Ahorro de energía, emisiones y autonomía de baterías de vehículos eléctricos

Por Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico25 de abril de 2023

La microestructura dentro de un trapezoide de aluminio muestra un tamaño de grano uniforme y altamente refinado, clave para lograr un producto fuerte y confiable. Crédito: Imagen cortesía de Nicole Overman; mejora por Cortland Johnson | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico

El nuevo proceso de fabricación da como resultado la creación de componentes de vehículos de aluminio de alta resistencia que son rentables y más ecológicos.

La industria automotriz, específicamente la de vehículos eléctricos, es pionera en un proceso innovador para recolectar y transformar chatarra de aluminio en nuevas piezas de vehículos. El Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del DOE, en asociación con la principal empresa de tecnología de movilidad Magna, acaba de revelar un nuevo método de fabricación que reduce la energía incorporada en más del 50 % y reduce las emisiones de dióxido de carbono en más del 90 % al eliminar la necesidad de extraer y procesar el misma cantidad de mineral de aluminio en bruto. Además, el uso de aluminio ligero también puede mejorar la autonomía de conducción de los vehículos eléctricos.

Este proceso patentado y galardonado de extrusión y procesamiento asistido por cizallamiento (ShAPE™) recolecta trozos de chatarra y recortes de aluminio sobrantes de la fabricación de automóviles y los transforma directamente en material adecuado para piezas de vehículos nuevos. Ahora se está ampliando su escala para fabricar piezas de aluminio ligeras para vehículos eléctricos.

El avance más reciente, descrito en detalle en un nuevo informe y en un artículo de investigación de Manufacturing Letters, elimina la necesidad de agregar aluminio recién extraído al material antes de usarlo para piezas nuevas. Al reducir el costo del reciclaje de aluminio, los fabricantes pueden reducir el costo total de los componentes de aluminio, lo que les permitirá reemplazar mejor el acero.

La chatarra de aluminio de los fabricantes de automóviles se transforma en piezas de vehículos nuevos con el proceso de fabricación ShAPE patentado por PNNL. El calor y la fricción ablandan el aluminio y lo transforman de un metal rugoso en un producto suave, fuerte y uniforme sin un paso de fusión. Crédito: Animación de Sara Levine | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico

"Demostramos que las piezas de aluminio formadas con el proceso ShAPE cumplen con los estándares de la industria automotriz en cuanto a resistencia y absorción de energía", dijo Scott Whalen, científico de materiales e investigador principal del PNNL. “La clave es que el proceso ShAPE rompe las impurezas metálicas de la chatarra sin requerir un paso de tratamiento térmico que consuma mucha energía. Esto por sí solo ahorra un tiempo considerable e introduce nuevas eficiencias”.

El nuevo informe y las publicaciones de investigación marcan la culminación de una asociación de cuatro años con Magna, el mayor fabricante de autopartes de América del Norte. Magna recibió financiación para la investigación colaborativa de la Oficina de Tecnologías de Vehículos del DOE, Programa del Consorcio de Materiales Ligeros (LightMAT).

"La sostenibilidad está a la vanguardia de todo lo que hacemos en Magna", afirmó Massimo DiCiano, director de ciencia de materiales de Magna. "Desde nuestros procesos de fabricación hasta los materiales que utilizamos, el proceso ShAPE es una gran prueba de cómo buscamos evolucionar y crear nuevas soluciones sostenibles para nuestros clientes".

Además del acero, el aluminio es el material más utilizado en la industria automovilística. Las ventajosas propiedades del aluminio lo convierten en un atractivo componente de automoción. Más ligero y resistente, el aluminio es un material clave en la estrategia para fabricar vehículos ligeros para mejorar la eficiencia, ya sea ampliando la autonomía de un vehículo eléctrico o reduciendo el tamaño de la capacidad de la batería. Si bien la industria automotriz actualmente recicla la mayor parte de su aluminio, rutinariamente le agrega aluminio primario recién extraído antes de reutilizarlo, para diluir las impurezas.

Los fabricantes de metales también dependen de un proceso centenario de precalentamiento de ladrillos, o “lingotes”, como se les conoce en la industria, a temperaturas superiores a 550 °C (1000 °F) durante muchas horas. El paso de precalentamiento disuelve grupos de impurezas como silicio, magnesio o hierro en el metal en bruto y los distribuye uniformemente en la palanquilla mediante un proceso conocido como homogeneización.

Extrusiones fabricadas a partir de chatarra industrial AA6063 por ShAPE que producen perfiles (a) circulares, (b) cuadrados, (c) trapezoidales y (d) trapezoidales de dos celdas. Crédito: Scott Whalen | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico

Por el contrario, el proceso ShAPE logra el mismo paso de homogeneización en menos de un segundo y luego transforma el aluminio sólido en un producto terminado en cuestión de minutos sin necesidad de paso de precalentamiento.

"Con nuestros socios de Magna, hemos alcanzado un hito crítico en la evolución del proceso ShAPE", dijo Whalen. "Hemos demostrado su versatilidad creando piezas cuadradas, trapezoidales y de múltiples celdas que cumplen con los estándares de calidad en cuanto a resistencia y ductilidad".

For these experiments, the research team worked with an aluminum alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> aleación conocida como 6063, o aluminio arquitectónico. Esta aleación se utiliza para una variedad de componentes automotrices, como soportes de motor, conjuntos de parachoques, rieles del bastidor y molduras exteriores. El equipo de investigación de PNNL examinó las formas extruidas mediante microscopía electrónica de barrido y difracción de retrodispersión de electrones, que crea una imagen de la ubicación y la microestructura de cada partícula metálica dentro del producto terminado. Los resultados mostraron que los productos ShAPE son uniformemente fuertes y carecen de defectos de fabricación que podrían causar fallas en las piezas. En particular, los productos no tenían signos de grandes grupos de metal, impurezas que pueden causar deterioro del material y que han obstaculizado los esfuerzos para utilizar aluminio reciclado secundario para fabricar nuevos productos.

Ahora el equipo de investigación está examinando aleaciones de aluminio aún más resistentes que normalmente se utilizan en carcasas de baterías para vehículos eléctricos.

"Esta innovación es sólo el primer paso hacia la creación de una economía circular para el aluminio reciclado en la fabricación", afirmó Whalen. "Ahora estamos trabajando para incluir flujos de residuos posconsumo, lo que podría crear un mercado completamente nuevo para la chatarra secundaria de aluminio".

Referencia: “Extrusión con matriz de ojo de buey de chatarra industrial de aluminio 6063 mediante extrusión y procesamiento asistido por cizallamiento” por Scott Whalen, Brandon Scott Taysom, Nicole Overman, Md. Reza-E-Rabby, Yao Qiao, Thomas Richter, Timothy Skszek y Massimo DiCiano, 28 Marzo de 2023, Cartas de fabricación.DOI: 10.1016/j.mfglet.2023.01.005

Además de Whalen, el equipo de investigación de PNNL incluyó a Nicole Overman, Brandon Scott Taysom, Md. Reza-E-Rabby, Mark Bowden y Timothy Skszek. Además de DiCiano, los contribuyentes de Magna incluyeron a Vanni Garbin, Michael Miranda, Thomas Richter, Cangji Shi y Jay Mellis. Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Tecnologías de Vehículos del DOE, Programa LightMAT.

La tecnología patentada ShAPE está disponible para licencia para otras aplicaciones.