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Vehículos

Los autos solían tener poco más de cuatro ruedas, cuatro asientos, un motor de combustión interna y suficiente electrónica para encender cada bujía en el momento adecuado. Los vehículos de hoy son radicalmente más complejos y están evolucionando rápidamente a medida que la combustión interna da paso a las transmisiones eléctricas y los controles manuales dan paso a niveles cada vez mayores de autonomía del vehículo. Por lo tanto, la elección de los componentes que componen la electrónica de un vehículo moderno, incluso los pasivos aparentemente simples, se está volviendo tan importante como la elección de la configuración del motor o la estrategia de carburación cuando los automóviles eran mucho más simples. Considere los desafíos que enfrentan los componentes automotrices. Deben ofrecer una confiabilidad muy alta para que funcionen correctamente durante la vida útil de varios años de un vehículo, en lugar de los meses que algunos equipos de consumo (auriculares, ¿alguien?) Parecen haberse especificado para durar. Los componentes automotrices tienen que funcionar en rangos de temperatura extremos, desde inviernos polares hasta veranos en el desierto. Y tienen que hacer todo esto mientras sobreviven a choques mecánicos y vibraciones complejas; ciclos térmicos frecuentes; interferencias eléctricas, electrostáticas y electromagnéticas; exposición constante a la humedad, la humedad y los disolventes; y posibles tensiones mecánicas debidas a la flexión de los PCB.

1.   Soporte bateria
2.   Tanque de expansion
3.   Caja aspiracion de aire
4.   Cubierta del motor
4b. Múltiple de admisión
5.   Cubierta del ventilador
6.   Ventilador
6b. Front end modulus (FEM)
7.   Conductos de aire
8.   CVJ Junto omocinetico
9.   Panel parafuego

Materiales

Los compuestos están establecidos en los interiores de los vehículos y también han ganado tracción en los componentes exteriores y del chasis en los segmentos de autos de desempeño, camionetas y vehículos eléctricos. Pero han tardado en incursionar en el compartimiento del motor. Debajo del capó, el calor del motor de combustión interna y la exposición a los fluidos del motor (combustible, aceite y refrigerante) ya lo convierten en un entorno difícil. Y se está volviendo más difícil a medida que los requisitos cada vez más estrictos de emisiones y ahorro de combustible empujan al mercado hacia motores de gasolina y diésel turboalimentados más pequeños, muchos equipados con sistemas de recirculación de gases de escape. Las temperaturas debajo del capó están aumentando porque estos motores que trabajan más duro se calientan más, y el espacio disponible en el compartimiento del motor es escaso a medida que los autos se vuelven más compactos y sus extremos delanteros profundamente inclinados dificultan el enfriamiento debajo del capó. Además, las garantías extendidas para automóviles nuevos de los OEM de automóviles ejercen presión sobre los proveedores para que utilicen materiales con una vida útil más larga, pero también exigen reducciones en el peso y el costo de los componentes. La necesidad de componentes debajo del capó que funcionen mejor y durante más tiempo con menos peso y costo ha abierto un área de crecimiento para varias familias de termoplásticos (semi)cristalinos de alta temperatura, moldeables por inyección y reforzados con fibra. La química de estas resinas permite un mayor rendimiento térmico y químico y una mayor tenacidad que los termoplásticos básicos. Los termoplásticos (semi)cristalinos exhiben una mayor resistencia al impacto con un peso más bajo, mejor estética desde el momento en que se sacan de la herramienta y capacidad de reprocesamiento por fusión (lo que facilita la soldadura y permite el reciclaje), todas ventajas frente a los termoestables comunes. En combinación con el proceso de moldeo por inyección, estos materiales superan las limitaciones de peso y diseño y eliminan los costosos pasos de posproducción típicos del aluminio, el acero y los compuestos termoestables, como el compuesto de moldeo a granel (BMC), que son más difíciles de formar. La combinación de material/proceso facilita una libertad de diseño y una integración de piezas sin precedentes. Esto permite una producción más rápida de estructuras complejas (los tiempos de ciclo son rápidos y las piezas más pequeñas se pueden moldear en herramientas de múltiples cavidades) en un solo paso, con excelente repetibilidad y reproducibilidad (R&R). Esto hace que el proceso sea ideal para construcciones de vehículos de volumen medio a alto, donde la velocidad de producción es una alta prioridad y se puede justificar el mayor costo inicial de las herramientas. Con estos volúmenes de producción, los costos de fabricación y de las piezas pueden ser sustancialmente menores que los del aluminio y el acero fundidos o mecanizados.

Componentes debajo del capó

Las partes estructurales y mecánicas ubicadas debajo del capó de un automóvil, como el motor y las partes relacionadas, el sistema de combustible, el sistema de enfriamiento y los elementos de choque, son el tema central de esta sección. La sustitución de metales por compuestos ha ganado terreno a lo largo de los años debido a la creciente preocupación por la reducción del consumo de combustible y la garantía de un medio ambiente más limpio y saludable. En los primeros años de fabricación y uso de automóviles, la aplicación de compuestos en las partes bajo el capó no era muy común, a diferencia de las partes interiores y exteriores, debido a preocupaciones sobre su resistencia a la corrosión, el desgaste y las altas temperaturas, y sobre su rendimiento en condiciones de ruido, vibración y aspereza (NVH). Sin embargo, la situación ha cambiado considerablemente y hoy en día es posible ver una serie de piezas compuestas debajo del capó. Describimos algunos componentes principales seleccionados en las secciones que siguen. Durante las últimas dos décadas, muchos componentes bajo el capó que alguna vez estaban hechos de metal se han pasado a plástico. Para estas aplicaciones, son comunes los polímeros robustos como ABS, Nylon y PET. Piezas como tapas de culatas y cárteres de aceite se producen mediante moldeo por inyección y ofrecen pesos y costes más bajos en comparación con las piezas metálicas. A medida que las condiciones bajo el capó se vuelven más desafiantes, los fabricantes de automóviles y sus proveedores dependen cada vez más de las piezas de plástico de alta temperatura para ayudar a reducir el peso y el costo, aumentar la integración de las piezas y proporcionar una vida útil más larga. Los plásticos también pueden mejorar el "desbarbado". Este es un paso en la fabricación que suaviza el interior de las piezas de flujo de aire. El flujo de aire suave y no turbulento es crucial para la eficiencia del motor. El mundo bajo el capó de cualquier automóvil es un lugar duro. Las altas temperaturas y la vibración constante crean un estrés severo en la mayoría de las piezas. Los componentes entran en contacto con aceite, grasa, gasolina, líquido de transmisión, líquido de frenos, agua, hielo, sal de la carretera, suciedad, polvo y otros elementos, sin mencionar las temperaturas extremas frías y calientes. La resistencia al desgaste también es fundamental para cualquier pieza que esté unida a un motor o montada cerca. Tradicionalmente, era impensable utilizar cualquier material que no fuera metálico en el compartimento del motor. Pero esa vieja regla de oro está cambiando rápidamente. Ahora hay tantos datos que respaldan las soluciones de plástico que cumplirán con las especificaciones de prueba para la vibración del motor, la temperatura y la resistencia química”. Por ejemplo, los termoplásticos tienen propiedades mecánicas más bajas que el aluminio y el acero. “Esas propiedades cambian con el aumento de las temperaturas que normalmente se encuentran en un ambiente bajo el capó”. Muchos fabricantes y proveedores de automóviles utilizan plásticos, como poliamida 6 o 6.6 para shroud, front end, polipropileno para caja de aspiracion y PBT para connectores electricos, para reducir el peso del vehículo y mejorar la eficiencia del combustible. Otros beneficios incluyen consolidación de piezas, ahorro de costos, durabilidad, resistencia a la corrosión y amortiguación del sonido. Como resultado, ya no es inusual abrir un capó y encontrar colectores de admisión de aire de plástico, cubiertas de válvulas, rieles de combustible, carcasas de bombas de agua, sistemas HVAC, depósitos de líquido de frenos, controles electrónicos del acelerador, cubiertas del motor, sistemas de filtración y otros motores. El plástico también ofrece varias características de rendimiento que crean una mayor rigidez, junto con tolerancias más estrictas, que las piezas hechas de metal. Eso permite a los ingenieros reducir una cantidad de piezas metálicas a una sola pieza estructural moldeada de plástico. Los encajes, salientes, nervaduras y otras características, como soportes y puntos de fijación, se pueden moldear para eliminar los pasos de ensamblaje, reducir el peso y reducir el número de piezas. La libertad de diseño de piezas permite a los ingenieros automotrices crear diferentes geometrías que a veces no son posibles con el metal. Esa es una de las razones por las que el plástico se ha convertido en un material popular para los colectores de admisión de aire. Los ingenieros automotrices están luchando para encontrar formas de cumplir con el nuevo estándar de economía de combustible promedio corporativo (CAFE). Requiere que los fabricantes de automóviles aumenten la economía de combustible promedio en un 40 por ciento entre ahora y 2020, sin sacrificar la seguridad o el costo. Ante la creciente presión para mejorar la eficiencia del combustible, muchos ingenieros están explorando nuevas formas de utilizar el plástico para reemplazar los componentes metálicos tradicionales.

Aplicaciones bajo el capó

El compartimento del motor de un automóvil es uno de los entornos más exigentes para los plásticos. Los requisitos incluyen la capacidad de soportar temperaturas extremas, fluidos corrosivos, vibraciones y cargas mecánicas. Sin embargo, estos deben equilibrarse con un deseo siempre presente de bajo peso y bajo costo. A continuación se resumen algunos de los requisitos críticos para los materiales debajo del capó:

resistencia a altas temperaturas
resistencia química
buena procesabilidad
gravedad específica baja
buena estabilidad dimensional
alta resistencia dieléctrica
buen envejecimiento por calor
alto módulo a temperaturas elevadas

Una de las áreas de crecimiento para las aplicaciones de mezcla de PAB bajo el capó son los conectores y sistemas eléctricos y electrónicos para distribución y control de energía. Tales aplicaciones a menudo requieren una baja viscosidad de la masa fundida a las temperaturas de moldeo por inyección para llenar las intrincadas herramientas que pueden diseñarse para hasta cientos de conexiones eléctricas individuales. Se requiere una tenacidad práctica para el ajuste a presión de las conexiones. Además, puede ser necesario el refuerzo de vidrio de estos PAB para mejorar el módulo y la estabilidad dimensional. Las mezclas típicas adecuadas para estas aplicaciones incluyen PBT/PC, PA/PPE y PPS/PEI. Varios sensores de temperatura, flujo de aire, etc., requieren una estabilidad dimensional excepcional, retención de propiedades a temperaturas elevadas, resistencia a los fluidos y resistencia a la fluencia. Los componentes de ignición requieren muchas propiedades similares pero tienen la necesidad adicional de tener buenas propiedades eléctricas, es decir, alta rigidez dieléctrica y buena adherencia a los compuestos de relleno epoxi. Los materiales que ven estas aplicaciones incluyen PB /PC y PPE/HIPS. Los fluidos en un ambiente debajo del capó suelen ser bastante corrosivos, pero eso no excluye el uso de PAB en estas aplicaciones. Los impulsores y componentes de las bombas que se encuentran muy cerca o en contacto directo con el combustible se pueden fabricar con PPE/PA y aleaciones que contengan PET/PC o PBT/PC. Para los entornos más severos, las mezclas de PPS/PPE introducidas recientemente en Japón tienen utilidad. Los siguientes fluidos son comunes en ambientes debajo del capó y se debe entender la compatibilidad de materiales con cada uno:

anticongelante
líquido de frenos
gasolina
combustible a base de metanol
aceite de motor
líquido de dirección asistida
líquido de transmisión
líquido limpiaparabrisas

Los resonadores y los conductos de aire pueden fabricarse mediante moldeo por soplado y, por lo tanto, requieren una excelente resistencia al fundido, una buena apariencia de la superficie, un peso reducido y una excelente reducción del ruido (amortiguación). Para estas aplicaciones, a menudo se utilizan aleaciones sin relleno como PPE/PA. A modo de comparación, estos datos se normalizan al rendimiento de PBT/PC. La capacidad de amortiguación de vibraciones de sistemas tales como PA modificada con un elastómero, poliolefina modificada o PS modificada, son útiles para las cubiertas del motor. En la formulación de la mezcla se pueden incluir adhesivos tales como resina de cumarona, resina de terpeno o resina de petróleo junto con fibras de vidrio. Las mezclas elastoméricas de TPO (mezclas de polipropileno, PP; con caucho de etileno propileno, EPR; o caucho a base de etileno propileno dieno monómero, EPDM) están encontrando usos cada vez mayores en aplicaciones automotrices, tales como: protectores de parachoques, presas de aire, revestimientos de pozos de ruedas, escalones almohadillas, fascia de parachoques, revestimiento de paneles y laterales de balancines, cubiertas de bolsas de aire, revestimientos para IP, paneles de puertas y consolas, partes softtouch, burletes y componentes de admisión de aire moldeados por soplado debajo del capó, botas y fuelles. Las ventajas son el bajo costo, la baja densidad, el amplio rango de módulos (70 a 2000 MPa), la resistencia al impacto a baja temperatura, el flujo, la durabilidad y la reciclabilidad. Están reemplazando algunas mezclas de PC/PBT en estos mercados. Como ejemplo, un resonador de conducto de aire limpio hecho de una aleación elastomérica de PP/EPDM.

Tren motriz

Colector de admisión de aireEl tren motriz es una de las partes más complicadas de un automóvil. El término "tren de potencia" se refiere a un sistema de cojinetes, ejes y engranajes. Juntos, envían la potencia del motor al eje. Los plásticos pueden ayudar a reducir la cantidad de piezas necesarias por componente.

Transmisión

Los plásticos son sustitutos habituales del metal en las transmisiones de hoy. Ofrecen a los ingenieros un espectro de opciones de soluciones. Podemos personalizar un componente de plástico innovador para calor, resistencia química , lubricación y resistencia . Los aditivos, rellenos y refuerzos pueden variar las propiedades de un plástico. Por ejemplo, los ingenieros eligen polieterimida en las transmisiones por su desempeño dimensional, térmico y de fluencia superior. Del mismo modo, una sola pieza de nailon puede sustituir a varias arandelas de acero.

Eje de accionamiento

Un eje de transmisión transfiere la potencia de la transmisión al eje trasero del vehículo. Si un eje de transmisión de acero falla, puede proyectar metralla en todas direcciones. Puede excavar en el suelo, catapultando el vehículo en el aire. Los ejes de transmisión compuestos de plástico utilizan fibra de carbono y polímero.

Sistemas de combustible

Los tanques de combustible de metal pueden corroerse por el combustible, los productos químicos de las carreteras, la sal, el lodo y la grava. La corrosión puede debilitar el tanque, lo que presenta graves riesgos de derrames y explosión. Los tanques de combustible de polietileno de alta densidad (HDPE) son resistentes a esos entornos corrosivos. Los diseñadores dan forma a un automóvil y, al final del proceso, pueden llenar el espacio negativo sobrante con la forma del tanque de plástico. Los fabricantes soplan un tubo grueso continuo de múltiples capas del polímero en un molde. Esto puede dar forma a una pieza "sin costuras". Los tanques de gas sin costura ayudan a prevenir fugas durante choques. A menudo, los diseñadores fabrican tanques de combustible de plástico de hasta seis capas. Las paredes más gruesas del tanque evitan mejor la permeabilidad al vapor y las emisiones y brindan una estabilidad estructural adicional. Un tanque de plástico promedio también pesa dos tercios menos que un tanque de acero promedio.

Componentes del motor

Los ingenieros de materiales construyen resinas por molécula para satisfacer las demandas de calor de los motores actuales. Han revolucionado el diseño de piezas de motor. Las tapas de válvulas reducen el peso. Los colectores de admisión de aire aumentan y suavizan el flujo de aire. Esto permite que un motor "respire" más rápido. Los diseñadores de colectores de plástico pueden construir intercoolers directamente en la pieza. Los intercoolers reducen la temperatura del aire del compresor y el escape. Entonces, el motor obtiene la cantidad correcta a la temperatura adecuada. Además, el motor responde más rápido durante la aceleración.

Materiales

La mayoría de las aplicaciones bajo el capó involucran polímeros semicristalinos. Por lo general, tienen temperaturas de fusión más altas y no son sensibles a las soluciones, los productos químicos y los combustibles. En general, los componentes de plástico son resistentes a los productos químicos y al medio ambiente, y pueden tolerar el calor y las vibraciones en condiciones normales de funcionamiento. “Algunas aplicaciones, como carcasas, protectores y conectores, plantean poco o ningún desafío, y todas son excelentes candidatas para el plástico.

La poliamida es el termoplástico más utilizado en los compartimentos del motor, de hecho representa del 60 al 80 por ciento de las aplicaciones, porque puede soportar altas temperaturas”. La poliamida se ha utilizado debajo del capó desde finales de la década de 1940, pero las primeras aplicaciones se centraron en componentes menos críticos, como vástagos de válvulas, clips de cableado, engranajes, cojinetes, bujes, carcasas de interruptores y sistemas de limpiaparabrisas. Los fabricantes de automóviles europeos comenzaron a utilizar colectores de admisión de aire de nailon en la década de 1970. Sin embargo, los primeros colectores de alto volumen no aparecieron en los Estados Unidos hasta principios de la década de 1990.

El polipropileno se usa principalmente para depósitos, como tanques de líquido de dirección asistida, porque no puede estar demasiado cerca de componentes extremadamente calientes, como colectores de escape o unidades de turbocompresor. El sulfuro de polifenileno es ideal para piezas que deben soportar temperaturas superiores a 150 a 160°C, como bombas de agua y refrigerante. Los polímeros de cristal líquido se utilizan a menudo en componentes electrónicos, como carcasas de sensores y conectores.

Los elastómeros termoplásticos (TPE) están ganando un interés creciente en la industria automotriz y del transporte, e. gramo. como reemplazo económico de los materiales de caucho estándar. Las aplicaciones automotrices son generalmente muy complejas. Las aplicaciones a menudo requieren una combinación de rendimiento mecánico y buena resistencia al envejecimiento del material TPE existente. Por ejemplo, las aplicaciones bajo el capó (UTH) suelen requerir una alta resistencia al calor, así como una buena resistencia química y a la hidrólisis. Por otro lado, la mayoría de las piezas exteriores requieren buenos productos químicos y una muy buena resistencia a la intemperie, p. Ej. fuerte estabilidad a la hidrólisis así como buena resistencia a los rayos UV y al ozono.