Cómo BMW teje, hornea y fabrica la fibra de carbono Serie 7

BMW blinda la cabina de su Serie 7 de próxima generación con fibra de carbono en un movimiento para mejorar la seguridad y distanciar su gran sedán deportivo de Mercedes-Benz y Audi como el automóvil de alta gama más fino y seguro del mundo. Es un triunfo de la tecnología y también de la logística, en un proceso de fabricación de fibra de carbono que se extiende por todo el mundo desde Japón hasta el estado de Washington y cuatro emplazamientos en Alemania. BMW usa el términoNúcleo de carbonopara describir la celda de seguridad que rodea el habitáculo que utiliza plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) junto con aluminio y acero de alta resistencia.

En lugar de construir una tina de fibra de carbono (celda de pasajeros) que sería costosa incluso en un vehículo con un precio que comienza en el rango de $ 80,000 cuando se envía este otoño, BMW refuerza generosamente la celda de pasajeros de metal / aluminio ya fuerte con CFRP en condiciones críticas lugares. Los refuerzos de 15 CFRP incluyen el cabezal sobre el parabrisas, los umbrales de las puertas, el túnel de transmisión, los arcos y tubos de refuerzo del techo de adelante hacia atrás y de izquierda a derecha, el pilar B entre las puertas delanteras y traseras, el pilar C y estante trasero para paquetes. BMW cree que la fibra de carbono es uno de muchas ventajas tecnológicas que ofrece la Serie 7.

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Productos químicos japoneses, hidroeléctrica estadounidense inician el proceso

P90082374BMW utiliza múltiples socios para crear los productos químicos, las fibras de carbono y las alfombrillas tejidas que se convierten en componentes de automóvil súper resistentes en la Serie 7 y en elBMW i3coche de la ciudad y BMW i8coche deportivo híbrido enchufable. El proceso es tanto químico como mecánico. En Otake, Japón, una empresa conjunta de Mitsubishi Rayon Co. Ltd. de Otake y el productor de fibra de carbono SGL Group de Wiesbaden, Alemania (llamado MRC SGL Precursor Co. Ltd., o MSP), produce fibra de poliacrilonitrilo (PAN), un termoplástico que también se llama precursor. Es una larga cadena de moléculas orgánicas unidas por los átomos de carbono y formadas en carretes. El mismo compuesto de poliacrilonitrilo también fabrica ropa; cualquier cosa que se llame acrílico (o Orlon, el nombre de DuPont) es un poliacrilonitrilo.

Las fibras PAN cruzan el Pacífico en aviones de carga para convertirse en fibras de carbono reales. Se envían a los hornos de SGL Automotive Carbon Fibers en Moses Lake, WA, 200 millas al este de Seattle, una región con abundante energía hidroeléctrica barata. (Esta es otra empresa conjunta, entre BMW Group y SGL Group). En el primero de dos pasos, llamadoestabilización / oxidación, las fibras de PAN se pasan a través de hornos calentados a 200-300 ° C (390-590 ° F) durante aproximadamente una hora y absorben oxígeno del aire. Las fibras ya no son fácilmente fundibles o inflamables.

El segundo paso, carbonización, es un proceso de alta temperatura, a 1.000-3.000 ° C (aproximadamente 1.830-5.500 ° F). Los hornos sellados no contienen oxígeno. Las fibras pierden la mayor parte de sus átomos que no son de carbono y los átomos de carbono se orientan paralelos al eje largo de la fibra en cristales de carbono estrechamente unidos. Estas cuerdas tienen aproximadamente un 95% de carbono y, como se podría suponer, son negras. También requieren un tratamiento especial de la superficie para asegurar que se adhieran bien a las resinas y epoxis. También se requiere un tratamiento especial para hacer inofensivo el aire contaminado que sale del horno.

La instalación de Moses Lake es capaz de producir unas 9.000 toneladas de fibra de carbono al año a partir de seis líneas de producción. Es la planta de fibra de carbono más grande del mundo. Boeing usa mucha más fibra de carbono por cada 787 que construye (fuselaje, alas), pero construye 10 aviones al mes en comparación con un estimado de 5,000 autos de la Serie 7.

Desde el noroeste del Pacífico, el material de fibra de carbono recibe un viaje más en un avión de carga a Wackersdorf en el sur de Alemania, a 160 kilómetros al norte de Múnich y la sede de BMW. Es otra empresa conjunta SGL-BMW. La planta de Wackersdorf produce capas de fibra de carbono textil. Las telas de fibra de carbono se envían a las plantas de BMW en Landshut, Leipzig y Dingolfing, Alemania, donde se cortan, se colocan en capas, se alinean, se moldean y luego se moldean en piezas de CFRP súper resistentes.

Umbral de puerta BMW Serie 7 en prensa CF P90186315_highRes

Construyendo las piezas: lento y constante gana la carrera

2016 BMW Serie 7En las sesiones informativas técnicas de junio para presentar la nueva Serie 7, BMW abrió su fábrica de Dingolfing, a una hora al noreste de Múnich, para mostrar el paso final de su proceso de producción de paneles de fibra de carbono: formar las piezas del automóvil. Las fibras de la tela se cortaron a las dimensiones del producto terminado, se colocaron en una prensa, se inyectaron con resinas y se hornearon durante varios minutos bajo presión. La foto de arriba muestra el umbral de la puerta de fibra de carbono, destinado a evitar que el costado del automóvil se doble hacia adentro en un impacto lateral.

El componente más intrigante es el pilar B (foto arriba a la derecha), el poste lateral entre las puertas delantera y trasera. En realidad, se trata de un sándwich interior y exterior de metal, fibra de carbono y más metal. Requiere especial atención al proceso de horneado porque las temperaturas necesarias para curar el componente de CFRP se acercan a las temperaturas que debilitan los estampados metálicos tratados térmicamente. Durante el montaje final, algunas piezas se pegan a la carrocería metálica, otras se atornillan. El tubo de fibra de carbono que corre a lo largo del pilar A, la línea del techo y el pilar C (el componente oscuro en la foto de abajo), se coloca dentro de un canal de acero.

Cerca de las prensas de curado en Dingolfing, se adjuntan muestras de las piezas (en un extremo) a la pared de la fábrica y se invita a los visitantes a intentar doblar las piezas de CFRP y los estampados metálicos que consiguieron. Los estampados de metal que eran lo suficientemente fuertes como para superar todos los golpes del mundo podrían torcerse considerablemente y doblarse un poco. Las piezas de CFRP apenas se pueden desviar o torcer. Simplemente no se mueven. No está del todo claro si la dificultad de un humano para desviar una pieza de CFRP se relaciona con su resistencia al impacto, pero la diferencia entre la fibra de carbono y el acero parece sustancial.

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Tiempo, dinero, control de procesos

Detalles de fibra de carbono - BMW Serie 7 2016Para un observador, el proceso de Dingolfing en torno a la fabricación final de un panel de CFRP es notablemente diferente de ver paneles de metal estampados en una prensa mecánica, con varios resultados cada minuto. Con CFRP, cada pieza toma varios minutos, comenzando con un delicado ballet con robots que quitan una pieza preparada de tela de fibra de carbono de una bandeja, la colocan en la prensa, el proceso de prensado y curado, luego expulsa la pieza. Hay poco ruido, mientras que las prensas de estampado mecánico son ensordecedoras. Las prensas ocupan mucho espacio, aunque nada como los hornos utilizados en Moses Lake.

De vez en cuando, en Dingolfing, un trabajador tenía que pausar la prensa para reposicionar manualmente una pieza o quitarla cuando no se expulsaba automáticamente. Aún no es un proceso completamente automatizado. BMW debe tener confianza en el proceso CFRP y la capacidad de mantenerse al día, porque necesitará casi un millón de piezas de fibra de carbono para construir la Serie 7 desde ahora hasta finales de 2016. Agregue la Serie 5 y luego la Serie 3, y sus equivalentes SUV, y BMW necesitaría de 10 a 20 millones de componentes CFRP al año.

En un momento en el que prácticamente todos los fabricantes de automóviles ofrecen control de crucero adaptativo, detección de punto ciego y advertencia de cambio de carril, la provincia de los autos más caros hace una década, BMW tiene una tecnología que la competencia aún no tiene, y mucho menos la ofrece. los vehículos 'casi tan buenos como un BMW' que invaden el mercado premium con precios mucho más baratos.

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El futuro de la fibra de carbono en los automóviles

P90063256La fibra de carbono cuesta alrededor de ocho veces más que el acero por la misma pieza, pero eso representa una enorme reducción en la relación de costos en la última década, más de $ 30 la libra frente al bastante constante $ 1 la libra del acero. La industria se está esforzando por reducir el CFRP a $ 5 la libra. Antes, el CFRP se limitaba solo a capós o paneles de techo en vehículos de producción deportivos de alta gama, o para lucir piezas como los espejos laterales o paneles de moldura en la consola.

Hay investigaciones sobre formas más económicas de reducir aún más los costos de CFRP más allá de las eficiencias de fabricación anuales. El tiempo de ciclo para muchas partes (en la fase final) es ahora de uno o dos minutos; había pasado tanto como media hora. Si una prensa puede producir una pieza de CFRP cada tres minutos (incluido el ajuste, el prensado / curado y la extracción), podría producir 40.000 piezas en un año para cada turno; 175.000 al año si la prensa funcionara sin parar.

El stock de polietileno (PE) se está investigando como materia prima y puede tener el potencial de ser un 30% más barato que el poliacrilonitrilo (PAN), en parte porque el polietileno usa menos energía en las etapas iniciales de producción (horno). Eso permitiría componentes CFRP en los automóviles convencionales.

Compartimento-pasajero-bwm-i3Todos los fabricantes de automóviles estadounidenses están investigando la fibra de carbono y formando asociaciones. También están buscando compuestos similares a la fibra de carbono, así como aluminio. La caja de la batería del Chevrolet Spark Electric es un componente de éster de vinilo reforzado con fibra de vidrio que se desarrolló cuando Chevy tuvo dificultades para dar forma a la parte compleja de magnesio a medida que se acercaban los plazos de producción.

Con BMW, el uso de fibra de carbono se expandió desde paneles planos como el capó o el techo en el BMW M3, a las celdas de pasajeros en el BMW i3 EV / PHEV (foto a la derecha) y el BMW i8 a los componentes Carbon Core de la Serie 7. Los informes dicen que BMW planea introducir componentes de fibra de carbono en su Serie 5 de tamaño mediano y luego en la Serie 3 de BMW. Si BMW utilizara tantas piezas de fibra de carbono en la Serie 3 como en la Serie 7, tendría que multiplicar por diez la producción de CFRP, ya que las ventas de la Serie 3 son más de medio millón de vehículos al año. Si BMW logra incorporar fibra de carbono en una amplia gama de modelos y muestra una ventaja de seguridad, también podría ser una ventaja de ventas para el período en el que es una oferta exclusiva de una marca.








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