¿Por qué plásticos?
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¿Por qué plásticos?
Los plásticos ya no se consideran simplemente como materiales de reemplazo, ahora se emplean por sus méritos, por los nuevos efectos que pueden proporcionar y los beneficios de costos que siguen. Una opinión consensuada de la industria del automóvil sobre los beneficios de los plásticos podría enumerar los siguientes factores en orden de importancia: Economía. Reducción de peso. Potencial de estilismo. Diseño funcional. Nuevos efectos. Mantenimiento reducido Resistencia a la corrosión. Aquí se citan ejemplos típicos en apoyo de cada uno de estos puntos. Economía Los factores 'macro' de precios tienden a favorecer a los plásticos en comparación con los metales. La energía involucrada en la producción y conversión es menor (particularmente en relación con el aluminio), y los precios de los plásticos han tendido a permanecer notablemente estables en tiempos de fluctuaciones en los precios del petróleo. Aparte de los polímeros a granel, los costos directos en términos de precio por kilogramo son menos favorables para los plásticos. La traducción en precios por volumen generalmente corrige el equilibrio y, en verdad, en relación con los componentes cuyas dimensiones están predeterminadas, el precio por volumen es una medida más realista que el precio por peso convencional. El precio de la materia prima, sin embargo, es solo el comienzo de la historia. Desde el punto de vista de un diseñador automotriz, el parámetro crítico es el costo de la "pieza". Esto, por supuesto, se deriva de varios factores:
- Costo de la materia prima
- Costo de herramienta
- Coste de conversión directo por pieza
- Número total de piezas
- Costo de subensamblaje
- Costos de la línea de montaje
Los últimos tres factores pueden transformarse en lo que probablemente sea el mayor beneficio individual de los plásticos: el potencial que ofrecen para la consolidación de piezas. Aquí es donde un conjunto que consta de varios componentes discretos se reemplaza por una sola pieza hecha en una sola operación de procesamiento. Al abordar la cuestión de convertir un componente en plástico, la consideración principal generalmente involucra "El juego de los números": es decir, ¿los números de producción planificados justifican los costos iniciales de las herramientas? La respuesta determinará la elección no solo del material, sino también del método de conversión.
Reducción de peso
El ahorro de peso no es necesariamente de interés directo para el fabricante del motor. Sin embargo, el ahorro de combustible es de interés tanto para los clientes como para los fabricantes de automóviles, y en los EE. UU. Se impusieron severas sanciones de costos a los fabricantes de motores después de la crisis del petróleo de 1973, como una forma de reducir el enorme consumo de combustible en los EE. Se ha calculado que las reducciones de peso de los automóviles directamente atribuibles a los plásticos conducen a un ahorro de combustible del 5%. A nivel mundial, esto podría suponer un ahorro de más de 15 millones de toneladas por año. En algunas aplicaciones de reemplazo de metales, el ahorro de peso es espectacular. Un tanque de combustible en polietileno de alta densidad (HDPE) representa un ahorro de alrededor del 40%; en las cajas de baterías, la cifra puede llegar al 70%. El rediseño frecuente en plásticos seguirá logrando un ahorro de peso a pesar de que se han aumentado los espesores de pared para mantener la rigidez.
Potencial de estilismo
Los beneficios de los plásticos en términos de estilismo no se cuantifican fácilmente. El hecho es que los plásticos han cambiado casi todos los aspectos de la apariencia del automóvil. En un buen diseño, por supuesto, el estilo y la función están integrados. El moderno espejo de puerta ajustable, de estilo aerodinámico y, a veces, de color a juego, es un elemento mucho más practicable que su predecesor: paneles laterales inferiores exteriores, ya sean de SMC rígido (compuesto de moldura de lámina) o poliuretano flexible (PUR). son elementos estrictamente funcionales que, sin embargo, contribuyen en gran medida al aspecto de un vehículo. La evolución de los parachoques de automóviles tradicionales hacia los sofisticados extremos delantero y trasero de la actualidad se ha visto facilitada en cada paso por la versatilidad y el potencial de modelado casi ilimitado de los plásticos. El estilo tenía que ser compatible con una abrumadora lista de atributos como la absorción de energía, la resistencia a la fluencia, la estabilidad dimensional, la resistencia química y a la abrasión, la temperatura y el rendimiento UV y la capacidad de pintura. Estos requisitos posiblemente podrían haber sido cumplidos por otros materiales, pero el estilo sin duda habría sufrido.
Diseño funcional
Lo que los plásticos pueden hacer por el diseño va mucho más allá del estilo. Probablemente el atributo individual más importante conferido por los plásticos es la libertad de diseño, en términos de formas cambiantes para adaptarse al espacio disponible, y (lo más importante de todo) las posibilidades de consolidación de componentes. El tanque de combustible es un excelente ejemplo del primero; Las modernas técnicas de moldeo por soplado permiten el diseño de formas altamente asimétricas con ángulos de reentrada severos, sin perder la capacidad de incluir inserciones y controlar el espesor de la pared. Un buen ejemplo de consolidación es el soporte delantero debajo del capó. Un conjunto que implica más de veinte operaciones de conformado de acero se sustituye por una sola pieza de plástico. Polipropileno y nailon reforzado con vidrio moldeado por inyección, polipropileno termoplástico de esterilla de vidrio (GMT) y SMC a base de epoxi se utilizan en diferentes modelos para esta aplicación. La elección depende de los requisitos de resistencia y rigidez, el desperdicio inherente al diseño y la duración del modelo.
Nuevos efectos
La categoría de beneficios de los "nuevos efectos'' incluye una amplia gama de características como la amortiguación del sonido, el aislamiento térmico y eléctrico, la absorción de energía y la gran cantidad de posibilidades para combinar diferentes características, por ejemplo, el respaldo de espuma de superficies flexibles o tela, y pelado integral de espumas. Un gran número de efectos como estos resultan de hecho de la disponibilidad de espumas plásticas bien diseñadas, principalmente poliuretano. Implícita en todo esto está la facilidad con la que se pueden encontrar diferentes propiedades útiles en un material, y la forma en que el aspecto de la superficie se puede cambiar a voluntad en términos de color, brillo y textura. Los estándares de seguridad del vehículo moderno, con todas las mejoras diseñadas para la protección de pasajeros y peatones, se derivan de estas características de los plásticos. También lo hace la revolución en el nivel de comodidad y facilidad de uso para los pasajeros de los interiores de los automóviles que se ha visto en los últimos cuarenta años.
Mantenimiento reducido
La fiabilidad mucho mayor de los vehículos y sus programas de mantenimiento más relajados se deben en gran medida a la revolución de los plásticos de los últimos cuarenta años. Esencialmente, son las características de lubricidad y distribución de la carga las que son 10 plásticos en la industria automotriz en el corazón de esta revolución. Los materiales más afectados son aquellos plásticos de ingeniería que tienen un balance favorable de rigidez y resiliencia, con una útil resistencia a la abrasión, temperatura, fatiga y químicos relevantes. Abarcan un rango de precios desde los conocidos nylons y acetales hasta polímeros especiales inertes de alta temperatura con una capacidad de temperatura más alta. Las aplicaciones automotrices de estos materiales cubren una gran variedad de partes móviles; engranajes, levas, cojinetes, trinquetes, deslizadores y asientos de válvulas son solo algunos ejemplos. Más allá del mantenimiento reducido, existen beneficios subsidiarios en muchos casos, como amortiguación de vibraciones, reducción de potencia y silencio. Esta es ahora un área especializada de desarrollo de productos; Se ha derivado una amplia gama de formulaciones de la pequeña familia de plásticos de ingeniería básica. Los principales aditivos son las fibras de refuerzo (vidrio, carbono, aramida, etc.) y lubricantes como PTFE, silicona, grafito y bisulfuro de molibdeno, cada uno de los cuales realiza un aporte específico.
Resistencia a la corrosión
Cada polímero tiene su propia naturaleza química distintiva. Algunos se ven afectados por los combustibles y lubricantes, otros son atacados por el ácido de la batería y todos se ven afectados visualmente hasta cierto punto por la intemperie. Sin embargo, ninguno es susceptible a factores como la lluvia ácida, el rocío del mar y la sal de las carreteras, que pueden causar tanto daño a las chapas de acero desprotegidas, lo que requiere que la industria automotriz gaste enormes sumas de dinero en protección contra la corrosión.
Problemas con los plásticos
Cerrar la brecha de confianza - Los diseñadores que contemplan una solución de plásticos para un problema de aplicación a menudo sienten una falta de confianza. Todos hemos estado expuestos a la mala imagen de los plásticos; No es sorprendente que las experiencias de fallas en aplicaciones de 'baja tecnología' puedan disuadir a los diseñadores de aventuras en áreas de 'alta tecnología'. Para cerrar esta brecha de confianza, es importante apreciar que existen diferencias básicas de comportamiento entre los metales en general y los plásticos en general. La mayoría de los aspectos del comportamiento de los materiales se derivan de su naturaleza química. Sin embargo, el objetivo aquí es mejorar la comprensión sin recurrir a la nomenclatura detallada y las fórmulas de la química de los polímeros. Sin embargo, esto no exime al lector de la necesidad de "pensar en moléculas". Los polímeros en la escala 'micro' no son materiales totalmente homogéneos, y para comprender su comportamiento es necesario visualizar sus moléculas de cadena larga. Cada punto de diferencia entre metales y plásticos es una trampa potencial para los incautos. Sin embargo, el rendimiento de los plásticos es predecible y constante. La esencia de una aplicación exitosa es evitar errores graves con respecto al diseño, la elección del material y la producción. Cada pequeño desastre con un componente plástico puede atribuirse a uno de los tres factores principales que se detallan aquí.
Problemas de rendimiento
Los problemas de rendimiento reales que resultan de errores cometidos en el diseño, la elección del material y la producción generalmente se manifiestan como fallas de dimensiones, fluencia, fragilidad o química. El control dimensional, en particular, necesita una comprensión cuidadosa. Están los problemas familiares de los metales, además de algunos adicionales. La falla por deflexión puede ocurrir cuando la exposición a la temperatura o una carga sostenida induce un movimiento molecular excesivo. Este es el fenómeno de la fluencia. La falla por fractura ocurre cuando no hay suficiente movimiento molecular para acomodar una carga impuesta. Muy a menudo, cuando un material no da el rendimiento de impacto esperado, la culpa es de un mal diseño o de un mal procesamiento. El capítulo 2 contiene ideas sobre cómo evitar una fractura frágil. Quedan los problemas de rendimiento que pueden atribuirse a la química, como los problemas directos de ataque químico, tinción, absorción y pérdida de plastificante. Están los problemas muy específicos de la adhesión a pinturas y adhesivos, y están los problemas de envejecimiento de la superficie, inducido por el calor, la luz ultravioleta y la radiación. Por último, está la muy compleja cuestión del comportamiento de las quemaduras. Todos estos factores forman parte de la ecuación de los plásticos, junto con las numerosas ventajas.
Problemas dimensionales
Todos los problemas dimensionales asociados a los metales están presentes en los plásticos, pero en mayor medida. Además, hay algunos completamente nuevos. Todos estos problemas son predecibles y controlables, pero nunca pueden ignorarse. Probablemente sea cierto decir que no permitir cambios dimensionales es responsable de más fallas en servicio con plásticos que cualquier otro factor. Las seis causas principales son las siguientes:
Contracción. Los termoplásticos generalmente exhiben más contracción que los termoendurecibles, y los plásticos cristalinos se contraen más que los amorfos. El problema es más evidente en el moldeo por inyección, particularmente en la predicción de la contracción precisa de los plásticos cristalinos, y especialmente cuando el refuerzo de fibra produce orientación. La distorsión resulta de una contracción desigual, por lo que inevitablemente los materiales de alta contracción son más susceptibles. Como la contracción se ve afectada por los ajustes de temperatura, presión y tiempo durante el proceso de moldeo, el diseño de moldes y la predicción de la contracción se convierte en una operación altamente especializada.
Post-encogimiento. Este fenómeno surge de la liberación de deformación moldeada. Lo que sucede es que un calentamiento adicional después de la extracción del molde provoca una contracción adicional, particularmente en partes de sección gruesa, y aparecerá distorsión en partes con espesores de pared variables. La postcontracción es un efecto "único'' que puede corregirse mediante el recocido, es decir, un recalentamiento controlado. El recocido debe realizarse a una temperatura entre 10 y 20°C más alta que la temperatura más alta esperada en uso, y debe evitarse el calentamiento o enfriamiento rápido.
Anisotropía
La adición de fibras a una matriz, especialmente si el procesamiento implica un flujo de fusión a alta velocidad, como en el moldeo por inyección, inevitablemente resulta en anisotropía. Ésta es la dependencia direccional de propiedades y dimensiones; un hecho de la vida con compuestos fibrosos que no se puede ignorar. La orientación en la masa fundida provoca una contracción diferencial, visible como distorsión, y es probable que se vea agravada por un aumento de temperatura. Los efectos se pueden minimizar mediante el diseño correcto de la herramienta. Los plásticos cristalinos son más susceptibles que los amorfos, porque el nivel general de contracción es mayor y los termoestables son los menos afectados de todos. La anisotropía es un problema menor en SMC y GMT, y en S-RIM y RTM las dimensiones están dominadas por el inserto de la estera de vidrio.
Expansión térmica
Los coeficientes de expansión térmica se representan con frecuencia mediante una sola cifra. Esto es inadecuado para los plásticos en general y para los compuestos es positivamente engañoso. Debido a que el movimiento molecular aumenta con la temperatura, también lo hace el coeficiente de expansión. La expansión real mostrada por un material compuesto en cualquier dirección es una función del grado de orientación y del espesor de la sección. En la práctica, también está influenciado por restricciones físicas; un componente se expandirá más a lo largo de las direcciones en las que puede expandirse libremente. Una vez más, los termoplásticos cristalinos responden mucho más a los cambios de temperatura que los amorfos, y algunos termoestables apenas se ven afectados.
Absorción
La absorción de fluidos por plásticos va acompañada de un cambio dimensional. Esto puede ser un indicio de un deterioro incipiente, como ocurre con muchos plásticos amorfos sumergidos en disolventes orgánicos, o con algunos termoendurecibles laminados y rellenos sumergidos en agua. Más bien diferente es el caso del nailon, en el que el polímero absorbe agua solo hasta que alcanza el equilibrio con la humedad ambiental. Este proceso es preciso y predecible, pero debe tenerse en cuenta. Arrastrarse. Siempre se deben esperar cambios dimensionales debido a la fluencia.
Otros aspectos
Hay muchos otros aspectos del comportamiento de los plásticos que influyen en el diseño práctico, que sólo se pueden mencionar brevemente aquí:
Rotura por fluencia. Los metales bajo carga en general se deformarán elásticamente, recuperándose inmediatamente cuando se retire la carga. En los plásticos, esta situación prevalece solo con una carga muy baja. La carga adicional induce cierto grado de reordenamiento molecular o deformación plástica. Algo de esto es recuperable, pero se llega a un punto en el que el movimiento se vuelve irreversible. El efecto visible en una pieza de prueba de tracción bajo una carga de fluencia excesiva es que eventualmente el estrechamiento comienza en el punto más débil y la deformación por fluencia aumenta rápidamente hasta que ocurre la ruptura. Cuanto mayor sea la carga (y mayor la temperatura), más pronto comenzará el estrechamiento, seguido de la ruptura por fluencia.
Redistribución del estrés. Más realista que la carga de tracción "pura" es el caso de un componente sometido a una mezcla de cargas de compresión y flexión, con restricciones en ciertas direcciones. En estas condiciones, la pieza aceptará cargas más altas de las que predeciría la teoría, aunque esto puede ir acompañado de una alta deflexión.
Cargas variables o intermitentes. El punto esencial es que el ritmo del reordenamiento molecular es relativamente lento. La deformación por fluencia bajo carga aumenta rápidamente al principio y luego más lentamente; cuando se quita la carga, el material comienza a recuperarse. La recuperación es rápida al principio y luego se ralentiza progresivamente. Debido a la recuperación, la carga intermitente produce menos tensión que una carga constante, siempre que la tensión permanezca dentro de la "tensión de diseño" definida.
Fatiga dinámica. La carga intermitente o cíclica puede causar dos problemas adicionales. Debido a la baja conductividad térmica de los plásticos, la carga cíclica de alta frecuencia puede provocar un calentamiento interno, con el consiguiente ablandamiento del material. Sin embargo, incluso en ciclos de baja frecuencia, La carga intermitente repetida puede producir una fractura frágil. Este es el fenómeno de la fatiga dinámica, que realmente surge porque el proceso "natural" de reordenamiento molecular alrededor de los puntos estresados es inhibido por el patrón de estrés que cambia continuamente.
Compatibilidad con las prácticas de la industria automotriz
Cuando los plásticos progresan más allá de los componentes separados o las partes menores de los subconjuntos, se encuentran con un orden de problemas diferente; el problema de ser incompatible con las prácticas existentes en la industria del motor. Esto concierne no solo al nacimiento del vehículo, sino también a su desaparición; no solo su construcción, sino también los procesos de pelado y triturado. Está claro que los paneles de carrocería de plástico son efectivamente incompatibles con las prácticas existentes en el taller de carrocería. Aunque las materias primas de láminas de plástico se utilizan ampliamente y con éxito, sus procesos de estampado y conformado son bastante diferentes y mucho más lentos que los del taller de prensado. Además, los plásticos no se sueldan fácilmente por puntos a los metales o entre sí. La pintura electrostática no es aplicable a los plásticos en la industria automotriz, y no muchos polímeros pueden resistir las temperaturas del horno de capa superior. Incluso la introducción de paneles de plástico a pequeña escala implica cambios significativos en el procedimiento del taller de carrocería, mientras que una construcción totalmente de plástico requiere conceptos completamente nuevos. El factor clave es la escala de producción. Los problemas relacionados con los diferentes materiales y procesos, y las oportunidades que ofrecen. En los últimos años, la cuestión de la eliminación y el reciclaje de materiales automotrices no metálicos ha adquirido gran importancia. En esencia, el problema se centra en el hecho de que el contenido de plásticos de los vehículos, hasta ahora desechados y desechados en vertederos, ha aumentado hasta el punto de que amenaza la viabilidad de toda la operación. El diseño para el reciclaje es ahora un campo de estudio muy activo. Sin embargo, a corto plazo, la preocupación generalizada por la posibilidad de una nueva legislación está apagando el entusiasmo por los paneles de carrocería de plástico.