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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 IbarraLuis Gerardo Villanueva Granados

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Ciencia de los Materiales

Caso 23.6.

Escriba un ensayo sobre el reemplazo de componentes metálicos deautomóvil 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?

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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 lasdimensiones se redujeron y por el otro se sustituyó el acero pormateriales de menor densidad, aluminio y plástico, básicamente.

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Así, llegamos a los modelos de la década de los 90’s en donde elpeso 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.

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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.

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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 losacrílicos, los policarbonatos, PVC y materiales compuestos, tienen aplicaciones importantes en esta industria.

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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.

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Plásticos vs. Metales

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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.

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PROPIEDADES PC/ASALa 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.

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PROPIDADES FISICASLa 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 puedenpasar 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.

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PROPIEDADES ELECTRICASLA aleación es básicamente aislante a la corriente eléctrica.

PROPIEDADES TERMICASSe pueden agregar retardantes a la flama en la aleación lo

que permite uso y aplicaciones que requieran de ésta característica.

PROPIDADES QUIMICASLa 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 lasaminas afectan al material debido al carbonato que tiene.

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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.

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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:

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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

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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 algunosvehículos acuáticos.

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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 ).

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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

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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..

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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.

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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.

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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.

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Aplicaciones:


- 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.

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Aplicaciones:


En esta caso este material cubre los niveles determinados de :-Temperatura de deflexión ( HDT ), donde el material se deflexiona0.25 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

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Aplicaciones:


-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.

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Aplicaciones:


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.

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Aplicaciones:

Palanca de velocidades

Podemos mencionar al nylon, ya quealrededor del 4.3% en peso del total deplásticos en el automóvil- el cual se emplea como soporte a los espejos laterales, volante de la dirección, tapasen las ruedas, etc.

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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 297ºCa 0,45 MPa

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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.

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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 decosto 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

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