CIQA | Centro de Investigación en Química Aplicada - Diseño y Modelado de Materiales Compuestos para el Sector Automotriz
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Diseño y Modelado de Materiales Compuestos para el Sector Automotriz

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Por: Dr. Jorge Enrique Rivera Salinas.

Catedrático CONACYT comisionado al CIQA.

La contaminación de los vehículos genera aproximadamente el 23% de las emisiones de CO2 a nivel global. Una de las estrategias del sector automotriz para disminuir la contaminación, es aumentar la eficiencia en el uso del combustible reduciendo el peso de los vehículos y/o buscando nuevas alternativas para impulsar los vehículos como es el caso de las baterías de litio e hidrógeno. La disminución de cada 100 kg de peso ahorra alrededor de 0.35 l/100 Km en combustible y reduce 8.4 g CO2/Km. En cualquiera de las opciones anteriores, la reducción del peso es fundamental para lograr disminuir la emisión de gases de escape o aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos ya que el peso también afecta el consumo de electricidad.

Para desarrollar vehículos a costo competitivo y que cumplan con las regulaciones de protección ambiental sin comprometer atributos de seguridad y desempeño, los fabricantes de vehículos OEM’s (Original Equipment Manufacturer, por sus siglas en inglés) están buscando utilizar nuevos materiales ligeros para reemplazar el acero convencional, por materiales como el acero avanzado, aleaciones de aluminio, aleaciones de magnesio, aleaciones de alta entropía, plásticos, materiales compuestos y la fibra de carbono, entre otros.

La introducción de nuevos materiales en el sector automotriz requiere de investigación y exploración exhaustiva tanto en el producto como en el proceso de manufactura, antes de que un nuevo material sea aprobado. Una manera relativamente simple y de bajo costo que apoya el desarrollo de materiales y también permite evaluar su desempeño en una pieza bajo condiciones de servicio, es hacer uso del análisis por simulación numérica, más comúnmente por el método de los elementos finitos. El diseño de materiales a través del modelado permite determinar si una decisión de ingeniería es viable estimando la calidad del producto y su ciclo de vida, antes de que el material sea fabricado.

El enfoque integrado de simulación empleado en el estudio de materiales ha derivado en una nueva subdisciplina en ciencia de materiales denominada: Ingeniería de Materiales Computacional Integrada (ICME, por sus siglas en inglés), la cual es una herramienta decisiva para mejoras en las características material-componente que conlleven al optimo desempeño de ambos.

Mediante la ICME se relacionan cuantitativamente la jerarquía de escalas micro a macro mediante la transferencia de información entre la microestructura del material compuesto y la pieza (bajo condiciones de servicio).

En el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA), a través del Laboratorio Nacional en Innovación y Desarrollo de Materiales Ligeros para el Sector Automotriz (LANIAUTO) del CONACYT, se realiza investigación en simulación de materiales y procesos, donde se abordan temas como la simulación multiescala para asistir el desarrollo y fabricación de materiales, principalmente (pero no exclusivos) compuestos de matriz polímero. Como ejemplo de estas capacidades, a continuación se muestran información relativa al estudio de los materiales a través de simulación.

La Figura 1 muestra la aplicación de la ICME en el desarrollo un material plástico reforzado con fibras cortas de vidrio. Se muestra la ruta experimental y su equivalente a través de modelado y simulación. La información geométrica de la microestructura y propiedades de los materiales constituyentes son utilizados en la predicción de las propiedades elásticas del material compuesto. Las propiedades predichas son input para determinar el desempeño del material en una pieza automotriz bajo condiciones de servicio. 
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Figura 1. Ejemplo de aplicación de la ICME.

Se observa que el resultado experimental y de simulación es el mismo ya que en ambos casos se determinó el máximo campo de esfuerzos mecánicos a los que se encuentra sujeta la pieza por las condiciones de servicio. Experimentalmente, la pieza fractura cerca de la pestaña de sujeción. A través de simulación, el campo de esfuerzos (en el punto de fractura experimental) supera el límite elástico del material, indicando que el material alcanzo el punto de falla. La principal ventaja de la simulación es que se pueden modificar fácilmente parámetros (fracción volumen y relación de aspecto del reforzante, entre otros), hasta definir la sinergia cercana al valor óptimo y obtener un mayor desempeño de la pieza. El desarrollo de materiales compuestos experimentalmente requiere de varios ciclos de iteración antes de encontrar la sinergia óptima. Lo anterior plantea un costo elevado y mayor tiempo de desarrollo ya que las herramientas sistemáticas de diseño, como los modelos de micromecánica para la predicción de las propiedades de materiales p.ej., el de Halpin-Tsai, Eshelby, Mori-Tanaka, Hashisn-Sthrikman entre otros, poseen limitaciones que no permiten explorar un amplio rango de posibilidades en el diseño del material. Con la simulación por elementos finitos, esas limitaciones disminuyen considerablemente y es posible predecir las propiedades de un material hasta un punto donde la sinergia está cercana al óptimo, y a partir de ello reducir la ventana experimental durante el desarrollo del material.

En la Figura 2 se muestra una esponja sintáctica matriz polimérica reforzada con fibra de vidrio. Se observa como la fracción volumen de las esferas de vidrio huecas aumenta el módulo de Young del compuesto al desplazar la carga externa aplicada en la microestructura hacia los reforzantes, que son las fibras. Cuando uno de los constituyentes es una esfera hueca, lograr desplazar la carga externa hacia los reforzantes es complicado empíricamente. Esto resulta en que la mayoría de los estudios encuentran una disminución de la propiedad mecánica en conjunto con la densidad por la adición de las esferas. A través de simulación es posible establecer la sinergia apropiada. 

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Figura 2.  Espuma sintáctica de matriz polimérica.

La Figura 3 muestra la efectividad como reforzante de partículas de SiC en una matriz de Aluminio de acuerdo con la morfología de las partículas. Se muestra la relación de carga en la partícula y la matriz () en función del contenido de refuerzo (). Se estudiaron morfologías angulares y circulares, las partículas de SiC de morfología angular mostraron soportar más carga que las circulares. Sin embargo, para contenidos bajos de reforzante la geometría no tienen un efecto apreciable en la transferencia de carga y por tanto la efectividad en ambas morfologías como reforzantes es la misma. Esta información permite determinar cuál morfología es la más apropiada de acuerdo con la aplicación del material. 

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Figura 3. Relación de esfuerzo en la partícula de matriz en función de la morfología de reforzante y su contenido.

Otro ejemplo del uso de la simulación se presenta en la Figura 4, donde se observa la distribución del flujo de calor a través de una espuma plástica. Esa distribución de energía térmica en el sólido y el aire atrapado en las celdas es promediada para obtener la conductividad térmica efectiva del material. Los materiales espumados se utilizan principalmente como aislantes térmicos, pero también son buenos aislantes del sonido y absorben grandes cantidades de energía durante su deformación por impacto. 
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Figura 4. Distribución de calor por conducción a través de una espuma polimérica.

Es importante mencionar que los modelos utilizados para la predicción de propiedades efectivas en materiales compuestos deben ser validados experimentalmente y verificados numéricamente. La validación y confiabilidad de los modelos deben probarse de manera rigurosa y exhaustiva ya que dichos modelos son utilizados como herramienta de predicción y diseño. Los modelos numéricos que se desarrollan dentro del grupo de trabajo de LANIAUTO por el Dr. Rivera, son validados comparando los resultados predichos contra valores medidos experimentalmente. Además, son verificados numéricamente para determinar que las soluciones obtenidas sean asintóticas y garantizar que los mecanismos fenomenológicos estudiados sean el producto de efectos reales.

Los ejemplos mostrados en este trabajo indican que haciendo uso de la simulación por elementos finitos se desarrollan materiales de mayor calidad a menor costo y tiempo de desarrollo. Además, se muestra que las soluciones planteadas en LANIAUTO son integradas ya que los estudios son abordados por un grupo multidisciplinario, con amplia experiencia en diversos campos de la ciencia para explorar con alto detalle fenómenos involucrados en el desarrollo de materiales. Lo anterior nos permite brindar soluciones a los  problemas de desempeño de materiales para el sector automotriz de manera efectiva.



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