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May 23, 2023

Williams Advanced Engineering desarrolla un par de tecnologías CFRP innovadoras: 223 y Racetrak

Williams Advanced Engineering ha desarrollado un par de tecnologías innovadoras

Williams Advanced Engineering ha desarrollado un par de tecnologías innovadoras que prometen un cambio radical en la asequibilidad de los materiales compuestos. Conocidas como 223 y Racetrak, estas tecnologías ofrecen un rendimiento comparable al de las soluciones compuestas existentes, pero con una variedad de beneficios adicionales y a un costo que las pone al alcance de las aplicaciones principales.

No se trata simplemente de innovaciones de fabricación: son soluciones integrales y de por vida que abordan todos los aspectos de la fabricación, el uso y el reciclaje del polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) y la forma en que sus propiedades pueden permitir nuevos enfoques para diseño y fabricación de vehículos.

CFRP es un material de gran promesa. Su relación excepcionalmente alta de resistencia a peso, su impresionante rigidez y su excelente resistencia a la fatiga y al medio ambiente lo convierten en una opción atractiva para una amplia variedad de industrias y aplicaciones.

Esto es particularmente pertinente para la industria automotriz, donde el aligeramiento se considera una de las principales herramientas necesarias para cumplir con los objetivos de emisiones y economía de combustible cada vez más estrictos, así como para respaldar el rango requerido de los vehículos eléctricos. Sin embargo, las ventajas del CFRP se extienden a muchos sectores, desde vagones de tren hasta turbinas eólicas.

A pesar de estos atractivos beneficios y los recientes avances en los procesos de las industrias automotriz y aeroespacial, una serie de factores han frenado la adopción masiva de CFRP. El principal de ellos es el costo, con métodos tradicionales de producción de compuestos que involucran materiales costosos y largos tiempos de proceso.

También incurren en una tasa de desechos relativamente alta (normalmente alrededor del 30 %), agravada por los desafíos de recuperar el carbono de los recortes preimpregnados y de encontrar valor en el material al final de la vida útil del producto.

Estos desafíos han hecho que la aplicación de CRFP se limite en gran medida a aplicaciones de nicho. En el sector de la automoción, por ejemplo, una estructura de carrocería fabricada con técnicas compuestas tradicionales suele ser un 60 % más ligera que una fabricada en acero, aunque su coste es unas 20 veces mayor. Esto ha limitado su aplicación a vehículos de bajo volumen/alto costo, o donde el fabricante del vehículo subsidia el proceso como parte de su aprendizaje en torno a nuevas tecnologías.

Las innovaciones de Williams Advanced Engineering tienen como objetivo abordar estos desafíos para desbloquear los beneficios de CFRP.

El corazón de la innovación 223 es un proceso radicalmente diferente (y por lo tanto confidencial) para la integración de una lámina de refuerzo de fibra seca tejida con una matriz de resina preparada por separado.

El proceso 223 se concibió como un medio rentable de crear estructuras compuestas tridimensionales a partir de una forma bidimensional. Es adecuado para geometrías en forma de caja, como contenedores de batería para vehículos eléctricos, o potencialmente incluso monocascos de vehículos completos.

El nombre se deriva de una de las características definitorias del proceso: mientras que los componentes compuestos generalmente tienen que colocarse en su geometría final, 223 permite que la pieza se cree inicialmente como un componente bidimensional antes de plegarse en una estructura tridimensional.

Esto se presta a una amplia gama de aplicaciones. En particular, 223 se adapta a estructuras que actualmente se ensamblan a partir de muchos componentes separados, y donde el acceso para el equipamiento agrega tiempo y costo. Un buen ejemplo es la carrocería de un automóvil en blanco, que generalmente consta de alrededor de 300 piezas prensadas de metal, hechas con unas 600 herramientas diferentes; el capó de un vehículo puede requerir cuatro operaciones de prensa diferentes. Usando 223, el número de prensados ​​podría reducirse a alrededor de 50, todos creados en una sola máquina con una reducción significativa en el gasto de capital para herramientas.

Se podría lograr un ahorro de peso de alrededor del 25 al 30 % en la carrocería de un automóvil en blanco, en comparación con una estructura de aleación de aluminio equivalente. Con 223, esto podría entregarse en mayores volúmenes y a un costo menor que una solución compuesta tradicional. Cuando se requiera menos resistencia, se podrían lograr mayores ahorros de costos especificando materiales de menor costo, por ejemplo, fibras de vidrio, mientras que se pueden especificar resinas alternativas para aumentar la tenacidad y la resistencia al calor.

Racetrak es un proceso novedoso para crear elementos estructurales de muy alta resistencia que unen dos o más puntos, como los brazos transversales de los automóviles o los brazos de enlace del tren de aterrizaje de un avión. La técnica se basa en un concepto de diseño probado, en el que un bucle continuo de material unidireccional, en este caso fibra de carbono, proporciona una fuerza de aro extremadamente alta.

Esta localización de una fuerza incorporada muy alta permite una reducción sustancial de costos que, cuando se combina con altos niveles de automatización, permite un componente asequible que es significativamente más liviano que las alternativas tradicionales.

En el caso de una horquilla para una aplicación automotriz, la pieza terminada podría ser alrededor de un 40 % más liviana que el artículo de aluminio forjado equivalente y hasta un 60 % más liviana que el acero, lo que la hace rentable con una forja de aluminio premium.

Las piezas Racetrak constan de tres componentes principales: un núcleo de material a granel no tejido de bajo costo, un bucle de fibra de carbono unidireccional y, en ambos lados de este, una cubierta protectora hecha de lámina de fibra tejida troquelada. La fabricación está completamente automatizada, con el bucle unidireccional enrollado robóticamente para crear una colocación de fibra personalizada precisa y repetible. Esta preforma de material reforzado luego se coloca seca en una herramienta, que aplica una ligera presión de conformación para crear un cartucho extraíble.

Este se coloca en una prensa industrial, donde se aplica vacío y la resina se inyecta en el molde calentado. En estas condiciones, la resina tarda aproximadamente 90 segundos en curar. Luego se expulsa de la máquina y se carga un cartucho nuevo.

Con un tiempo de ciclo actual de solo 120 segundos, una sola prensa que utilice este proceso puede producir más de 500.000 unidades al año.

Concepto de plataforma de vehículo eléctrico Williams Advanced Engineering FW-EVX. El FW-EVX es una visión de una futura plataforma de vehículos eléctricos que integra una gama de nuevos enfoques, incluidos Racetrak y 223, en una única solución altamente integrada que aborda los desafíos de los vehículos eléctricos efectivos y asequibles.

Publicado el 09 de marzo de 2019 en Fabricación, Materiales, Reducción de peso | Enlace permanente | Comentarios (2)