Fraunhofer IAP utiliza tecnología de colocación automática de fibra (AFP) para producir nuevos ejes de transmisión ultraligeros hechos de plástico reforzado con fibra de carbono. Gracias a la matriz termoplástica, los componentes se pueden reciclar. Crédito: WFBB, fotógrafo: Jungblut & Büssemeier
La construcción ligera es esencial para la movilidad sostenible. Por ejemplo, los ejes de transmisión hechos de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) con una matriz termoendurecible pueden reducir las emisiones dañinas para el clima. Sin embargo, la construcción ligera y el potencial de ahorro de recursos de estos pozos aún no se han realizado por completo.
Junto con sus socios, los científicos del Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP están desarrollando un tren de transmisión y un eje lateral nuevos y ultraligeros para automóviles y camiones cuya matriz consiste en materiales termoplásticos. Estos materiales son reciclables y tienen la ventaja añadida del peso.
Se necesitan esfuerzos significativos de movilidad para reducir aún más las emisiones dañinas para el clima. Los árboles de transmisión fabricados con plásticos reforzados con fibra pueden, gracias a su bajo peso, reducir el consumo de combustible de los vehículos y contribuir así a reducir el impacto medioambiental. En automóviles y camiones, transfieren la potencia de la caja de cambios a las ruedas y tienen que soportar cargas pesadas. Por este motivo, normalmente se fabrican como ejes de transmisión de varias piezas y están hechos de materiales pesados como acero, aluminio o aleación de titanio.
Las alternativas actuales son los ejes de transmisión hechos de plástico reforzado con fibra de carbono con una matriz termoendurecible. Con menos densidad y menos posiciones de cojinete requeridas, son alrededor de un 60 por ciento más livianos que sus contrapartes de metal y tienen mejores propiedades mecánicas. Sin embargo, aún se pueden optimizar aún más en términos de peso y reciclabilidad.
Los investigadores del grupo de proyecto “Centro para la tecnología de luz sostenible” (ZenaLeb) de Fraunhofer, el grupo de proyecto del departamento de investigación de materiales compuestos y materiales poliméricos PYCO de Fraunhofer IAP, junto con socios de la industria, están comprometidos con esta tarea. “En el primer paso, queremos optimizar los ejes de transmisión y laterales con una matriz termoestable. En la segunda etapa, desarrollaremos ejes con matriz termoplástica”, concluye Felix Kuke, responsable de ZenaLeb.
Reducción del consumo de combustible y de las emisiones de CO2 emisiones
Los ejes de transmisión de matriz termoestable se fabrican actualmente utilizando bobinado de filamento. En este proceso de fabricación, las fibras impregnadas de resina se enrollan alrededor de un eje giratorio bajo tensión y se curan en un paso posterior. Sin embargo, los ejes laterales y de transmisión termoplásticos planificados se fabricarán utilizando tecnología de apilamiento automático de filamentos (AFP).
“Gracias a la tecnología AFP, los preimpregnados, es decir, las cintas preimpregnadas que contienen fibras de carbono, se calientan con un láser y luego se colocan en un eje giratorio de forma totalmente automática y controlada por un robot. No es necesario un curado adicional”, explica el científico.
Otras ventajas de la tecnología AFP: las cintas se pueden cortar durante el proceso y colocar en diferentes posiciones para crear nuevos ángulos, patrones de bobinado y formas. En otras palabras, los ejes de transmisión se pueden enrollar libremente y no están limitados por patrones de bobinado predefinidos, a diferencia del bobinado de filamento. Esto da como resultado un peso más bajo en comparación con los métodos de diseño termoestables actuales. Según cálculos según
Fraunhofer IAP, el nuevo diseño puede reducir el consumo de combustible en un 0,3 por ciento en la fase de uso y reducir significativamente las emisiones de CO2 emisiones de automóviles y camiones recién matriculados en Alemania. En comparación con los ejes de transmisión de acero, incluso es posible un ahorro de peso de más del 65 por ciento. “El proceso AFP permite a los fabricantes alcanzar altas tasas de productividad. Nuestro objetivo es implementar el concepto de fabricación para la producción a gran escala”, explica Kuke.
Seguimiento digital de todo el ciclo de vida del producto
El seguimiento de toda la cadena de procesos para reducir su huella de carbono requiere mapear y monitorear el ciclo de vida del producto, desde la producción del material base hasta el reciclaje, con sistemas de sensores integrados. Para ello, se enrollan sensores de fibra óptica y galgas extensométricas en ejes de transmisión e instalaciones debidamente equipadas.
Ya existe un código QR en los preimpregnados, que brinda información sobre las fibras, así como el sistema de matriz utilizado, que es necesario para el reciclaje. Mediante la integración de conceptos de marca de productos y sistemas de sensores, es posible evaluar el impacto ambiental de producir nuevos ejes y determinar el consumo de energía y recursos requerido.
Las herramientas de digitalización y simulación en forma de gemelo digital respaldan el proceso de optimización, además de garantizar la calidad y ayudar a aligerar el diseño. “Las herramientas de digitalización adecuadas nos permiten calcular ensamblajes completos” – dice el investigador.