Un enfoque circular para el diseño de vehículos eléctricos ligeros
Los materiales compuestos a base de polímeros y los componentes híbridos metal/material compuesto llevan mucho tiempo estudiándose como alternativa para reducir el peso en el sector automovilístico. Sin embargo, a pesar de los grandes avances logrados en los últimos veinte años, su adopción del mercado para elementos estructurales sigue siendo limitada, sobre todo en los vehículos de gama alta y bajo volumen; aunque existen algunas excepciones. Entre los principales escollos que limitan su adopción figuran los elevados costes de material y fabricación, las bajas tasas de producción y la preocupación por la fiabilidad y solidez de estos materiales.
Adoptar un enfoque circular
En el proyecto LEVIS, financiado con fondos europeos, se lograron avances notables en estos ámbitos, que permitieron desarrollar la tecnología y promover la sostenibilidad en el sector automovilístico. Sus actividades se centraron en mejorar las tecnologías existentes, crear otras nuevas y prepararlas para una aplicación industrial eficaz. En este sentido, se prestó especial atención a aumentar el uso de materiales de origen biológico, reciclables y reciclados, así como a concebir nuevos métodos para la gestión de los productos al final de su vida útil. El equipo de LEVIS también desarrolló herramientas y metodologías para integrar prácticas de diseño ecológico y efectuó evaluaciones ambientales y análisis del coste del ciclo de vida. «Logramos avances notables en materiales y procesos de fabricación sostenibles. En LEVIS se desarrollaron materiales y componentes reciclables a partir de fibras de carbono recicladas y de origen biológico, y se adoptó un enfoque de diseño circular para aumentar la vida útil de piezas estructurales que, además, facilita su desmontaje y la recuperación eficaz de materiales», comenta José Ramón Valdés, coordinador del proyecto.
Métodos mejorados para ampliar la fabricación
El equipo del proyecto utilizó métodos de fabricación innovadores para producir y validar cuatro piezas de demostración, a saber: un brazo de control de la suspensión, un conjunto de baterías, una carcasa de batería con barra de conexión integrada y una viga transversal del automóvil con un soporte de la columna de dirección. Estas piezas favorecieron una reducción total del peso de cerca del 30 % en todos los casos. Los procesos de fabricación del demostrador se ampliaron satisfactoriamente. En este contexto, la labor se centró en optimizar los parámetros de las técnicas de moldeo por transferencia de resina, moldeo por inyección, conformado en prensa y pultrusión. Se analizaron y optimizaron configuraciones de juntas de aluminio-material compuesto para las vigas internas y laterales de la carcasa de batería, así como para la junta de acero-material compuesto que une el grupo portador de la columna de dirección a la viga transversal del automóvil.
Algoritmos avanzados para mejorar la integridad estructural y predecir la vida útil
En el plano teórico, el equipo de LEVIS demostró flujos de trabajo de simulación avanzados para mejorar la integridad estructural y predecir la vida útil de los componentes. Entre ellos se incluyen modelos multiescala que conectan los procesos, la estructura de los materiales y sus propiedades, así como un modelo de fatiga que evalúa este fenómeno a partir de una degradación de la rigidez basada en el daño de la matriz. Los investigadores perfeccionaron las metodologías de simulación de procesos para el moldeo por transferencia de resinas termoplásticas, lo cual mejoró la comprensión de las relaciones entre los parámetros del proceso, el rendimiento estructural y las propiedades de los materiales. Los modelos micromecánicos posibilitaron calcular las propiedades mecánicas y térmicas homogeneizadas de los materiales compuestos, proporcionando así datos fundamentales para las simulaciones a nivel de componentes. También se validaron algoritmos de control de la salud estructural para detectar modos de fallo.
Beneficios en cifras
Se implementaron estrategias adecuadas al final de la vida útil para los métodos de desmontaje, reciclaje y reutilización de piezas nuevas de automóviles. La tecnología de desmontaje a la carta para separar estructuras multimaterial logró una eficacia de despegado del 98 %, con partículas expandidas térmicamente que mejoran la eficacia y reducen el consumo de energía de la separación. La recuperación optimizada por pirólisis a baja temperatura redujo la pérdida de peso del material a solo un 3 % y conservó el 85 % de la resistencia a la tracción en el plástico recuperado reforzado con fibras de carbono. El análisis del ciclo de vida reveló que el efecto de los vehículos eléctricos sobre el cambio climático se podría reducir en la mayoría de los casos, en concreto en más de un 25 % para los componentes del conjunto de baterías. El análisis del coste del ciclo de vida reveló que los tres demostradores reducían los costes en comparación con los valores de referencia. Dos de ellos alcanzaron el objetivo del proyecto de una reducción del 20 %. «En los estudios de reducción de peso se estimó una reducción del 31 % del peso de la carrocería en bruto y una reducción del 5,46 % de la capacidad de calentamiento global —destaca Ramón Valdés—. El índice de consumo de energía se mejoró en un 5,46 %, lo que permitió reducir en 9 kg el peso del motor y en 16 kg el peso de las celdas de la batería, algo que contribuye a mejorar el rendimiento y la eficiencia energética del vehículo».
Palabras clave
LEVIS, vehículo eléctrico, enfoque circular, ligero, reciclable, plástico reforzado con fibras de carbono
