Ciencia de los Materiales Reemplazo de los materiales

Universidad Autónoma de Guadalajara
Maestría en Sistemas de Manufactura
Materia: Ciencia de los Materiales
Ensayo sobre reemplazo de componentes metálicos de automóvil
por polímeros o materiales compuestos.
Profesor: Ing. Beatriz Alemon Galindo
Alumnos: Jorge Martínez Ibarra
Luis Gerardo Villanueva Granados
UAG Mayo 2003
1
Ciencia de los Materiales
Caso 23.6.
Escriba un ensayo sobre el reemplazo de componentes metálicos de
automóvil por polímeros y materiales compuestos: Incluya los
siguientes puntos: (1) ¿En qué componentes de automóvil (por
ejemplo, cigüeñal) se utilizan ahora polímeros o materiales
compuestos? Específicamente, ¿qué materiales (por ejemplo,
polietileno de alta densidad) se utilizan actualmente? ¿Qué razones
existen para estos cambios?
UAG Mayo 2003
2
Ciencia de los Materiales
INDUSTRIA AUTOMOTRIZ
Desde los 70’s, década en la que se produjo una de las peores crisis
de energéticos en el mundo, las tendencias de la industria automotriz
se modificaron.
Cambios drásticos en el diseño y manufactura de los vehículos
automotores condujeron a una mejoría en los procesos de combustión
y a una reducción en el peso de los vehículos, lo cual a su vez condujo
a una notoria disminución en el uso de combustible.
La disminución en el peso se dio de dos maneras, por un lado las
dimensiones se redujeron y por el otro se sustituyó el acero por
materiales de menor densidad, aluminio y plástico, básicamente.
UAG Mayo 2003
3
Ciencia de los Materiales
INDUSTRIA AUTOMOTRIZ
Así, llegamos a los modelos de la década de los 90’s en donde el
peso promedio de un auto mediano (Jetta, Cavalier) es del orden de
los 1,400 Kg y de ellos, casi el 15% en peso corresponde a materiales
plásticos. Esto también se presenta en automóviles de lujo, por
ejemplo, un Audi Avant C4 de 1994 pesaba 1396 Kg y de ellos 200
Kg eran de plástico.6 De los 1365 Kg. que pesa un Porsche 911
Carrera del año 1994, el 15.6% eran de plástico.
De ahí 154 Kg están en la carrocería, 35 Kg en el sistema eléctrico, 18
Kg, en el motor y 6 Kg en los sistemas de suspensión y dirección.
UAG Mayo 2003
4
Ciencia de los Materiales
INDUSTRIA AUTOMOTRIZ
Entre los materiales plásticos más utilizados está el polipropileno alrededor del 2.6% en peso del total de plásticos en el automóvil- el
cual se utiliza entre otras cosas, para formar el panel de instrumentos,
figura, o el ensamble de una sola pieza (que reemplaza a 5 piezas
metálicas) formado por la tapa del abanico del radiador, el recipiente
para el refrigerante, y para el líquido de los limpiadores (delantero y
trasero) y el túnel de llenado de estos últimos contenedores.
UAG Mayo 2003
5
Ciencia de los Materiales
INDUSTRIA AUTOMOTRIZ
El polietileno de alta densidad -0.7% en peso del total de plásticos en
el automóvil- se encuentra formando los tanques de una sola pieza
para almacenar la gasolina. Otros materiales plásticos como los
acrílicos, los policarbonatos, PVC y materiales compuestos, tienen
aplicaciones importantes en esta industria.
UAG Mayo 2003
6
Ciencia de los Materiales
Plásticos vs. Metales
La vida moderna depende en gran parte del acero, como uno
de los metales de mayor uso. Este material proporciona la rigidez
necesaria para diferentes estructuras de edificios, autos, vehículos
especiales entre otras aplicaciones. Sus principales propiedades son la
ductibilidad, resistencia a la tensión, dureza, contracción, resistencia a
la compresión y resistencia al impacto.
El Aluminio es otro de los materiales de gran importancia en la
industria de los metales, es el de mas larga estructura y de mayor
ductibilidad, factible de transformar por vaciado, rolar, estampar,
dibujar maquinar y extruír. Es resistente a la corrosión, refleja el calor
y es excelente conductor de electricidad.
UAG Mayo 2003
7
Ciencia de los Materiales
Plásticos vs. Metales
UAG Mayo 2003
8
Ciencia de los Materiales
Selección de materiales de aleación plásticos para reemplazo de
piezas metálicas en el automóvil.
Mezclas de Policarbonatos
Uno de los materiales plásticos que tienen mayor
resistencia al impacto es el policarbonato conocido por sus
siglas PC. Es un polímero que combina transparencia y alto
desempeño para diversas aplicaciones, dentro de las
mezclas de este material con propiedades e importancia
comercial sobresalientes se encuentran el PC/ASA
PC/PBT.
UAG Mayo 2003
9
Ciencia de los Materiales
UAG Mayo 2003
10
Ciencia de los Materiales
Mezclas de Policarbonatos
PROPIEDADES PC/ASA
La unificación del acrilonitrilo Estireno Acrilato al Policarbonato
produce piezas con tenacidad, resistencia al calor y estabilidad dimensional.
Muchas de las propiedades de esta combinación son intermedias a las que
presentan el ASA o EL PC por sí mismos.
El hule acrílico del ASA tiene mayor estabilidad que el hule butadiénico del
ABS de forma que los productos moldeados con PC/ASA tendrán mayor
resistencia a la interfiere sobre los fabricados con ABS o ABS/PC. La tenacidad
de las piezas no se afecta al paso del tiempo según pruebas de envejecimiento
acelerado. Térmicamente las piezas pueden soportar como temperatura
máxima de uso continuo 115 C y un HDT de 108 C. La inflamabilidad se
considera HB por la prueba UL 94.
UAG Mayo 2003
11
Ciencia de los Materiales
Mezclas de Policarbonatos
PROPIDADES FISICAS
La presencia de acrilonitrilo propicia opacidad en los
polímeros que lo contienen, por este motivo, todos los artículos de
PC/ASA son opacos. El material es permeable a la mayoría de los
gases o vapores que se encuentran habitualmente en la atmósfera, los
vapores de dióxido de carbono, agua, oxígeno y nitrógeno pueden
pasar a través de éste plástico.
Las piezas moldeadas con PC/ASA pueden exponerse a la
radiación ultravioleta o intemperie sin que estas condiciones afecten al
plástico de manera sensible, debido al Acrilonitrilo.
PROPIEDADES MECÁNICAS
La estabilidad dimensional, tenacidad, Rigidez y dureza se
unen en el PC/ASA.
UAG Mayo 2003
12
Ciencia de los Materiales
Mezclas de Policarbonatos
PROPIEDADES ELECTRICAS
LA aleación es básicamente aislante a la corriente eléctrica.
PROPIEDADES TERMICAS
Se pueden agregar retardantes a la flama en la aleación lo
que permite uso y aplicaciones que requieran de ésta característica.
PROPIDADES QUIMICAS
La estructura química de esta aleación resiste la acción de los
compuestos saturados, aceites, grasas y ácidos diluidos a condiciones
ambientales, pero las bases fuertes como la sosa, amoniaco y las
aminas afectan al material debido al carbonato que tiene.
UAG Mayo 2003
13
Ciencia de los Materiales
Mezclas de Policarbonatos
Aplicaciones
Entre los usos del PC/ASA destacan las carrocerías y las
carcasas para electrodomésticos, debido a que el material soporta
adecuadamente la radiación ultravioleta, la intemperie y el calor.
Existen otras aleaciones que compiten con este material, como el
ABS/PC y las poliamidas modificadas que también soportan la
intemperie.
Ha aumentado en los últimos años de modo espectacular la
producción de diversas piezas automotrices con este plástico debido a
su ligereza y bajo costo.
UAG Mayo 2003
14
Ciencia de los Materiales
Mezclas de Policarbonatos
PC/PBT ( Polibutilén Teraftalato )
Otra mezcla termoplástico del Policarbonato deriva de la unión al PBT
creando así un plástico que se comercializó en 1984, para uso
automotriz.
Propiedades:
-Esta mezcla se distingue de las demás por resistir al impacto a bajas
temperaturas y soportar el ataque de algunos agentes químicos como
la gasolina. El PC imparte la resistencia al impacto y procesabilidad,
mientras que el PBT proporciona resistencia química y a la ruptura por
tensión:
UAG Mayo 2003
15
Ciencia de los Materiales
Mezclas de Policarbonatos
PC/PBT ( Polibutilén Teraftalato )
Propiedades físicas:
-Densidad superior a la del agua, aspecto físico opaco en tanto que su
estructura esta integrada por dos fases: por un lado el PBT de
naturaleza cristalina, proporciona estabilidad dimensional a elevadas
temperaturas, además de resistencia mecánica. Y por otro lado el PC
que se presenta de manera amorfa, confiriendo tenacidad a la mezcla.
Propiedades Mecánicas:
-Resistencia al impacto
UAG Mayo 2003
16
Ciencia de los Materiales
Mezclas de Policarbonatos
Otras aplicaciones:
- Carcasas para herramientas, como taladros, conectores y
aplicaciones de tipo eléctrico.
La resistencia química, además de la baja absorción de la humedad
son cualidades apreciables para cascos de motociclista y algunos
vehículos acuáticos.
UAG Mayo 2003
17
Ciencia de los Materiales
Polietileno Alta densidad.
En base a su peso molecular, La distribución del mismo indica el no.
de moléculas de ciertos tamaños, describiendo una curva de
distribución generalmente normal, es decir, “ La campana de Gauss”.
Este parámetro esta vinculado con la procesabilidad y las propiedades
del producto final:
-El moldeo por inyección con distribución de peso molecular angosto,
que proporciona una pieza con tensiones internas mínimas y libre de
distorsión, que no compromete la resistencia a las fisuras baja carga.
-Alta Permeabilidad a gases, aromas y ciertos líquidos. ( Mayor
densidad menor permeabilidad )
Absorbe muy poca humedad ( naturaleza no polar )
-A mayor densidad; Mayor rigidez y resistencia
- Con la presencia de cristales eleva la resistencia a la tensión ( menor
elongación ).
UAG Mayo 2003
18
Ciencia de los Materiales
Polietileno Alta densidad.
- Material tenaz, alta resistencia a los impactos aún a bajas temperaturas,
capaces de absorber la energía preveniente de los impactos mediante
deformaciones.
- Excelente aislante eléctrico
- Muestra su punto de fusión entre 130 y 136º C, la temp. de transición es de
25º C bajo cero.
- El encogimiento de este material es de 1.5 – 4%.
-Soporta muy bien a los ácidos fuertes ( no oxidantes ) y bases fuertes.
Aplicaciones: contendores para aceite y gasolina, conexiones y tanques para
agua.
Transformación:
Los proceso de inyección y extrución son los más utilizables para este material
UAG Mayo 2003
19
Ciencia de los Materiales
Policarbonato (PVC)
-Excelente resistencia al impacto, calor, alta tenacidad, rigidez y
dureza.
-Excelente transparencia.
-Buena estabilidad dimensional
-Fácil de procesar
-Rango de distorsión térmica 135 – 145º C.
-No se amarillea por el sol
-Baja resistencia química ( Hinchamiento y deformación )
-Retardante a la flama
-Piezas sin olor, ni sabor y son ligeras debido a su baja densidad
-Baja absorción de agua
Aplicaciones: Vidrios antibalas, faros, calaveras, etc..
UAG Mayo 2003
20
Ciencia de los Materiales
Polipropileno
-Densidad baja
-Es translúcido ( Debido a la menor densidad en las zonas amorfas y
cristalinas; arreglo molecular )
-La contracción del polipropileno en el molde, es menor que la que
sufre el polietileno. ( Rango del 1 al 2% )
-No absorbe humedad
-Excelente rango de elongación a la ruptura, entre 400 y 430%,
utilizando cargas de 300 a 400 Kg/cm2.
- Resistencia al impacto y es por eso su utilización en aspas.
-A temperaturas de 55º C soporta cargas de 18.5 Kg/cm2, reforzada
con cargas de fibra de vidrio, talco o carbonato, la temp. Aumenta
hasta 150º C, por lo que se emplea en tableros automotrices, parrillas
para autos y piezas mecánicas.
-Gran resistencia al calor continuo por lo que se utiliza en la inyección
de acumuladores para autos.
UAG Mayo 2003
21
Ciencia de los Materiales
Polipropileno
-Posee un valor elevado de calor específico ( cantidad de calor que se
necesita para elevar un grado centígrado, por unidad de peso ) por lo
que consume gran energía en su transformación y enfriamiento.
-En piezas espumadas para los autos es muy utilizado por la
distribución de densidades del espumado de acuerdo a la estructura
de la pieza.
UAG Mayo 2003
22
Ciencia de los Materiales
Aplicaciones:
Múltiple de escape de gases de un automóvil
Estas piezas está sujetas a fuerzas dinámicas y de vibración, aunado a
el calor generado por los gases y otras partes internas del motor que
deber ser resistido por el material plástico con el cuál se fabrican, en
general la Poliamida 6/6 modificada con Fibra de vidrio, resulta el
plástico más adecuado para este tipo de aplicación.
Propiedades:
-Excelente tenacidad, bajo coeficiente de fricción y alta resistencia a la
abrasión. Sin embargo, se debe de tener en cuenta que absorben y
desprenden humedad, ello implica una alteración en sus propiedades.
UAG Mayo 2003
23
Ciencia de los Materiales
Aplicaciones:
Múltiple de escape de gases de un automóvil
- El uso de plastificante reduce el esfuerzo a la tensión y rigidez
- De acuerdo a la cantidad del plastificante incrementa el porcentaje
de elongación y la resistencia al impacto en un 200% aprox.
-Pueden reforzarse en porcentajes de 10 a 45% de con fibra de vidrio,
permitiendo que se incrementen sus propiedades mecánicas y
disminuya su capacidad de absorción de humedad.
UAG Mayo 2003
24
Ciencia de los Materiales
Aplicaciones:
Múltiple de escape de gases de un automóvil
En esta caso este material cubre los niveles determinados de :
-Temperatura de deflexión ( HDT ), donde el material se deflexiona
0.25 mm. Bajo una carga de 4.6 o 18.6 Kg/cm2 en condiciones
preestablecidas de prueba.
Otras:
-Elevada rigidez y dureza
-Buena resistencia al impacto
-Gran capacidad de soportar cargas dinámicas
-Amortiguación de ruido y vibraciones
-Resistencia a la abrasión y desgaste
-Buenas propiedades de deslizamiento
UAG Mayo 2003
25
Ciencia de los Materiales
Aplicaciones:
Múltiple de escape de gases de un automóvil
-Buena estabilidad a la deformación térmica
-Resistencia a productos químicos, solventes, aromáticos e
hidrocarburos en general.
Propiedades Físicas:
- Densidad es de 1.12 a 1.14 g/cm3
Propiedades Mecánicas:
- La humedad absorbida tiene un efecto plastificante en cuanto a su
comportamiento mecánico.
UAG Mayo 2003
26
Ciencia de los Materiales
Aplicaciones:
Múltiple de escape de gases de un automóvil
Propiedades eléctricas:
-Buen aislante eléctrico
-Resistividad volumétrica a 50% de humedad relativa y 23° C, entre 10
al a12 y 10 al a14 Ohm-cm.
Propiedades Térmicas:
-Temp. de transición vítrea de 60° C (especimenes sin humedad )
Otras aplicaciones:
Tanques para gasolina, tanque de líquido de refrigerante, mangueras
multicapa, filtros y tubos corrugados.
UAG Mayo 2003
27
Ciencia de los Materiales
Aplicaciones:
Palanca de velocidades
Podemos mencionar al nylon, ya que
alrededor del 4.3% en peso del total de
plásticos en el automóvil- el cual se
emplea como soporte a los espejos
laterales, volante de la dirección, tapas
en las ruedas, etc.
UAG Mayo 2003
28
Ciencia de los Materiales
Aplicaciones:
Carburadores de ciclomotores
El PPA sustituye al aluminio
El PPA Amodel de Solvay Advanced Polymers ha sido elegido por
Synerject como el material que sustituye al aluminio para la producción
de los carburadores de ciclomotores con motor monocilíndrico.
Debido a:
-Su elevada resistencia térmica, necesaria para resistir las
temperaturas del motor, que pueden superar los 160ºC, el grado
seleccionado, Amodel AS-1 133 HS reforzado con fibras de vidrio,
registra una temperatura de flexión de 285 ºC a 1,8 MPa y de 297ºC
a 0,45 MPa
UAG Mayo 2003
29
Ciencia de los Materiales
Aplicaciones:
Carburadores de ciclomotores
.Además de una temperatura en uso prolongado igual a 185 ºC para
5.000 horas y de 165ºC para 20.000 horas.
Entre las ventajas que obtiene el constructor está también la reducción
de los costos de producción, puesto que ahora la pieza puede
moldearse por inyección, un proceso menos costoso que el del
tratamiento de aluminio.
UAG Mayo 2003
30
Ciencia de los Materiales
UAG Mayo 2003
31
Ciencia de los Materiales
Hay que reciclar más plásticos
-Aspectos de reciclaje en relación al diseño de vehículos.
-Este diseño ha de considerar aspectos tan alejados entre sí como la
ergonomía o la aerodinámica, la seguridad, los requerimientos de
costo y ahora los requisitos de reciclado.
-El problema de reciclado de los vehículos no se encuentra en la parte
metálica del automóvil (que se recicla sin problemas) sino en los
materiales plásticos. Es decir, para incrementar el porcentaje de
reciclado hay que aumentar el reciclado de los materiales plásticos,
cuya utilización tiende a crecer en aplicaciones para automóviles.
En este sentido, los constructores están iniciando una serie de acciones
en lo que se refiere a estos materiales plásticos
UAG Mayo 2003
32