Plásticos de ingeniería en la industria automotriz

El motor de combustión interna y los nuevos sistemas de propulsión de los vehículos eléctricos eran conocidos por utilizar principalmente los metales. El acero, el aluminio y el hierro eran la pieza clave del compartimento del motor. Sin embargo, los polímeros de alto rendimiento y los plásticos de ingeniería se han convertido en un nuevo material clave en la industria automotriz.

Al sustituir los contactos de metal a metal por compuestos autolubricantes y ligeros, se han conseguido dos objetivos fundamentales: una reducción drástica de la fricción interna, y una disminución significativa del peso del vehículo.

 

 

 

 

La física de la fricción

 

Es importante entender la ineficiencia del motor tradicional. En un vehículo estándar, aproximadamente entre el 10% y el 15% de toda la energía generada por el combustible se pierde por fricción interna antes de llegar a las ruedas. Esta energía se disipa en forma de calor, situación causada por el roce constante de los pistones, los engranajes y los cojinetes.

 

La ventaja del coeficiente de fricción

Los metales, aunque son resistentes, son inherentemente pegajosos a nivel microscópico. Incluso con una lubricación avanzada, el contacto entre acero y acero crea una resistencia significativa. Los plásticos de ingeniería como el PEEK (polieteretercetona) y el PA (poliamidas) funcionan de manera diferente. Sus estructuras moleculares están diseñadas para ser autolubricantes.

Los polímeros de alto rendimiento pueden alcanzar un coeficiente de fricción tan bajo como 0,05 a 0,1. En comparación con el acero lubricado, que a menudo tiene un coeficiente significativamente más alto, encontramos un aumento significativo en el ahorro de energía.

Además, los plásticos tienen una energía superficial menor que los metales. Esto significa que un engranaje o cojinete de plástico requiere una película de aceite más fina para mantener una barrera lubricante. Esto reduce la energía que desperdicia el motor solo para mover el aceite, lo que aumenta aún más la eficiencia general del sistema.

 

 

 

 

Materiales clave

 

La transición a los plásticos está impulsada por tres materiales principales, cada uno de los cuales se ha elegido por sus propiedades térmicas y mecánicas específicas.

 

PEEK (polieteretercetona)

El PEEK puede soportar temperaturas de funcionamiento continuas de hasta 260 °C y es casi totalmente resistente a los fluidos agresivos de los automóviles, como el aceite de transmisión y el líquido de frenos.

Los fabricantes utilizan ahora el PEEK para sustituir los cojinetes de agujas tradicionales en las transmisiones automáticas. Al cambiar a arandelas de empuje y anillos de sellado de PEEK, los ingenieros pueden reducir el peso de esos componentes específicos en un 70%. Debido a la suavidad del PEEK, la transmisión cambia de marcha de forma más eficiente, lo que reduce la energía que se pierde en cada cambio de marcha.

 

PA66 (poliamida/nylon)

Las poliamidas existen desde hace décadas, pero las variantes modernas son de un tipo reforzado con fibras de vidrio. El PA66 es actualmente el estándar para las guías de la cadena de distribución y los colectores de admisión.

La guía de la cadena de distribución es un punto de fricción crítico, ya que es donde la cadena metálica roza contra la guía a miles de revoluciones por minuto. Al utilizar PA66 relleno de vidrio, el motor se beneficia de la lubricidad natural del material, lo que garantiza que la cadena se mueva con una resistencia mínima. Esta precisión repercute directamente en la sincronización del motor y, por extensión, en la eficiencia de la combustión del combustible.

 

POM (polioximetileno/acetal)

Conocido por su increíble estabilidad dimensional, el POM es un elemento clave para los componentes del sistema de combustible. Las bombas de combustible son cada vez más sofisticadas y, a menudo, se integran en complejos módulos de plástico. La resistencia al desgaste del POM lo hace ideal para los diminutos engranajes de alta velocidad de estas bombas, lo que garantiza que duren toda la vida útil del vehículo sin necesidad de lubricantes externos que podrían contaminar el combustible.

 

 

 

 

Reducción de peso, integración y geometría

 

Una de las mayores ventajas de los plásticos de ingeniería es que pueden moldearse en formas increíblemente complejas que son imposibles de conseguir con el aluminio fundido a presión. Esto permite la integración de piezas. Por ejemplo, un colector de admisión de plástico moderno puede combinar cinco piezas metálicas diferentes en un único componente sin juntas. Esto no solo elimina los pesados pernos y juntas que se necesitaban anteriormente, sino que también reduce el peso del conjunto hasta en un 40%.

 

 

 

 

El extensor de autonomía para vehículos eléctricos

 

En los vehículos eléctricos, el peso es el enemigo de la autonomía. Cada gramo adicional requiere más energía de la batería para moverse. Mediante el uso de plásticos de ingeniería para las carcasas de las baterías y las líneas de refrigerante para la gestión térmica, los fabricantes de vehículos eléctricos están logrando reducir el peso en cientos de kilos. Esta reducción de peso permite utilizar una batería más pequeña y económica para la misma autonomía, o una batería estándar con una autonomía mucho mayor entre cargas.

 

 

 

 

Sobrevivir al arranque en seco

 

El momento más perjudicial para cualquier motor es el arranque en seco, los pocos segundos que transcurren desde que se gira la llave hasta que la bomba de aceite ha presurizado completamente el sistema. Los componentes metálicos sufren un desgaste enorme durante esos segundos. Sin embargo, las piezas fabricadas con plásticos autolubricantes tienen estos lubricantes incorporados en su estructura molecular. Pueden sobrevivir al funcionamiento en seco sin el rayado o el agarrotamiento catastróficos que se producirían con el metal, lo que prolonga significativamente la vida útil del motor o la transmisión.

 

 

 

El factor de cotización

 

Más allá del combustible y la fricción, los plásticos ofrecen una ventaja que todos los conductores aprecian: la reducción del ruido, las vibraciones y la dureza. Los metales son excelentes conductores del sonido. El plástico, sin embargo, tiene propiedades amortiguadoras inherentes. Cuando se sustituye un engranaje metálico por uno de plástico compuesto de alta resistencia, se amortigua el zumbido mecánico de la transmisión. Esto se traduce en una experiencia más silenciosa en el habitáculo, una característica cada vez más importante a medida que los vehículos eléctricos silenciosos se convierten en el estándar del mercado.

 

 

 

El reto de la sostenibilidad

 

Los plásticos de alto rendimiento como el PEEK son muy valiosos. A diferencia de los plásticos de un solo uso que se encuentran en los envases, los plásticos de ingeniería para automoción están diseñados para ser recuperados. Los principales fabricantes están implementando sistemas de reciclaje de circuito cerrado en los que los componentes de los vehículos fuera de servicio se trituran, se purifican y se convierten de nuevo en resinas de ingeniería de alta calidad. Esto garantiza que el material que ayuda a ahorrar combustible durante la vida útil del vehículo no se convierta en una carga medioambiental al final de la misma.

 

 

 

Conclusión

 

La transición del metal al plástico en la industria automovilística es uno de los cambios de ingeniería más significativos en la actualidad Se trata de una transición impulsada por la necesidad de reducir la fricción, ahorrar peso y moverse de forma más eficiente.