemplo, el Centro de Investigación Automotriz (CAR) muestra que las diferencias estructurales entre los vehículos de una sola pieza y los de carrocería sobre bastidor juegan un papel importante en la elección de los componentes de materiales. Los vehículos de carrocería sobre bastidor, en su mayoría camionetas y SUV en los que la carrocería se asienta sobre un bastidor plano y fuerte que soporta y sujeta las ruedas y la suspensión, también son, en general, más caros que los vehículos de una sola pieza, automóviles cuya carrocería sirve como el marco que soporta el peso del vehículo, así como las ruedas y la suspensión.

Algunas de las principales oportunidades para el aligeramiento automotriz se encuentran en: interiores, aislamiento, parachoques, asientos, ventanas, paneles de carrocería, estructura y paquetes de baterías.

Los materiales específicos que verá incluyen:

Aluminio

Los productos de aluminio para todo uso, que incluyen láminas de aluminio, bobinas de aluminio, placas de aluminio, barras de aluminio y tubos de aluminio, están ganando popularidad en la fabricación de automóviles. Destacan dos series de aleación.

• La serie 5xxx demuestra mDe moderada a alta resistencia, y se combina con una buena conformabilidad y soldabilidad.
  • 5052, 5251: soporte interior/exterior y aplicaciones selectas de paneles de carrocería
  • 5083 – componentes automotrices complejos
  • 5182 – soportes estructurales, cierre interior y paneles BIW
  • 5754 – aplicaciones estructurales que no tienen geometría compleja
• La serie 6xxx se considera la clase de aleación de caballo de batalla para la industria automotriz. Presenta una combinación inigualable de calidad superficial, formabilidad, resistencia a la corrosión y resistencia.
  • 6016, 6022: se utiliza cuando se requiere formabilidad y rendimiento de dobladillo
  • 6005, 6111, 6451: paneles de carrocería como capós y puertas
  • 6082 – estructura portante
  • 6181 – paneles exteriores de carrocería de automóviles

Acero avanzado de alta y ultra alta resistencia

Los tratamientos térmicos controlados y los procedimientos químicos controlados producen aceros avanzados de alta resistencia (AHSS) y aceros de ultra alta resistencia (UHSS) con una resistencia a la tracción de hasta 1700 MPa. Hay varios tipos de acero que entran en la categoría AHSS/UHSS, incluido el acero de doble fase y el acero martensítico. La integración de estos aceros complejos y sofisticados en aplicaciones automotrices conduce a una reducción de peso y costos.

Acero bifásico

Los aceros de doble fase (DP) están disponibles en diferentes grados de resistencia y se han convertido en un accesorio crítico en la industria automotriz. Proporcionan resistencia a la tracción y propiedades dúctiles, así como buena formabilidad y resistencia a las abolladuras.

• DP590: paneles de piso para automóviles, capó exterior, costados de la carrocería, cubiertas, refuerzos estructurales y guardabarros
• DP790: estructuras de carrocerías de automóviles que requieren una alta absorción de energía, como barandas delanteras y traseras y estructuras de refuerzo
• DP980: aplicaciones de “carrocería en blanco” (BIW)
• DP1180: evita la intrusión en compartimentos de pasajeros
• DP1270: componentes de jaula de seguridad para pasajeros, como balancines, pilares, refuerzos de pilares, rieles de techo y travesaños

Acero martensítico

Los grados de acero martensítico, especialmente el acero multifásico (MS), cuentan con algunos de los niveles de resistencia a la tracción más altos dentro del grupo AHSS/UHSS. Los grados de acero MS se diseñaron específicamente para la industria automotriz. Verá que se utiliza acero martensítico para los travesaños, el refuerzo de parachoques y las vigas de intrusión laterales. Suministros de Kloeckner Metals: MS1300, MS1500 y MS1700.

Aligeramiento del F150: un estudio de caso

Ford fue uno de los primeros en adoptar el aligeramiento automotriz. También acaban de establecer nuevos objetivos de reducción de emisiones para 2035 en su Informe de sostenibilidad de 2021, con el objetivo de alcanzar una reducción del 76 % en las emisiones de GEI de alcance 1 y alcance 2 de las operaciones (basado en las emisiones de 2017), y una reducción del 50 % en emisiones de GEI de alcance 3 de sus vehículos (basado en las emisiones de 2019).

El cambio a una carrocería de aluminio en su firma F150 tenía como objetivo convertirlo en un vehículo más liviano. Ese cambio requirió que se hicieran otros cambios. Si bien Ford adoptó innovadores aligeramientos de aluminio, pinturas, adhesivos y procesos de soldadura, todo tuvo que adaptarse al nuevo material. Los ciclos de vida completos de los productos tuvieron que volver a trabajarse, incluidos aspectos como los flujos de residuos y la demanda de reciclaje.

El costo es una de las razones por las que se han utilizado AHSS y UHSS sobre el aluminio. El cambio a carrocerías de aluminio como las camionetas Ford requiere nuevos talleres de carrocería, mientras que los nuevos aceros se pueden usar en las instalaciones existentes, con algunos pequeños ajustes para reducir la probabilidad de desgaste de la máquina.

Soporte para OEM y próximos pasos

Los desafíos más amplios de la cadena de suministro que enfrentan Ford y otros OEM al comprometerse con el aligeramiento indican una mayor necesidad de apoyo del gobierno, especialmente porque la industria está sujeta a los ambiciosos estándares CAFE. Un ejemplo que demuestra el compromiso de EE. UU. con los principios de aligeramiento automotriz es Obama-Era LIFT, una asociación público-privada sin fines de lucro entre el Departamento de Defensa de EE. UU., la industria y la academia, que trabaja para innovar la fabricación de movilidad y hacer que las prácticas de aligeramiento sean más accesibles.

Es emocionante considerar el futuro de las aplicaciones de aligeramiento en la industria automotriz y qué más queda por venir. Kloeckner Metals se enorgullece de nuestros extensos inventarios de aleaciones de aluminio liviano y aceros avanzados y de ultra alta resistencia que están a la vanguardia de la transformación durante un momento tan histórico.