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Jul 12, 2023

Trimestral de tecnología

Tecnología Trimestral Nuevos materiales para la fabricación Material

Trimestral de tecnología

Nuevos materiales para la fabricación.

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La ciencia de los materiales está transformando rápidamente la forma en que se fabrica todo, desde automóviles hasta bombillas, dice Paul Markillie

"Yo NO dependo de las cifras en absoluto", dijo Thomas Edison. "Hago un experimento y razono el resultado, de alguna manera, con métodos que no puedo explicar". Y así fue como al probar 1.600 materiales diferentes, desde fibra de coco hasta hilo de pescar e incluso un cabello de la barba de un colega, Edison finalmente encontró un tipo particular de bambú que podría usarse, en forma carbonizada, como filamento en la primera bombilla incandescente. Lo demostró en la víspera de Año Nuevo de 1879 en su laboratorio en Menlo Park, Nueva Jersey.

Los detalles de todo este meticuloso ensayo y error llenaron más de 40.000 páginas de los cuadernos de Edison, pero su solución pronto fue superada. A principios del siglo XX, los filamentos se fabricaban con tungsteno, que ardía con más intensidad y duraba más. Durante más de 100 años, el mundo estuvo iluminado por bombillas con filamentos de tungsteno, y la bombilla se convirtió en la forma abreviada de los dibujantes para la innovación de todo tipo.

Ahora las bombillas están siendo reemplazadas por diodos emisores de luz (LED), que son más eficientes para convertir la electricidad en luz que los filamentos y tienen una vida mucho más larga. Los LED aparecieron por primera vez en la década de 1960 como luces indicadoras en equipos eléctricos. Hoy proporcionan una potente iluminación para edificios, calles y automóviles. En las partes pobres del mundo, están alumbrando a personas que nunca han visto una bombilla anticuada.

Tanto la bombilla de luz de Edison como el LED son invenciones de la ciencia de los materiales, el proceso de convertir la materia en formas nuevas y útiles. Pero en los años entre ellos, tanto los materiales como la ciencia se volvieron mucho más complejos. Los materiales semiconductores, como el germanio o el silicio, a partir de los cuales se fabrican los LED, a menudo con la adición cuidadosa de átomos de alguna otra sustancia, requieren un enfoque diferente al de Menlo Park. El tipo de luz que producen está afinado por estructuras microscópicas y los detalles de esos átomos adicionales. Pace Edison, este tipo de cosas depende de muchas cifras, sin mencionar la teoría cuántica.

La capacidad de comprender las propiedades de los materiales en las escalas más pequeñas no solo permite que las personas hagan mejor las cosas viejas; les permite hacer cosas nuevas. En la época de Edison, el uso de la luz para enviar mensajes era competencia de las lámparas Aldis que enviaban mensajes en código morse de un barco a otro. Los diodos láser, dispositivos semiconductores diseñados para producir una luz mucho más pura que los LED, pueden encenderse y apagarse de forma controlada miles de millones de veces por segundo. En una asombrosa cantidad de aplicaciones en las que la información tiene que ir de A a B, ya sean puntos finales un DVD y un altavoz, un código de barras y una caja de supermercado o los dos extremos de un cable de fibra óptica transatlántico, los diodos láser están haciendo el trabajo. trabajar. A pesar de toda su aparente abstracción, el mundo virtual está construido sobre materiales muy reales y muy bien entendidos.

Esto es lo que algunos científicos describen como una "edad de oro" para los materiales. Están surgiendo nuevas sustancias de alto rendimiento, como aleaciones exóticas y compuestos superresistentes; Los materiales "inteligentes" pueden recordar su forma, repararse o ensamblarse en componentes. Pequeñas estructuras que cambian la forma en que algo responde a la luz o al sonido pueden usarse para convertir un material en un "metamaterial" con propiedades muy diferentes. Los defensores de la nanotecnología hablan de construir cosas átomo por átomo. El resultado es una avalancha de nuevas sustancias y nuevas ideas sobre formas de usarlas para mejorar las cosas viejas, y cosas nuevas que nunca antes se habían hecho.

Los departamentos de materiales universitarios están floreciendo, generando una cultura empresarial vibrante y produciendo una serie de innovaciones (ver el cuadro a continuación). Muchos de estos descubrimientos no lograrán pasar de la demostración de laboratorio a la propuesta comercial. Pero algunos podrían cambiar el mundo, como lo hicieron las bombillas.

Mas rápido, mas alto, más fuerte

La comprensión del mundo material proporcionada por un siglo de física y química explica gran parte del progreso cada vez más acelerado. Pero esto no es un simple triunfo de la teoría. Los instrumentos también importan. Máquinas como los microscopios electrónicos, los microscopios de fuerza atómica y los sincrotrones de rayos X permiten a los científicos medir y sondear materiales con mucho más detalle que nunca antes.

Un proyecto del Centro Internacional de Materiales Avanzados de la Universidad de Manchester muestra estos avances en acción. En uno de sus laboratorios, los científicos están utilizando la espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) para estudiar la forma en que los átomos de hidrógeno, los átomos más pequeños que existen, se difunden en materiales como el acero, un proceso que puede causar pequeñas grietas. SIMS funciona bombardeando una muestra con un haz de partículas cargadas, lo que hace que las partículas secundarias sean expulsadas de la superficie. Estos son medidos por una serie de detectores para crear una imagen con una resolución de hasta 50 nanómetros (mil millonésimas de metro). No solo revela la estructura cristalina del metal, y cualquier defecto que tenga, sino que también determina las impurezas químicas, como la presencia de hidrógeno. "Ahora podemos hacer en una tarde lo que antes hacíamos en meses", dice Paul O'Brien, profesor de la universidad. La esperanza es que BP, la compañía petrolera que patrocina el centro, obtenga mejores aceros para su trabajo en alta mar y de procesamiento como resultado.

Además de contar con instrumentos cada vez mejores, los investigadores también se benefician de un aumento masivo en la potencia informática disponible. Esto les permite explorar en detalle las propiedades de los materiales virtuales antes de decidir si intentan hacer algo con ellos.

"Estamos saliendo de una era en la que éramos ciegos", dice Gerbrand Ceder, experto en baterías de la Universidad de California, Berkeley. Junto con Kristin Persson, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, el Sr. Ceder fundó Materials Project, una empresa de acceso abierto que utiliza un grupo de supercomputadoras para compilar las propiedades de todos los compuestos conocidos y previstos. La idea es que, en lugar de buscar una sustancia con las propiedades deseadas para un trabajo en particular, los investigadores pronto podrán definir las propiedades que requieren y sus computadoras les proporcionarán una lista de candidatos adecuados.

Su punto de partida es que todos los materiales están hechos de átomos. El comportamiento de cada átomo depende del elemento químico al que pertenece. Todos los elementos tienen propiedades químicas distintas que dependen de la estructura de las nubes de electrones que forman las capas externas de sus átomos. A veces, un átomo emparejará uno de sus electrones con un electrón de un átomo vecino para formar un "enlace químico". Estos son el tipo de conexiones que dan estructura a las moléculas ya algunos tipos de material cristalino, como los semiconductores. A otros tipos de átomos les gusta compartir sus electrones más ampliamente. En un metal los átomos comparten muchos electrones; no hay enlaces (lo que hace que los metales sean maleables) y las corrientes eléctricas pueden correr libremente.

Cuando se trata de hacer enlaces químicos, un elemento, el carbono, está en una liga propia; a partir de él se puede formar un número más o menos infinito de moléculas distintas. Los químicos llaman orgánicas a estas moléculas basadas en el carbono y han dedicado toda una rama de su materia, la química inorgánica, a ignorarlas. El Proyecto de Materiales del Sr. Ceder se asienta en ese dominio inorgánico. Ha simulado unos 60.000 materiales, y dentro de cinco años debería llegar a los 100.000. Esto proporcionará lo que las personas que trabajan en el proyecto llaman el "genoma de los materiales": una lista de las propiedades básicas (conductividad, dureza, elasticidad, capacidad para absorber otros productos químicos, etc.) de todos los compuestos en los que se pueda pensar. "En diez años, alguien que se dedique al diseño de materiales tendrá todos estos números disponibles e información sobre cómo interactuarán los materiales", dice el Sr. Ceder. "Antes, nada de esto existía realmente. Todo era prueba y error".

Un recorrido por los laboratorios de General Electric (GE), la empresa en la que se fusionaron los negocios de prueba y error de Edison en 1892, muestra enfoques similares que ya están en la práctica. Michael Idelchik, director de GE Research, apunta a nuevos granates artificiales desarrollados para su uso en escáneres corporales. Los escáneres tienen que convertir los rayos X en luz visible para crear imágenes, y cuanto mejor lo hagan, menor será la dosis de rayos X a la que se expone el paciente. La compañía analizó 150 000 tipos sutilmente diferentes de cristal que centellean cuando se someten a rayos X antes de decidirse por un tipo específico de granate que, espera, hará que los escaneos sean mucho más rápidos, más seguros y agradables para el paciente, más rentables para el hospital.

Además de las posibilidades que ofrecen los materiales individuales, se encuentra el mundo potencialmente aún más rico de combinarlos. En otras partes del imperio, el trabajo de Idelchik se centra en reemplazar las piezas de aleación de níquel para motores a reacción con piezas hechas de compuestos de matriz cerámica (CMC). Sus fuertes enlaces químicos significan que la cerámica puede soportar más calor que los metales; al mismo tiempo, y por razones relacionadas, son más frágiles. Un CMC que combina un metal con una cerámica (GE usa carburo de silicio) puede brindarle lo mejor de ambos mundos. La compañía espera que los CMC que necesitan menos refrigeración se traduzcan en motores más eficientes que emitan menos dióxido de carbono.

El poder de cómputo ayuda a crear tales híbridos. También ayuda a los diseñadores a comprender cómo se pueden utilizar mejor estos materiales novedosos. Muchos prototipos ahora se producen en forma virtual mucho antes de que se fabrique un artículo físico, usando software de compañías como Altair, una firma de Michigan, Autodesk, una de California (ver la entrevista "Escáner cerebral" más adelante en este informe) y Dassault Systèmes. , un grupo francés. Los ingenieros pueden modelar una planta química, los arquitectos pueden "pasar" a los clientes a través de una representación digital de un edificio, y los automóviles pueden probarse virtualmente en diferentes caminos y estacionarse junto a los vehículos de los rivales en escenas callejeras.

Todo esto acelera enormemente el desarrollo de productos. El software es lo suficientemente potente como para tener en cuenta las propiedades de los materiales utilizados, lo que le permite calcular cosas como cargas, tensiones, dinámica de fluidos, aerodinámica, condiciones térmicas y mucho más.

Los fabricantes apenas comienzan a darse cuenta del potencial que esto ofrece, dice Jeff Kowalski, director de tecnología de Autodesk. Muchas empresas simplemente adaptan piezas para usar nuevos materiales, esperando producirlas con las mismas herramientas y procesos que antes. Eso da "resultados deficientes", reconoce. Cuando se utilizan nuevos materiales para redefinir los procesos de producción y permitir tipos de productos completamente nuevos, las cosas se vuelven realmente innovadoras y los dibujantes dibujan bombillas sobre las cabezas de las personas.

solo la cosa

Los negocios se dirigen hacia un mundo de "diseño generativo", dice el Sr. Kowalski: los ingenieros establecerán lo que quieren lograr y la computadora proporcionará diseños que se ajusten a ese propósito. A medida que crece el conocimiento de los materiales, las computadoras también encontrarán materiales que cumplan con las propiedades especificadas por un diseñador. Las propiedades de los materiales pueden incluso variar a lo largo y ancho, porque cada vez es más fácil jugar con la microestructura. Algunas empresas ya están en camino de ofrecer tal sastrería de materiales de Savile Row.

La ingeniería a nivel molecular mejora los materiales antiguos y crea otros nuevos

Las NANOPARTÍCULAS a menudo se consideran un nuevo invento hecho por el hombre, pero existen desde hace mucho tiempo en la naturaleza: la sal del mar y el humo de los volcanes se pueden encontrar en la atmósfera en forma de nanopartículas. Lo que interesa a los científicos de materiales es que con las modernas técnicas de procesamiento es posible convertir muchos materiales a granel en nanopartículas, medidas como 100 nanómetros (mil millonésima parte de un metro) o menos. La razón para hacerlo es que las nanopartículas pueden adquirir propiedades nuevas o muy mejoradas debido a la mecánica cuántica y otros efectos. Esto incluye características físicas, químicas, mecánicas y ópticas únicas que están relacionadas con el tamaño de las partículas. Los ingenieros pueden capturar algunas de esas propiedades incorporando nanopartículas en sus materiales.

Christina Lomasney, física, está utilizando nanopartículas para fabricar nanolaminados, una clase de material completamente nueva. Es cofundadora de Modumetal, una firma de Seattle que desarrolla un tipo de deposición electrolítica. Esto funciona un poco como la galvanoplastia, en la que un metal, generalmente en forma de sal, se suspende en un líquido y se deposita sobre un componente cuando se aplica una corriente eléctrica.

Modumetal ha ideado una manera de hacer esto con gran precisión, usando una variedad de metales en el líquido. Mediante la manipulación cuidadosa del campo eléctrico, construye revestimientos de diferentes metales sobre una superficie y controla cómo interactúan esas capas entre sí. "En efecto, cultivamos un material, controlando su composición y microestructura", dice la Sra. Lomasney. La empresa cree que puede hacerlo a escala industrial, de forma económica y con materiales convencionales, como acero, zinc y aluminio.

Sus primeros productos, varias bombas, válvulas y sujetadores, se tratan con capas resistentes a la corrosión que son más duraderas que los tratamientos convencionales y duran hasta ocho veces más. Algunas de ellas ya están siendo utilizadas por empresas de petróleo y gas. Modumetal ahora está expandiendo la producción y, con el tiempo, planea no solo recubrir las estructuras, sino también hacerlas crecer.

Una de las aplicaciones más importantes para la ingeniería de la microestructura de los materiales se encuentra en las baterías. Estos han sido hechos de varios materiales, como plomo-ácido y níquel-cadmio. Además de ser altamente tóxicos, algunos de estos ingredientes también son voluminosos y pesados, por lo que los teléfonos móviles en la década de 1980 eran como ladrillos. La batería recargable de iones de litio ayudó a adelgazarlos.

Los científicos habían estado trabajando en el uso de litio como material para baterías durante décadas, porque es liviano y altamente conductivo. La parte difícil fue pasar del laboratorio a la producción a gran escala. El litio es inherentemente inestable, por lo que en lugar de utilizar el material en su forma metálica, los investigadores recurrieron a compuestos más seguros que contienen iones de litio. En 1991, Sony lanzó con éxito una versión comercial de la batería de iones de litio, lo que ayudó a transformar los dispositivos electrónicos de consumo portátiles.

Estas baterías ahora alimentan todo tipo de dispositivos, no solo teléfonos inteligentes y computadoras portátiles, sino también herramientas eléctricas, automóviles eléctricos y drones. Las fallas de fabricación y la sobrecarga pueden hacer que se sobrecalienten e incluso se incendien, pero después de una serie de retiros tempranos de baterías de computadoras portátiles y una serie de incendios en automóviles y aviones, los fabricantes ahora parecen haber superado estos problemas.

Sin embargo, la búsqueda de una batería mejor continúa. Para algunas aplicaciones, como los automóviles eléctricos, esto sería transformador. Hasta hace poco, la batería de un coche eléctrico podía costar entre 400 y 500 dólares por kilovatio hora, lo que representa quizás el 30 % más o menos del coste total del vehículo, pero los costes están cayendo (ver gráfico). En octubre, General Motors dijo que esperaba que la batería de su nuevo auto eléctrico Chevy Bolt, que saldrá a la venta en 2016, costara alrededor de $145 por kilovatio hora. La industria cree que una vez que el costo baje a alrededor de $ 100 por kilovatio hora, los vehículos eléctricos se convertirán en la corriente principal porque podrán competir con los automóviles de gasolina de todos los tamaños sin subsidio.

Llegar allí requerirá algo de ciencia de materiales inteligente. Las baterías de iones de litio generalmente se fabrican como una estructura laminada con un material llamado electrolito en su centro, generalmente una sustancia líquida o similar a un gel a través de la cual los iones de litio se transportan de un lado a otro entre los electrodos.

Las baterías de iones de litio han ido mejorando constantemente. Jeffrey "JB" Straubel, director de tecnología de Tesla, un fabricante californiano de autos eléctricos, dice que las celdas de la batería del Modelo S actual de la compañía están hechas con equipos similares a los que se usaron hace una década para el primer auto de la empresa, el Roadster. Pero con la mejora de la química y las técnicas de producción, la energía almacenada en ellos ha aumentado en un 50 %. Tesla se asoció con su proveedor japonés de baterías, Panasonic, para construir una fábrica de $ 5 mil millones en Nevada que debería reducir los costos de las baterías de los automóviles. También fabricará una nueva batería Tesla llamada Powerwall (en la foto), que se puede usar para almacenar la electricidad solar generada en el hogar.

Ponlo en delgado

Otras empresas están buscando un cambio más radical en la tecnología. Una de ellas es Sakti3, una startup de Michigan, que intenta comercializar una batería de iones de litio con electrolito sólido. Ya existen baterías de litio de estado sólido, pero principalmente en forma de copias de seguridad del tamaño de una moneda en los circuitos eléctricos. Ampliar los procesos de producción para hacerlos lo suficientemente grandes como para alimentar dispositivos como teléfonos sería terriblemente costoso.

Sakti3, sin embargo, ha encontrado una manera de hacer una batería de litio sólido con un proceso de deposición de película delgada, una técnica que ya se usa ampliamente para producir cosas como paneles solares y pantallas planas. "La tecnología de estado sólido ofrecerá aproximadamente el doble de densidad de energía, es decir, el doble de tiempo de conversación en su teléfono; el doble de alcance en su automóvil eléctrico", dice Ann Marie Sastry, directora ejecutiva de la empresa. Las celdas de la batería también tendrán una larga vida útil y serán más seguras, agrega.

Entonces, ¿por qué la técnica no se ha utilizado antes para fabricar baterías? La supuesta ventaja de la empresa es saber qué materiales usar y cómo hacer que el proceso sea rentable. Todo, incluida la física complicada, se resolvió y se probó exhaustivamente virtualmente antes de que la empresa construyera una línea de producción piloto. La Sra. Sastry explica que a medida que la empresa seleccionaba materiales y desarrollaba procesos, las pruebas de la computadora virtual le permitieron pronosticar el costo de aumentar la producción. Cuando se construyen en grandes volúmenes, las baterías de estado sólido deberían costar alrededor de $ 100 por kilovatio hora, y hay margen para mejoras adicionales.

Inicialmente, Sakti3 espera que sus celdas de estado sólido se utilicen en productos electrónicos de consumo, lo que parece más probable desde que Dyson, un fabricante británico de electrodomésticos, compró la empresa por 90 millones de dólares en octubre. Dyson, que inventó la aspiradora sin bolsa, se está expandiendo a la robótica doméstica, para lo cual considera que necesita buenas baterías. Pero con más ingeniería, las baterías también podrían migrar a los autos eléctricos y al almacenamiento en la red. Varios grupos de investigación de todo el mundo esperan avances en baterías, incluido 24M, una empresa emergente de Massachusetts, que utiliza nanotecnología para desarrollar lo que llama una batería de iones de litio "semisólida" rentable.

"Creo que las baterías cambiarán el mundo", dice Ceder en Berkeley, "y eso es puramente una cuestión de materiales". Ha trabajado en casi todas las tecnologías de baterías, pero el litio sigue siendo su favorito, sobre todo porque se ha puesto mucho esfuerzo en él. Una vez que la industria ha invertido mucho en una tecnología en particular, el costo irrecuperable le da a los materiales establecidos una gran ventaja. "Pero eso no significa que no intentaremos encontrar nuevos materiales", agrega.

Hay un paralelo aquí con el silicio. Este no es el mejor semiconductor, pero está fácilmente disponible, es barato y se entiende bien, y se ha construido toda una industria de fabricación de chips a su alrededor. Lo que ha impulsado la industria es la ley de Moore: la duplicación de la potencia informática en un chip cada dos años sin coste adicional. Propuesta en 1965 por Gordon Moore, uno de los fundadores de Intel, la ley se ha mantenido vigente desde entonces. Pero algunos piensan que está llegando a su fin a medida que las características empaquetadas en un chip se acercan al tamaño de los átomos. A esta escala, comienzan a surgir problemas como fugas de energía e inestabilidad. Un día, el silicio bien puede dar paso a otros materiales que prometen propiedades eléctricas superiores, como el arseniuro de galio, el trisulfuro de titanio o posiblemente el grafeno.

tesoro no reclamado

Muy publicitado como un "material maravilloso", el grafeno es una forma de carbono descubierta en 2004 en la Universidad de Manchester en Gran Bretaña por Andre Geim y Kostya Novoselov, quienes ganaron el premio Nobel de física por su trabajo. Es uno de una serie de materiales bidimensionales, llamados así porque tienen solo un átomo de espesor. Muchos investigadores y nuevas empresas se han pasado al grafeno porque es extremadamente ligero pero fuerte; es transparente; y se puede hacer que funcione como un semiconductor. Sin embargo, hasta ahora, la mayor parte del grafeno se usa en laboratorios de investigación, que todavía están buscando una "aplicación asesina". Además de los chips de computadora, los usos potenciales podrían incluir membranas para la purificación del agua, células solares más eficientes y electrodos invisibles en el vidrio. Mientras tanto, sin embargo, el carbono en otras formas ya es un gran negocio en dos de las industrias manufactureras más grandes del mundo.

Los compuestos de fibra de carbono están simplificando el trabajo de los aviones, y ahora también de los automóviles

EL edificio central de la fábrica de automóviles de BMW en Leipzig es una estructura sorprendentemente moderna de Zaha Hadid, una arquitecta reconocida por sus diseños neofuturistas. La fábrica produce una variedad de vehículos, por lo que no sorprende encontrar un grupo de robots en un área, moviéndose en perfecta sincronía mientras ensamblan las secciones de la carrocería con una precisión que ningún ser humano podría esperar igualar. Pero el lugar está inusualmente tranquilo, sin máquinas troqueladoras de metal ni lluvias de chispas de soldadura. La pista de lo que está pasando es el color de los componentes. En lugar del plateado habitual del acero o el aluminio, estas piezas son negras. Están hechos de un material compuesto llamado fibra de carbono.

Esta fábrica también es diferente en otros aspectos. "No soldamos; no tenemos remaches, ni tornillos ni pernos. Simplemente pegamos los componentes", dice Ulrich Kranz, jefe de la división que desde 2013 fabrica los vehículos eléctricos e híbridos i3 e i8 de BMW en Leipzig. Dado que la carrocería de fibra de carbono proporciona resistencia al vehículo, los paneles exteriores son principalmente decorativos y están hechos de plástico. Estos son fáciles de rociar en una pequeña cabina de pintura, mientras que el metal requiere un elaborado tratamiento anticorrosión en un taller de pintura gigante y costoso. En total, la fábrica i3 utiliza un 50 % menos de energía y un 70 % menos de agua que una instalación convencional.

La serie i son automóviles de lujo, pero aún se producen en volumen. BMW ha logrado tomar un nuevo material utilizado hasta ahora en aplicaciones especializadas de bajo volumen, como la industria aeroespacial y de defensa, y convertirlo en algo parecido a la producción en masa. Eso requería cambios radicales. Cuando en 2007 la junta directiva de BMW le pidió a Kranz que ideara un automóvil urbano eléctrico y un sistema de producción de bajo consumo de energía, él y su equipo se escondieron para permitir que las ideas fluyeran libremente.

El material elegido por Kranz fue la fibra de carbono, sobre todo para compensar el peso de la batería. El material está hecho de finos filamentos de carbono tejidos en una tela. Esto se corta y se presiona en la forma de una pieza y las fibras se unen con una resina plástica, curada por calor y presión. La estructura molecular de los compuestos de carbono produce fuertes enlaces químicos, muy parecidos a los de los diamantes, y al alinear las fibras en diferentes ángulos, la fuerza de un componente puede reforzarse exactamente donde se necesita.

La estructura resultante, aunque más resistente que el acero, es al menos un 50 % más ligera y también un 30 % más ligera que el aluminio. Tampoco se corroe. Pero en el pasado el proceso de producción era costoso, lento y laborioso. Puede que eso no importe demasiado cuando se fabrican aviones de combate o autos de carreras de Fórmula 1. Pero incluso los fabricantes de aviones tuvieron que acelerar las cosas y reducir los costos cuando comenzaron a fabricar aviones de pasajeros con fibra de carbono.

Actualmente, la fibra de carbono constituye aproximadamente la mitad del peso de aviones como el Boeing 787 Dreamliner o el Airbus A380 y A350. Los aviones más ligeros queman menos combustible y, por lo tanto, tienen menos emisiones. También pueden transportar más pasajeros y volar más lejos. También hay economías en la fabricación, porque se pueden fabricar grandes secciones de la aeronave de una sola vez en lugar de tener que unir muchos paneles de aluminio más pequeños. Los fabricantes de aeronaves han encontrado formas de acelerar parte del proceso de producción, pero aún es demasiado lento y costoso para los fabricantes de automóviles de gran volumen.

La respuesta que se le ocurrió a BMW fue un tipo diferente de fábrica y una nueva cadena de suministro. Comienza en Otake, Japón, con una empresa conjunta entre el grupo SGL, otra empresa alemana, y Mitsubishi Rayon. Esto produce lo que se llama un precursor, un termoplástico de poliacrilonitrilo, que se parece un poco a un hilo de pescar enrollado en carretes grandes. Esto se envía a través del Pacífico a Moses Lake en el estado de Washington, el sitio de otra empresa conjunta, esta entre BMW y SGL. Se eligió la ubicación porque utiliza energía hidroeléctrica libre de emisiones generada localmente.

alfombra negra

El precursor pasa a través de una serie de etapas de calentamiento en las que se carboniza en filamentos ennegrecidos de solo alrededor de 7 micrómetros (millonésimas de metro) de diámetro. Unos 50.000 de estos filamentos se agrupan en una hebra más gruesa y se enrollan en bobinas, como un hilo en una fábrica textil. Los remolques, como se denominan los hilos carbonizados, luego cruzan el Atlántico hacia otra empresa conjunta BMW-SGL, en Wackersdorf, cerca de Múnich. Aquí se tejen en láminas y se apilan en capas que se asemejan a alfombras.

Cuando las pilas llegan a la fábrica de Leipzig, se calientan y prensan en una "preforma" tridimensional. Varias preformas se colocan juntas para formar grandes estructuras, que juntas se prensan nuevamente, pero esta vez se inyecta resina en el molde, uniendo y curando el componente final dentro de la herramienta de prensado. Esto suele ocurrir en cuestión de minutos, aunque en algunas fábricas aeroespaciales el curado puede llevar la mayor parte del día y requiere un horno presurizado llamado autoclave. Los robots mueven las piezas y las pegan para formar la estructura de la carrocería principal del automóvil. Más adelante en la línea de producción, la carrocería se acopla al módulo de accionamiento, que incorpora un chasis de aluminio, un motor eléctrico, una batería y otros componentes.

Kranz espera que la fibra de carbono se use más ampliamente en los automóviles, pero cree que siempre contendrán una combinación de materiales. El nuevo automóvil ejecutivo de la serie 7 de BMW ahora también tiene algunas piezas de fibra de carbono. Otros fabricantes de automóviles están comenzando a usar el material, y Apple, que ha insinuado que planea construir un automóvil eléctrico, habría estado hablando con BMW sobre la construcción con fibra de carbono. Anthony Vicari, analista de Lux Research, una consultora de Boston, predice que para mediados de la década de 2020, la fibra de carbono se adoptará ampliamente en la fabricación de automóviles.

Pero no sin una batalla. Al igual que en otras industrias, los materiales tradicionales también están mejorando. Los proveedores de aluminio están desarrollando nuevas aleaciones. “El aluminio es el titular y estos muchachos están presionando como locos o perderán toda su industria”, señala Jean Botti, director técnico de Airbus. Alcoa, un productor líder de aluminio, está desarrollando una serie de aleaciones ligeras. Uno de ellos, Micromill, es más fácil y rápido de moldear en formas complejas. Ford ha comenzado a usarlo para reemplazar algunos componentes de acero en sus camionetas F-150, uno de sus modelos más vendidos en Estados Unidos.

El resultado es que a los fabricantes se les ofrece una variedad más amplia de materiales que antes, dice el Sr. Botti. La fibra de carbono ha hecho maravillas en la industria aeroespacial, reconoce, pero se usa principalmente en los aviones más grandes y de largo alcance, de los cuales solo se pueden construir unos pocos cada mes. Para aumentar el uso de fibra de carbono en aviones más pequeños, las empresas aeroespaciales tienen que acelerar la producción y reducir aún más los costos, pero "estamos pensando en nuevas técnicas que podrían reducir enormemente el costo de la fibra de carbono". Tanto Airbus como Boeing tienen planes de aumentar la producción de sus aviones de corta distancia, los A320 y los 737, respectivamente, a la sorprendente cifra de 60 o más por mes para cumplir con los pedidos atrasados. Aún así, advierte, las empresas siempre deben tener cuidado de seleccionar el mejor material para un trabajo en particular. Si Airbus fuera a reemplazar el A320 con un nuevo modelo, dice, tendría que mirar detenidamente para ver si la fibra de carbono proporcionaba el mejor valor en un avión de corta distancia.

Airbus también está desarrollando sus propios materiales nuevos. Uno de ellos es una aleación patentada de aluminio, magnesio y escandio llamada Scalmalloy. Es particularmente bueno para fabricar componentes livianos de alta resistencia. Está siendo comercializado por una filial de Airbus y ya se utiliza en algunos coches de carreras. En forma de polvo, Scalmalloy también se puede emplear en una forma revolucionaria de fabricación que es ideal para trabajar con muchos materiales nuevos: la fabricación aditiva, conocida popularmente como impresión 3D.

La fabricación aditiva es una forma perfecta de utilizar nuevos materiales

Los FABRICANTES DE AUTOMÓVILES pueden pasar un año construyendo un prototipo funcional para un automóvil nuevo. Configurar máquinas para una producción de uno es laborioso y costoso, ya que gran parte del trabajo se realiza a mano. Pero los investigadores en Tennessee tienen un sistema automatizado cariñosamente conocido como BAAM (fabricación aditiva de área grande). La mayoría de la gente lo llamaría impresora 3D, aunque es particularmente grande, y se usa para imprimir automóviles.

Los investigadores trabajan en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, que está explorando una serie de métodos de fabricación avanzados. BAAM fue improvisado a partir de varias partes del kit de fábrica en asociación con Cincinnati Inc, una empresa de máquinas-herramienta. En un experimento, hizo la mayor parte de la carrocería y el chasis de una réplica eléctrica de un Shelby Cobra, un automóvil deportivo clásico de la década de 1960. Las piezas impresas que se instalaron en el vehículo se construyeron con una mezcla de 80 % de polímero y 20 % de fibra de carbono y pesaban apenas 227 kg. El equipo tardó solo seis semanas en diseñar, imprimir y ensamblar el automóvil.

Algunas empresas, como Local Motors, una empresa con sede en Phoenix, están utilizando tecnologías aditivas para fabricar tiradas limitadas de automóviles, pero la impresión 3D sigue siendo demasiado lenta para los vehículos producidos en masa. Aun así, se convertirá rápidamente en parte de la industria automotriz, dice Thom Mason, director de Oak Ridge, no solo para la creación de prototipos o la personalización de vehículos, sino también para la fabricación de moldes, herramientas y troqueles. Ese negocio se había deslocalizado en gran medida a países con salarios bajos. "Ahora podemos imprimir estas cosas de la noche a la mañana", explica el Sr. Mason.

Hacer cosas con impresoras 3D ha capturado la imaginación del público. En los últimos años, el hardware y el software mejorados han convertido la tecnología básica, que tiene unos 20 años, en una amplia variedad de procesos diferentes. Todos se basan en la construcción de capas de material de forma aditiva, utilizando plásticos, metales, cerámicas e incluso materias primas biológicas. Tales impresoras van desde máquinas de escritorio que cuestan unos pocos miles de dólares hasta monstruos descomunales para imprimir piezas de metal que cuestan más de un millón de dólares.

El tamaño de lo que se podía imprimir solía depender de lo que cabía dentro de la máquina. Ahora, algunas impresoras, como BAAM, están saliendo de la caja, por así decirlo. MX3D, una startup holandesa, planea imprimir un puente peatonal de 15 metros (49 pies) a través de un canal, utilizando robots equipados con equipos de impresión de acero. Winsun, una empresa china, utiliza una mezcla de cemento de secado rápido y residuos de construcción reciclados para imprimir secciones prefabricadas de edificios, y Achim Menges, de la Universidad de Stuttgart, está imprimiendo hilos de fibra de carbono para fabricar estructuras arquitectónicas únicas, como pabellones ( en la foto).

Único en su clase

Una ventaja de producir algo de forma aditiva es que el material se deposita solo donde se necesita, por lo que se desperdicia poco. En la fabricación tradicional, quizás se corta el 80% del material. Además, el software utilizado para diseñar un producto también puede ejecutar la impresora. Y el software es fácil de modificar, por lo que se puede producir un diseño diferente cada vez sin tener que reiniciar las máquinas. La técnica también se presta a la creación de formas complejas en nuevos materiales que pueden conducir a ganancias dramáticas de rendimiento. Y aunque la impresión 3D sigue siendo lenta en comparación con los procesos de producción en masa, como el prensado de acero y el moldeo por inyección de plástico, en algunas industrias eso puede no importar demasiado.

"Las técnicas aditivas le brindan un grado de libertad completamente nuevo", dice el Sr. Idelchik de GE Research. La empresa ha gastado 50 millones de dólares en la instalación de una instalación de impresión 3D en una planta de Auburn, Alabama, para producir boquillas de combustible para el nuevo motor a reacción LEAP que está fabricando en colaboración con Snecma, una empresa francesa. GE comenzará imprimiendo 1.000 inyectores al año, pero eventualmente el número podría llegar a 40.000. La boquilla de combustible de un motor a reacción es una pieza compleja que tiene que soportar altas temperaturas y presiones. Normalmente está hecho de 20 componentes diferentes. En cambio, GE imprime la pieza de una sola vez, con un láser que fusiona capas de una "súper aleación" en polvo compuesta de cobalto, cromo y molibdeno. La boquilla resultante es un 25 % más ligera y cinco veces más duradera que la anterior, y es posible que los métodos de fabricación convencionales no hayan sido capaces de hacer frente al material en absoluto.

"La fabricación aditiva definitivamente ganará mucho terreno a expensas de los procesos existentes", dice Henrik Runnemalm, jefe de motores de GKN Aerospace, una empresa británica. Algunos de los componentes impresos en 3D de GKN ya están en aviones y motores a reacción. La tecnología también se utiliza junto con las técnicas tradicionales. El Sr. Runnemalm cita un ejemplo en el que se funde un alambre fino de material para crear formas en un componente que se ha fundido de manera convencional. En otro proceso más, una impresora 3D crea un componente en su "forma casi neta" (cerca de su forma final), que luego se termina de manera convencional con máquinas herramienta.

La fabricación aditiva tiene mucho potencial, sobre todo porque puede cambiar las propiedades de los materiales a medida que avanza. En Oak Ridge, los investigadores están trabajando para especificar la estructura cristalina de un metal en diferentes partes de un componente mediante el ajuste fino del calor a medida que se acumulan las capas, con la esperanza de obtener diferentes características de rendimiento. "Esto es totalmente nuevo", dice el Sr. Mason. "Es una de esas cosas que no está en nuestro vocabulario de diseño en este momento".

La impresión 3D es capaz de hacer aún más. Los nanolaminados de Modumetal también se producen mediante fabricación aditiva. El proceso se lleva a cabo cerca de la temperatura ambiente, lo que significa que se podría agregar metal a una forma de plástico impresa en 3D, creando compuestos híbridos de plástico y metal, dice la Sra. Lomasney. Y el proceso podría funcionar a la inversa, disolviendo el metal en un componente nuevamente en una solución para que pueda usarse nuevamente. "No nos hemos metido en el negocio del reciclaje porque todavía no nos devuelven las piezas", explica la Sra. Lomasney, "pero en teoría es posible". Con muchos materiales nuevos, el reciclaje puede convertirse en un requisito esencial.

Aunque el reciclaje se volverá más complicado, una variedad mucho más amplia de materiales transformará la fabricación.

Los FABRICANTES están sometidos a una presión cada vez mayor para que asuman la responsabilidad del ciclo de vida de sus productos. Esto implica la obligación de considerar todos los efectos energéticos, ambientales y de salud de cada etapa, desde la extracción de materiales hasta la producción, distribución y, eventualmente, reciclaje o eliminación. A medida que los materiales se vuelven más complejos, eso se vuelve más complicado.

La forma tradicional de medir qué efectos tendrá un nuevo material en el resto del mundo es basarse en los elementos. Si algo tiene plomo, por ejemplo, probablemente no sea bueno para usted. Si tiene un poco de manganeso, probablemente sea seguro. "Eso es tan anticuado", dice el Sr. Ceder de Berkeley. "Muy a menudo, lo que estas cosas le hacen a tu cuerpo depende de la forma, no de la química".

Eso hace que las nanopartículas sean particularmente difíciles. Se están realizando muchas investigaciones sobre sus implicaciones ambientales y para la salud, pero muchas de ellas no son concluyentes. Un gran estudio de cinco años de nanopartículas dirigido por la Fundación Nacional de Ciencias de Suiza se publicará en 2016. Un ejemplo de su trabajo, de Australia, ilustra las preocupaciones.

Al ser una región altamente desarrollada, el sur de Australia recibe muchas nanopartículas en los productos, algunas de las cuales se lavan al sistema de drenaje. Es un lugar seco, por lo que gran parte de las aguas residuales se reciclan y las aguas residuales tratadas se utilizan para fertilizar los campos. Eso permitió a los investigadores de los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales estudiar el área como un sistema cerrado. A partir de depósitos de campo y agua, calcularon las cantidades de cuatro nanomateriales que terminaban en el medio ambiente cada año: 54 toneladas de nano dióxido de titanio (utilizado en protectores solares); 10 toneladas de nano óxido de zinc (que se encuentra en cosméticos); 2,1 toneladas de nanotubos de carbono (tubos huecos utilizados en lugar de fibras en algunos compuestos); 180 kilogramos de nano plata (para uso antibacteriano); y 120 kg de fullerenos, otra forma nanométrica de carbono, formada por esferas huecas conocidas como "bolas de bucky".

El destino final de estas partículas varió. Los nanocarbonos quedaron incrustados en las piezas en las que venían, que terminaron en basureros. El óxido de zinc y la plata se convirtieron químicamente en compuestos normales en las plantas de tratamiento de aguas residuales, por lo que no parecían presentar ningún riesgo. Pero el nano dióxido de titanio de los protectores solares se desvaneció. Un poco más del 5% terminó en el mar, el resto en los campos. En su forma normal, el dióxido de titanio no es tóxico (se usa tanto en la pasta de dientes como en la protección solar), pero los investigadores dicen que no saben cuáles serán los efectos a largo plazo de las versiones nano, especialmente en altas concentraciones.

volviéndome loco

Ciertas nanopartículas, sin duda, tienen efectos desagradables. Algunos LEDS usan puntos cuánticos, diminutos cristales que, cuando se excitan con una fuente de luz externa, brillan intensamente, un proceso llamado luminiscencia. Esto produce una iluminación más rica y colores más brillantes en televisores LED y otras pantallas. Sin embargo, los puntos a menudo están hechos de un compuesto tóxico de cadmio. Eso proporciona un incentivo comercial para encontrar materiales más seguros.

Nanoco, una empresa con sede en Manchester, ha desarrollado puntos cuánticos sin cadmio. Dow Chemical Company obtuvo la licencia de la tecnología para hacer puntos en una nueva fábrica en Corea del Sur. Y Prashant Sarswat y Michael Free, de la Universidad de Utah, han creado puntos cuánticos a partir del carbono obtenido de los desechos de alimentos. Esto se pone en un solvente y se calienta a alta presión. El proceso aún debe ampliarse, pero como los ingredientes crudos son gratuitos y relativamente seguros, la idea es prometedora.

Para artículos más grandes, los problemas del final de la vida útil son igual de desafiantes y bastante más visibles. Tanto Airbus como Boeing tienen programas para reciclar sus aviones de fibra de carbono. En esa industria, al menos, los números se limitan a unos pocos miles, pero si los fabricantes de automóviles adoptaran la fibra de carbono a mayor escala, finalmente tendrían que deshacerse de millones de autos viejos con carrocería de carbono. En algunos casos, el material se puede triturar y utilizar en componentes de calidad inferior.

Reciclar materiales exóticos puede convertirse en una necesidad. Algunos elementos son caros y difíciles de encontrar; pueden provenir de solo un puñado de países, como China, lo que podría restringir el suministro. Otros, incluidas algunas tierras raras, no se encuentran en grandes cantidades y son difíciles de extraer. Estas sustancias se utilizan cada vez más en los coches eléctricos e híbridos. A medida que se generalicen, habrá que encontrar nuevos métodos de desmantelamiento y recuperación de materiales.

Marion Emmert y HM Dhammika Bandara del Instituto Politécnico de Worcester en Massachusetts han desarrollado una forma nueva y energéticamente eficiente de extraer elementos de tierras raras de los automóviles eléctricos, en particular neodimio, disprosio y praseodimio. Cortaron y trituraron el motor y otros componentes de la transmisión de un Chevrolet Spark totalmente eléctrico y utilizaron un método de extracción química en dos etapas para separar las tierras raras y otros materiales útiles. La tecnología, dicen, podría usarse para otros productos que contienen motores e imanes, como turbinas eólicas y equipos de imágenes médicas.

Algunas empresas utilizan un proceso llamado evaluación del ciclo de vida (LCA) para calcular los impactos ambientales. “La idea es evaluar, de la cuna a la tumba, un producto o servicio”, dice Christian Lastoskie, experto en la materia de la Universidad de Michigan. El LCA solía realizarse cuando un producto había estado en el mercado durante un tiempo y había muchos datos disponibles. Ahora se puede hacer de antemano con el modelado por computadora. Eso significa hacer y probar una serie de suposiciones sobre un nuevo material o proceso, pero el análisis puede ser una guía útil para posibles preocupaciones ambientales y ayudar a una empresa con su selección de materiales, explica Lastoskie.

Un proyecto en el que ha trabajado, con el respaldo de Sakti3, fue una comparación del ciclo de vida de las baterías de iones de litio convencionales y las de estado sólido. Los resultados, publicados en 2014 en el Journal of Cleaner Production, sugirieron que incluso después de admitir incertidumbres sobre las propiedades de las celdas y la eficiencia del proceso utilizado para fabricarlas, el uso de baterías sólidas en vehículos eléctricos reduciría el consumo de energía. y reducir el calentamiento global.

Todo esto apunta a la conclusión de que la fabricación será cada vez más compleja y que los días de las fábricas "yo también", que fabrican productos similares de la misma manera, están contados. Procesos como la impresión 3D hacen que las economías de escala sean irrelevantes, lo que permite una producción de bajo volumen y una rápida personalización. A medida que los costos laborales se reducen en relación con los costos totales de producción, hay menos presión para trasladar la producción a países con salarios bajos. Eso no significa que las empresas extranjeras dejarán de fabricar cosas en China, sino que más de las cosas que fabrican allí serán para los chinos.

Con los costos de computación cayendo todo el tiempo, ser capaz de modelar el proceso de fabricación y el ciclo de vida de un nuevo material abre mercados a nuevos participantes con nuevas ideas. Hace solo una década, se pensaba ampliamente que la industria automotriz mundial se consolidaría en menos de media docena de grupos debido a que las barreras de entrada eran muy altas. Ahora están apareciendo nuevos fabricantes de automóviles en todas partes; no solo Tesla y, posiblemente, Apple, sino también muchos pequeños especialistas como Local Motors.

Las grandes empresas también competirán cada vez más mediante el uso de recetas exclusivas para nuevos materiales y técnicas de producción personalizadas. "Si simplemente hace un gran diseño y usa un proceso de fabricación que todos los demás pueden usar, se quedará sin energía", dice el Sr. Idelchik de GE Research. "Pero si tiene un proceso de fabricación patentado que se aplica a materiales patentados, está creando una diferenciación competitiva duradera".

Secretos comerciales

Idelchik no está solo en esa opinión. La fábrica de BMW en Leipzig utiliza robots y equipos industriales estándar. Lo que lo hace especial es el conocimiento profundo que tiene la empresa de cómo se fabrican exactamente sus materiales y cómo controlar los procesos que los convierten en automóviles. Esto va al corazón de la ciencia de los materiales. "Creemos que estamos bastante por delante de nuestros competidores porque tenemos el proceso completo y el desarrollo de materiales en nuestras manos", dice el Sr. Kranz de BMW.

En el futuro, más empresas deberán estar al tanto de sus materiales. Los días de prueba y error están llegando a su fin a medida que las poderosas herramientas de investigación brindan datos científicos de una profundidad sin precedentes. El costo cada vez mayor de la potencia informática hace que la información esté disponible para empresas de todos los tamaños, al igual que los nuevos procesos de producción, como la impresión 3D, transforman la economía de la fabricación en algo más ligero y rápido.

Dominar la mayor complejidad de los materiales, así como su diseño, ingeniería, producción, cadena de suministro y gestión del ciclo de vida, requerirá nuevas habilidades y mucho talento empresarial. Puede atraer a más personas a una industria que todavía está tratando de sacudirse la imagen de oscuros molinos satánicos. La fabricación está entrando en una nueva era. Edison lo habría aprobado de todo corazón.