Una revolución en los materiales da forma al futuro de la fabricación / nº 225

Materiales

Estar al día de las últimas tendencias en materiales es esencial

Los nuevos materiales permiten a los ingenieros crear piezas y ensamblajes más robustos, resistentes, ligeros y de mayor rendimiento. Esto se puede observar hoy en día con materiales como los composites, las nuevas aleaciones de metal de peso ligero y el grafeno. Está claro que se trata de un avance que no se va a frenar. Impulsados por las exigencias de sectores como el aeroespacial y el del automóvil, los límites del desarrollo de materiales serán empujados hasta niveles todavía más extremos

El auge de los composites

Fijémonos en la industria aeroespacial, p. ej., que busca constantemente materiales que puedan ofrecer más robustez, menos peso y una mayor resistencia al calor a fin de conseguir objetivos deseables como mayor velocidad, menor consumo de combustible y menos emisiones. Actualmente, los composites están demostrando ser el material preferido de los ingenieros aeroespaciales. A lo largo de los últimos 30 años, la proporción de composites en las aeronaves de pasajeros ha aumentado apenas un 5 o 6 % hasta el 50 % en los modelos comerciales más recientes, como el Dreamliner de Boeing.

Los composites de fibra de carbono ofrecen una resistencia superior a la del acero con tan solo el 20 % de su peso. En un avión grande de pasajeros, una disminución de peso de esta magnitud puede contribuir enormemente a ahorrar gastos de combustible; los expertos estiman que una reducción de peso de tan solo un kilogramo (2,2 libras) puede representar un ahorro de hasta 3000 € anuales de combustible.

Pero la industria aeroespacial no es la única que se está beneficiando; los materiales de tipo composite son cada vez más habituales en sectores como el de la automoción, el naval y el de la energía. Un vehículo de desarrollo reciente, como el i3 eléctrico de BMW, puede recorrer hasta 160 kilómetros con una sola carga gracias a su uso extensivo de composites, lo que da como resultado un vehículo más ligero. Mientras, el Lamborghini Veneno Roadster puede acelerar de 0 a 100 km/h en tan solo 2,9 segundos gracias a la utilización de estos materiales ligeros tan innovadores.


Pese a tratarse del material más fino del mundo (1 millón de veces más fino que un pelo humano), el grafeno es 200 veces más resistente que el acero

Si bien los ingenieros de diseño pueden deleitarse con el aumento de posibilidades que supone la llegada de los composites, en particular a medida que su fabricación va abaratándose y su uso se extiende, los ingenieros de producción se enfrentan al reto inevitable de mecanizarlos.

“Taladrar composites es un desafío enorme”, explica Eleanor Merson, dedicada a investigar el mecanizado de composites para SANDVIK COROMANT. “Es un material muy abrasivo, lo que significa que las fibras de carbono desgastan las brocas muy rápidamente. Además, una aeronave típica tiene decenas de miles de orificios”.

El grafeno y los cuasicristales

El reto del mecanizado también afecta a otros materiales que se encuentran actualmente en desarrollo. Los cuasicristales y el grafeno, p. ej., son potencialmente aún más prometedores para los diseñadores que buscan mayores niveles de resistencia. Hay quien pronostica que podrían llegar a revolucionar el diseño industrial.

En 2015, una empresa china integró granos de grafeno en sus teléfonos móviles para mejorar la conductividad; también se han moldeado esquirlas de cuasicristales para su uso en sartenes e instrumentos quirúrgicos de metal a fin de aumentar su durabilidad. Aunque todavía pueden faltar bastantes años para que surjan aplicaciones de ingeniería en la práctica, se están invirtiendo grandes cantidades en investigar el grafeno a medida que los desarrolladores se esfuerzan por hacer realidad todo su potencial. Sorprendentemente, pese a tratarse del material más fino del mundo (1 millón de veces más fino que un pelo humano), el grafeno es 200 veces más resistente que el acero.

Lógicamente, aunque la excitación en torno a estos materiales nuevos es notable, todavía se dedica mucho esfuerzo a continuar investigando cómo mejorar los materiales y las técnicas ya existentes. Por ejemplo, las aleaciones de aluminio de bajo peso han reemplazado al acero de alta resistencia en los sistemas parachoques de los automóviles, en los componentes de anillos de tope y en las vigas de intrusión. De manera similar, los motores aeronáuticos se benefician ahora de las aleaciones superduras resistentes a temperaturas extremas. El resultado es que estas aleaciones ayudan a mejora la transformación de la energía y a reducir el gasto en combustible.

Recubrimientos más duros que el acero

Con las mejoras en los materiales de los productos llega también la exigencia de un mayor rendimiento de las herramientas de corte. Los procesos de recubrimiento, como la deposición física de vapor (PVD) y la deposición química de vapor (CVD), permiten a los fabricantes de herramientas de corte endurecer la superficie de sus plaquitas de corte con una película extraordinariamente fina y resistente al calor. Para ayudar a ilustrar las posibles ventajas, consideremos una plaquita cuyo sustrato sea de metal duro, compuesto principalmente de carburo de tungsteno y cobalto.

“Si le añadimos una capa de entre 2 y 10 µm de PVD, la vida útil de la plaquita se multiplica por 100”, asegura Mats Ahlgren, experto en física de los materiales y director del departamento de PVD de Sandvik Coromant. “No solo se amplía enormemente la vida útil de la herramienta, sino que la productividad también aumenta gracias a la posibilidad de mecanizar con unos valores muy superiores de velocidad y de avance”.


Con la orientación de sus cristales en una dirección uniforme, Inveio™ -patentado por Sandvik Coromant en 2013- significa un paso gigante en cuanto a durabilidad y dureza

Las investigaciones más recientes de Sandvik Coromant se centran en incrementar aún más la dureza de los recubrimientos de las herramientas de corte para satisfacer la demanda creciente de materiales duraderos para las piezas.

“Últimamente hemos desarrollado todavía más nuestra capacidad de controlar el proceso de creación de recubrimientos nuevos”, explica Ahlgren. “Mediante el uso de microscopios podemos ver la estructura de la plaquita hasta un nivel de ampliación prácticamente atómico, lo que nos ayuda a estimar el potencial de las nuevas soluciones antes de seguir adelante con su desarrollo comercial íntegro”.

Para aportar un ejemplo reciente del éxito de la empresa en las actividades de I+D podemos mencionar el recubrimiento CVD Inveio™, patentado por Sandvik Coromant en 2013. Con la orientación de sus cristales en una dirección uniforme, Inveio significa un paso gigante en cuanto a durabilidad y dureza. Sus cristales unidireccionales agrupados densamente crean una barrera robusta hacia la zona de corte y la viruta, lo que mejora mucho la resistencia al desgaste en cráter y en incidencia. Un efecto adicional es la rápida dispersión del calor de la zona de corte, lo que contribuye a que el filo conserve su forma durante un mayor tiempo de corte.

Reciclaje a gran escala

Con el desarrollo de nuevos materiales surge la cuestión del reciclaje. En el caso de los materiales metálicos, las opciones de reciclaje son relativamente sencillas. Pero ¿qué pasa con los composites? Muchos de estos materiales se fabrican con aglutinantes de tipo adhesivo que son muy difíciles de separar y reutilizar.

Sin duda, se trata de un desafío que, además, se ha convertido en una fuerza impulsora en algunos sectores, como el del automóvil. En Europa, los gobiernos exigen que todos los vehículos se produzcan de tal manera que el 85 % de sus materiales se pueda reutilizar, requisito que está generando soluciones imaginativas. Ford, p. ej., al parecer ha empezado a usar paja de trigo y productos de soja en el diseño de sus interiores y está investigando la posibilidad de emplear cáscaras de coco, zanahorias y plásticos basados en el maíz. El plan de la empresa consiste en producir interiores que sean biodegradables en una proporción del 100 %.

“Encontrar materiales alternativos es una estrategia importante de la industria, al igual que crear procesos de sustitución y reciclado que sean rentables”, afirma Anna Hultin Stigenberg, experta principal de I+D en Sandvik Coromant. Hasta hace poco, Stigenberg presidía la Comunidad para el Conocimiento y la Innovación (KIC por sus siglas en inglés: Knowledge and Innovation Community) en el campo de las materias primas, que es un comité internacional e dirección que reúne más de 100 empresas y centros de investigación para promover el desarrollo de materiales sostenibles.

Soluciones a escala atómica

Junto con la sostenibilidad, otra tendencia para el futuro será el desarrollo de materiales a escala atómica, campo en el que entender las estructuras de los materiales y sus compuestos con un grado de detalle cada vez mayor podría conllevar avances enormes en sus prestaciones.

“Gracias a la ayuda de los microscopios modernos de alto aumento y a los cálculos mediante modelos computerizados, cada vez podemos diseñar mejor nuevos materiales a escala atómica”, afirma Stigenberg.

No es descabellado pensar que la resistencia de los composites podrá mejorar aún más en el futuro por medio del uso de fibras desarrolladas a una escala nanométrica. Los especialistas de la empresa química alemana Altana AG afirman, p. ej., que los minúsculos nanotubos de carbono pueden ser 400 veces más resistentes que el acero y 20 veces más resistentes que las fibras de carbono convencionales.

Lógicamente, resulta difícil prever con exactitud lo que el futuro le reserva a la comunidad industrial en lo que a materiales se refiere. Sin embargo, lo que sí se puede afirmar es que el efecto que ello tendrá sobre el desarrollo humano y la sociedad en su conjunto puede llegar a ser muy superior a lo que nos imaginamos hoy en día.