Composites: Los mejores aliados para aligerar los coches eléctricos

Artículo en el que GARAND Consulting analiza porqué los composites jugarán un papel imprescindible para los fabricantes de coches en el futuro.

Composites: Los mejores aliados para aligerar los coches eléctricos

En los últimos meses hemos ido conociendo los detalles de las estrategias que pondrán en marcha los fabricantes de automóviles generalistas para adaptar su oferta a un nuevo escenario en el que los vehículos con motor de combustión interna (ICE) tendrán cada vez más difícil su subsistencia. Este escenario tiene como fecha de referencia el año 2035, año en el que la UE prohibirá la comercialización de vehículos de pasajeros y comerciales con propulsores de combustión interna.

La mayoría de OEM son incluso más ambiciosos y se proponen como objetivo la supresión de los ICE para el año 2030. Nace, por tanto, la necesidad de acelerar todos los procesos de adaptación a este nuevo escenario, con multitud de retos técnicos, operativos y logísticos a resolver en un, relativamente corto, periodo de tiempo.














En este articulo abordaremos una cuestión que, aunque no es nueva, sí incrementa exponencialmente su importancia al hablar de coches con propulsión eléctrica (EV). Se trata de la reducción de pesos en los vehículos. Otros aspectos como la mejora aerodinámica también ganan importancia cuando hablamos de EV, y es un tema al que dedicaremos futuras publicaciones.

La reducción de peso en los EV se ha convertido en el gran caballo de batalla de los OEM. ¿Es que acaso el peso no era importante en los vehículos ICE? Desde luego que lo era, en tanto en cuanto a menor peso, menor consumo de combustible y por tanto mayor eficiencia, pero cuando hablamos de EV, como es bien sabido, la gran limitación es la autonomía, no así en los ICE, y por tanto la cantidad de celdas de almacenamiento de energía, es decir, de baterías necesarias para asegurar un nivel de autonomía que sea competitivo y otorgue viabilidad al producto.

Pero entonces es sencillo…a mayor peso del vehículo, mayor tamaño de batería y…problema resuelto!. Para nada, ya que las baterías suponen aproximadamente un 30% del peso del vehículo (además de ser el componente de mayor coste) y por tanto, a mayor tamaño de batería mayor peso del vehículo, por lo que esa estrategia al margen de ser muy cara, es poco o nada eficiente.

La solución pasa por conseguir todas las reducciones de peso en el vehículo que sean técnicamente posibles. Empezando por las baterías, que como hemos dicho aportan aproximadamente un tercio del peso total del vehículo. Prueba de ello es la evolución de baterías que Tesla prevé lanzar en los próximos dos años pasando de la versión 2170 a la nueva generación de baterías 4680 cuya mayor diferencia con su predecesora es precisamente su menor peso que otorgará a los vehículos de mayor grado de autonomía.
Pero las reducciones de peso no se limitarán a las baterías. Se abre una nueva e intensa línea de trabajo para los departamentos de ingeniería que se centra en encontrar oportunidades para reducir peso en cualquier parte del vehículo. Esto supone, entre otras cosas, someter a juicio los materiales utilizados tradicionalmente para la fabricación de partes como el chasis, la carrocería y el trim tanto interior como exterior.

Entorno al 60% del peso total del vehículo proviene de componente metálicos. Si bien hay partes estructurales que, por viabilidad económica o técnica, irrenunciablemente deben fabricarse en materiales como acero o aleaciones de aluminio, hay un grupo de componentes, que son claros candidatos a ser fabricados con materiales alternativos en un futuro no muy lejano. Retomando el tema de esta publicación, el objetivo es reducir peso sin perder propiedades físico-mecánicas, por lo que los materiales que parecen encajar mejor en este perfil, son los Composites.

Los composites no son ninguna novedad en la fabricación de automóviles. Encontramos ejemplos de componentes fabricados en estos materiales desde inicios de los 90 cuando Renault y Chrysler incorporaron componentes estructurales en sus modelos Espace y Minivan respectivamente fabricados a partir de composites. En los vehículos pesados su uso estaba normalizado incluso desde antes, ya que gran parte de los paneles exteriores de las cabinas de los camiones se fabricaban con composites tipo sándwich.

¿Qué son los composites?
En un sentido amplio, los composites son materiales compuestos por dos o más componentes sin llegar a la unión molecular (que sería el caso de las aleaciones y los polímeros). Los composites están formados por una matriz y uno o varios materiales de refuerzo. Un ejemplo sencillo es el hormigón, cuya matriz es el cemento y el refuerzo es la arena o grava.

En el caso que nos ocupa, teniendo como objetivo esa reducción de peso en los EV, cabe esperar que los materiales sustitutivos de los metales en los vehículos sean composites de matriz polimérica y refuerzo de fibras. Estas fibras podrían ser de una naturaleza muy variada, incluso de origen vegetal, pero las que mayor grado de desarrollo tecnológico tienen son la fibra de vidrio y la fibra de carbono. En futuras publicaciones trataremos el creciente uso de fibras vegetales en la industria del automóvil.
Como referencia orientativa, al fabricar un componente con un composite de matriz polimérica y con una concentración estándar de refuerzo de fibra de vidrio, la reducción de peso estará como mínimo entorno al 50% en comparación con ese mismo volumen en acero y si comparamos con el aluminio la reducción estaría entorno al 20%. Se podría crear así un círculo virtuoso en el que mediante la reducción de peso del vehículo, se requiera menos capacidad de almacenamiento de energía, por tanto, menos baterías, y si se reduce el tamaño de las baterías nuevamente reducimos significativamente el peso del vehículo y por tanto obtenemos mayor autonomía.

Además, los composites suponen otro tipo de mejoras:
1. Tienen una alta rigidez específica (relación entre rigidez y densidad). Ofrecen una rigidez comparable a la del acero con la reducción de peso ya mencionada.
2. La resistencia específica (relación entre resistencia y densidad) y puede llegar a ser cinco veces superior a la de los aceros y aleaciones de aluminio.
3. Simplificación en el proceso de fabricación de componentes con geometrías complejas, que en el caso de los metales requeriría de varios pasos y por tanto varios utillajes.
4. Por su naturaleza polimérica, resulta relativamente sencillo embeber en los composites sensores que permitan monitorear cualquier parámetro crítico. Este factor es cada vez más relevante dada la tendencia a integrar cada vez más tecnología en los vehículos.

Los polímeros más utilizados como matriz son el poliéster, el poliéster aleado con vinilo y el epoxy. Mientras que los refuerzos más comúnmente utilizados en la industria son la fibra de vidrio y fibra de carbono.

En el caso que nos ocupa, sin duda, serán los composites con refuerzo de fibra de vidrio los que tendrán mayor presencia, al menos en el corto y medio plazo. Actualmente el estado del arte en otros tipos de fibras como las vegetales no hace pensar que puedan utilizarse de forma masiva. Por otra parte, la fibra de carbono sigue teniendo un precio excesivamente alto para pensar que las marcas generalistas de segmento medio puedan introducirlo, más allá de alguna aplicación residual y en elementos de customización y performance. No así, en marcas premium y luxury sí podría haber un incremento considerable del uso de composites Epoxi-fibra de carbono por razones obvias de precio y margen de beneficio en sus productos. Sin duda alguna, éste último, y dejando de lado su elevado coste, es el composite ‘best in class’.

Los composites con matriz polimérica pueden clasificarse en tres grupos principales según la disposición de las fibras de refuerzo:
1. Composites laminares: son aquellos en los que las fibras tienen una disposición predefinida y éstas se integran en la matriz. Como ejemplo, las láminas tipo textil de fibra de carbono que se integran en una matriz de epoxi.
2. Composites tipo sándwich: son aquellos en los que la matriz y el refuerzo están dispuestas en distintas capas, siendo la matriz la cobertura por ambas caras. El formato más habitual en el que se comercializa es el de bobinas. Siendo el poliéster y la fibra de vidrio la matriz y refuerzo más comúnmente utilizados respectivamente.
3. Composites forjados: son aquellos en los que las fibras tienen una distribución más o menos uniforme, pero sin un criterio de direccionalidad. La orientación de las fibras es casual y aleatoria.

En función de la aplicación, será más apropiado un grupo de composites u otro, aunque anticipamos que son los dos primeros los que, por su mejor procesabilidad, tendrán una mayor implantación en la industria del automóvil.
Por otra parte, también cabe hacer una clasificación de los principales métodos de transformación utilizados para convertirlos en un producto final:
1. Sheet moulding compound o SMC: En este proceso se parte de una lámina o láminas de composite, sobre la que se aplica presión y calor dentro de un molde de acero, para posteriormente dejarlo curar. Es el proceso que mayor recorrido tiene para fabricaciones en masa y, de hecho, es el proceso utilizado ya actualmente por algunos OEMs aunque su uso no sea masivo. Es capaz de tener un grado de repetitividad muy alto y comparable al de la estampación o inyección de plástico.
2. Bulk moulding compound o BMC: A diferencia del proceso anterior, en este proceso el composite se presenta en un formato forjado, es decir con una concentración homogénea de fibras, pero sin orientación predefinida. Este proceso es muy similar a un proceso estándar de inyección de polímeros y de hecho, con algunas modificaciones, se puede procesar en una prensa de inyección estándar. Existen muy pocos fabricantes que comercialicen composites para ser procesados mediante BMC por tanto suelen ser soluciones limitadas y caras.
3. Moldeado de fibra de carbono: Es un método pensado para convertir láminas de fibra de carbono en el que, normalmente de forma manual, se disponen las láminas de fibra sobre un molde uniéndolas mediante matriz de epoxi, para posteriormente pasar a un autoclave que aplica una presión negativa que consolida todas las capas de fibra con el epoxi y replica la figura del molde. En función de la aplicación y requerimientos también requiere un tratamiento de calor. Es un proceso con un grado de repetitividad menor que los dos anteriores y que es básicamente un proceso manual. Por este motivo, es apropiado para producciones de bajo volumen, pero por una cuestión de tiempo de ciclo y costes, difícilmente implantable en la fabricación de componentes para vehículos de segmento medio.

Por todo lo explicado, todo apunta a que el SMC será el proceso con mayor grado de implementación para la transformación de composites. Este proceso ya se utiliza en la actualidad por varios OEM para fabricar tanto partes estructurales como clase A, pero no se ha llegado a imponer a las soluciones en metal y su uso no es predominante. En un escenario en el que los fabricantes tienen como prioridad reducir el peso de sus vehículos, no hay duda de que los composites transformados mediante SMC, tendrán una relevancia mucho mayor.

Como cualquier cambio de paradigma, la electrificación en la automoción lleva asociados multitud de retos, que a su vez abren nuevas oportunidades a la industria que provee a los OEM. La agilidad con la que la base de proveedores sea capaz de anticipar estas oportunidades y transformar su actividad son clave para su futuro.

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