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Materiales orgánicos para fabricar coches

El nuevo 718 Cayman GT4 Clubsport presenta partes del cuerpo hechas de materiales orgánicos compuestos de fibra natural desarrollados en el Centro de Aplicaciones para la Investigación de Fibra de Madera HOFZET, que forma parte del Instituto Fraunhofer para la Investigación de la Madera, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI, junto con el Instituto para Bioplásticos y biocomposites IfBB de la Universidad de Hannover de Ciencias Aplicadas y Artes.

Las estadísticas de registro indican que los automóviles nuevos se están volviendo cada vez más pesados, debido, por ejemplo, a funciones de seguridad mejoradas y más equipos electrónicos. Este aumento de peso también significa mayores niveles de consumo de combustible, aspectos contrarios al objetivo general de reducir las emisiones de CO2. El peso también es un factor importante para los e-cars, ya que requieren baterías más grandes y, por lo tanto, más pesadas para maximizar el rango, un criterio de ventas decisivo. En consecuencia, los nuevos desarrollos en diseño liviano son un requisito previo absoluto para autos eléctricos realmente eficientes.

Según un estudio realizado por consultores de negocios en McKinsey, la proporción de partes livianas en automóviles tendrá que aumentar de 30 a 70 por ciento para 2030 para compensar el aumento de peso del vehículo como resultado de motores eléctricos y motores.

Hasta ahora, la solución favorita aquí ha sido los aceros ligeros y los plásticos reforzados con fibra de carbono. Pero esta solución también tiene sus desventajas: en primer lugar, conlleva desafíos sustanciales en el mecanizado, las reparaciones y el reciclaje. En segundo lugar, la fabricación de estos materiales es muy intensiva en energía, restando el aspecto ambiental positivo de la reducción de peso.

Materiales orgánicos como buen complemento a las fibras de carbono

Los investigadores de Fraunhofer WKI plantearon la cuestión de si otros materiales fibrosos podrían usarse para reducir el peso de los componentes, solo utilizando fibras de carbono en aquellos lugares donde representan una ventaja estructural. Investigaron diversos materiales ecológicos fácilmente disponibles en términos de sus propiedades técnicas, disponibilidad y rentabilidad, ya que una solución viable para la industria debe tener impactos técnicos, ecológicos y económicos positivos.

Los plásticos reforzados con fibra natural resultaron ser la respuesta. Como componentes en compuestos orgánicos, las fibras vegetales son una alternativa sostenible para las carrocerías de vehículos livianos. El componente biogénico mejora el impacto ecológico de los materiales compuestos industriales de alto rendimiento durante la fabricación, el uso y la eliminación.

En términos económicos, el uso de materias primas renovables es beneficioso porque las fibras naturales de lino, cáñamo, madera y yute son menos costosas que las fibras de carbono y requieren menos energía para su fabricación. Por lo tanto, las ventajas de la reducción de peso no vienen con un precio prohibitivo.

Y hay ventajas adicionales en el procesamiento industrial y con las aplicaciones en el vehículo: la estructura natural de los compuestos orgánicos proporciona a los materiales propiedades de amortiguación acústica y reduce las astillas, lo que es importante en caso de colisión.

© Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR)
Las ventajas de los materiales compuestos de base biológica como una alternativa sostenible para las carrocerías de vehículos livianos.

Porsche inicia la producción en serie

Estos argumentos fueron suficientemente convincentes para Porsche. Uniendo fuerzas con Porsche Motorsport, los científicos de Fraunhofer WKI probaron por primera vez los materiales orgánicos para la preparación de la serie en condiciones extremas en un Porsche Cayman GT4 Clubsport utilizando el laboratorio de desarrollo móvil del equipo de carreras alemán «Four Motors».

“La tercera generación del ‘Bioconcept-Car’ ha estado en la pista de carreras desde 2015. Las pruebas combinan la ventaja del estrés extremo con un vehículo que también es legal en la calle después de las modificaciones. La asociación con Porsche AG también permite el desarrollo bajo las condiciones realistas de un fabricante de automóviles ”, dice Ole Hansen, gerente de proyectos en el Centro de Aplicaciones Fraunhofer WKI para HOFZET de Investigación de Fibra de Madera.

«Hemos podido mejorar continuamente las propiedades del material en los últimos cuatro años».

El Ministerio Federal de Alimentación y Agricultura de Alemania, BMEL, reconoció los beneficios potenciales de las fibras naturales desde el principio y aún hoy acompaña al proyecto como socio estratégico. El BMEL promueve el desarrollo de componentes biogénicos de peso ligero en el programa de financiamiento «Recursos Renovables» con la agencia coordinadora central de recursos renovables, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe eV FNR.

Los años de experiencia con el ‘Bioconcept-Car’ se integraron en el desarrollo de materiales para las partes del nuevo 718 Cayman GT4 Clubsport, el primer automóvil en producción en serie que presenta partes de carrocería hechas de un material compuesto de fibra natural.

Las puertas del conductor y del pasajero, así como el alerón trasero, están hechas con una mezcla de fibras orgánicas. Y el Cayman es un peso ligero real, con un peso de sólo 1320 kilogramos. Un factor aquí es el ahorro de peso del 60 por ciento resultante del uso de materiales compuestos orgánicos en lugar de acero en las puertas.

El material compuesto consiste en un sistema de matriz de polímero termoestable reforzado con fibras orgánicas. Se usa una malla de fibra orgánica porque las materias primas están fácilmente disponibles, exhiben una alta resistencia a la tracción y son particularmente finas, homogéneas y drapables, que se ajustan fácilmente a las formas de las piezas. La facilidad con la que se puede producir con dimensiones precisas facilita el mecanizado y la garantía de calidad, incluso en combinación con otros componentes de fabricación convencional.

Bases para producción de alto volumen

Estos aspectos son un requisito previo importante para la producción de alto volumen. Fraunhofer WKI también consideró otros factores en sus investigaciones, incluidos los conceptos para el reciclado o reutilización al final de su vida útil y los enfoques de ampliación de escala para las piezas que se producirán en mayor cantidad.
«Después de pruebas exhaustivas en condiciones extremas en la pista, continuamos evaluando nuestras partes, lo que finalmente llevó a la conclusión de que estos materiales orgánicos ecológicamente beneficiosos cumplen con los criterios para la producción en volumen», agrega Ole Hansen.

Smudo, líder del popular grupo de rap alemán «Fantastische Vier» y piloto permanente del «Bioconcept-Car» de Four Motors, ha probado su viabilidad práctica, al igual que un pasajero especial que disfrutó de una prueba de manejo en el último circuito de carreras de Nürburgring. Agosto: la ministra federal alemana de Alimentación y Agricultura, Julia Klöckner.

Fuente: Fraunhofer