El diseño ligero es el futuro de la fabricación: reduce las emisiones de carbono y mejora el rendimiento de los componentes.
Los sustanciales beneficios medioambientales y económicos que se derivan de las innovaciones en el diseño de vehículos ligeros garantizan su continua importancia como área clave de inversión e investigación en muchas industrias, tanto en la actualidad como en los próximos años.
Este artículo presenta una visión general de los materiales, técnicas y soluciones futuras del diseño ligero.
Esencialmente, el diseño ligero es la práctica de reducir la cantidad de material de un componente, sin comprometer su fiabilidad o funcionalidad, para disminuir su peso total.
En la actualidad, los países de todo el mundo están imponiendo exigencias a todas las industrias para que reduzcan el consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero.
El diseño ligero pretende ofrecer a los fabricantes la solución necesaria para afrontar los retos del cambio climático, al tiempo que se consigue un rendimiento superior de los componentes y se prolonga la vida útil del producto.
Más comúnmente observado en las industrias automovilística y aeroespacial, el diseño ligero mejora la eficiencia del combustible y aumenta el rendimiento de aviones y vehículos eléctricos.
Sin embargo, cabe señalar que el diseño ligero también está impulsando la innovación en los sectores de la construcción, las energías renovables y la fabricación de productos electrónicos y eléctricos. Los componentes más ligeros reducen los costes de transporte y energía, y en todos estos sectores se adoptan métodos de producción más eficientes desde el punto de vista de los recursos.
Los materiales ligeros son aquellos que pueden utilizarse para reducir el peso del producto y mejorar sus prestaciones generales. El aligeramiento de materiales consiste en reducir el peso utilizando metales y no metales ligeros que cumplan los requisitos de rendimiento mecánico.
En el actual sector de fabricación de automóviles, los materiales ligeros incluyen principalmente aleaciones de aluminio, magnesio y titanio.
El aluminio se utiliza mucho en la industria del automóvil por sus propiedades de ligereza. Los analistas de la industria del automóvil sugieren que el uso de piezas de aleación de aluminio puede reducir el peso del vehículo hasta 50% sin sacrificar la seguridad ni el rendimiento.
La maleabilidad, durabilidad y ligereza del aluminio también lo convierten en un material popular para la fabricación de bienes de consumo, productos electrónicos y aviones.
A medida que continúen las tendencias de los vehículos híbridos y eléctricos, los fabricantes de automóviles seguirán considerando el aluminio como el material preferido por su bajo coste, alto rendimiento y excepcionales características de reducción de peso.
Las aleaciones de magnesio tienen la densidad más baja de todos los metales estructurales, siendo 33% más ligeras que el aluminio, 50% más ligeras que el titanio y 75% más ligeras que el acero, lo que puede reducir el peso de los componentes hasta en 70%.
El magnesio ha demostrado ser un material valioso para los ingenieros de diseño ligero. Es fácil de procesar, tiene una buena resistencia estructural y se utiliza mucho en las industrias automovilística y aeroespacial, así como en la fabricación de bienes de consumo. En el sector de la automoción, el magnesio se utiliza actualmente para la cadena cinemática o las carcasas de subcomponentes.
Su baja densidad y alta resistencia específica hacen que el magnesio se utilice como componente ligero en todo tipo de materiales, desde aviones y misiles hasta ordenadores portátiles y televisores. Además de componentes y elementos estructurales, actualmente se están desarrollando baterías basadas en magnesio para la industria del automóvil.
Un análisis de la US Automotive Materials Partnership indica que 113 kg de magnesio podrían sustituir a 226 kg de acero. 40 kg de magnesio podrían sustituir a 68 kg de aluminio. Esto supone una reducción del peso del vehículo de 15%.
China tiene previsto aumentar la cantidad de componentes de magnesio utilizados en la producción de vehículos hasta 45 kg por vehículo en 2030.
El mercado mundial de magnesio se valoró en $4,115 mil millones en 2019 y se espera que alcance $5,9281 mil millones en 2027. China produce alrededor de 85% del magnesio mundial.
El titanio tiene una excelente resistencia a la corrosión, propiedades antimagnéticas, buen blindaje contra campos eléctricos y electromagnéticos, resistencia a temperaturas extremas y mayor resistencia a la tracción que el acero, mientras que sólo pesa la mitad.
En los últimos años, la producción de aleaciones de titanio ha progresado notablemente. Se utilizan para fabricar álabes de turbinas, armazones de aviones, resistencias, placas de circuitos, instrumentos quirúrgicos, etc. La industria del automóvil fabrica aleación de titanio sistemas de escape, motores, transmisiones y bastidores.
Se espera que la demanda mundial de titanio aumente de $24.700 millones en 2021 a $33.500 millones en 2026.
A medida que diversas industrias se esfuerzan por crear componentes más ligeros para cumplir sus objetivos medioambientales, las técnicas de fabricación innovadoras impulsan este avance. Las empresas buscan nuevos métodos para fabricar componentes de bajo coste y alto rendimiento, y la fundición reticular está sustituyendo ampliamente a la fundición tixotrópica.
Una de las principales ventajas de la reo fundición es su capacidad para colar metales con una amplia gama de fracciones sólidas, produciendo de forma eficaz y económica piezas ligeras de gran resistencia y buena ductilidad.
Los avances en las tecnologías de fabricación aditiva (impresión 3D) han otorgado a los ingenieros una libertad de diseño sin precedentes. La fabricación aditiva permite a los fabricantes fabricar geometrías complejas a costes significativamente reducidos en comparación con las matrices tradicionales. técnicas de fundición.
También se utiliza para reducir el peso de las piezas transformando geometrías sólidas en estructuras huecas o sustituyendo estructuras sólidas por diseños de entramado interno. De hecho, en la actualidad existe una gama de piezas ligeras que solo pueden fabricarse mediante técnicas de fabricación aditiva.
El futuro del diseño ligero seguirá centrándose en el uso de aleaciones de aluminio, magnesio y titanio, pero también incorporará materiales compuestos como el carbono o polímeros reforzados con fibra de vidrio.
En la actualidad, muchas empresas se concentran en el desarrollo de piezas ligeras híbridas basadas en plásticos para las industrias aeroespacial y automovilística.
Las innovaciones en programas informáticos y tecnologías de fabricación aditiva permitirán desarrollar productos, piezas y estructuras más ligeros.
Los ingenieros pueden identificar las áreas en las que el peso puede reducirse de forma más eficaz utilizando software especializado, logrando la máxima optimización topológica para una serie de componentes. A continuación, los modelos digitales en 3D pueden probar el rendimiento de las piezas ligeras para determinar las mejores opciones de diseño.
El diseño biomímico y la biónica pueden representar el futuro del diseño ligero. Ingenieros y científicos fabrican componentes basados en estructuras ligeras y multifuncionales de la naturaleza.
Ejemplos de ello son el avión conceptual Airbus 2050, que ha adoptado un fuselaje basado en un esqueleto. Las investigaciones más recientes se centran en los exoesqueletos del plancton unicelular, las estructuras de panal, las estructuras del tallo de la hierba y las células epidérmicas y las alas de las mariposas.
Combinando la constante innovación tecnológica y científica con un conocimiento más profundo de la naturaleza, los fabricantes y las industrias seguirán desarrollando componentes más ligeros y resistentes para ayudar a la humanidad a alcanzar los objetivos compartidos de reducir las emisiones de CO2 y hacer frente al cambio climático.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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