Durante la próxima década, se espera que grandes cantidades de aluminio procedente de paneles de carrocería de vehículos entren en el sistema de reciclaje y recuperación. Gran parte de este material no se puede reutilizar actualmente en componentes críticos de automoción porque la contaminación lo vuelve demasiado impuro. Esa limitación redujo su valor.
Los investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE) están trabajando para cambiar eso. El equipo ha desarrollado una nueva aleación de aluminio llamada RidgeAlloy que puede convertir el aluminio reciclado de bajo costo en una fuente confiable de material para la fabricación de piezas estructurales de automóviles en los Estados Unidos.
Aparece el aluminio Lista de materiales críticos del DOE Porque juega un papel importante en muchas tecnologías energéticas, incluidos los sistemas utilizados para generar, transmitir, almacenar y almacenar energía.
Aleación de cresta Se fabrica refundiendo aluminio recuperado de productos usados y creando una nueva aleación diseñada para cumplir con los requisitos de resistencia, flexibilidad y seguridad contra choques de los componentes estructurales de los vehículos. Los investigadores de ORNL han desarrollado un método de diseño de aleaciones específico que acelera el desarrollo de nuevos materiales.
“El equipo pasó de un concepto en papel a una exitosa demostración de piezas a gran escala de una nueva aleación en sólo 15 meses”, afirmó Allen Haynes, director del Programa de núcleos de metales ligeros de ORNL. “Este es un ritmo de innovación sin precedentes en el desarrollo de aleaciones estructurales complejas”.
El creciente desafío del aluminio reciclado para automóviles
Los vehículos que dependen en gran medida del aluminio comenzaron a aparecer en el mercado estadounidense alrededor de 2015, incluida la serie de camionetas Ford F-150, uno de los primeros modelos con uso intensivo de aluminio producido en masa. Se espera que muchos de estos vehículos lleguen al final de su vida útil a principios de la década de 2030. Cuando esto sucede, los sistemas de reciclaje pueden recibir 350.000 toneladas de chatarra de carrocería de aluminio por año en América del Norte.
Una gran parte de este material puede utilizarse en productos fundidos de bajo costo o exportarse al extranjero. Esto representa una oportunidad perdida de reutilizar el metal como fuente nacional de aluminio de alta calidad.
“Se puede reutilizar el aluminio posconsumo en algo no estructural como un bloque de motor”, dijo Alex Plotkowski, líder del grupo ORNL en física acoplada computacional. “Pero no tendrá las características necesarias para aplicaciones de carrocería estructuralmente más fuertes y de mayor precio”.
El principal desafío proviene de la contaminación introducida durante el proceso de desmantelamiento de los vehículos. Pequeñas cantidades de hierro de piezas como remaches y otros sujetadores se mezclan con metal reciclado. Estas impurezas hacen que la composición química sea impredecible y reducen el rendimiento, impidiendo que el material cumpla con los estrictos estándares requeridos para las aleaciones estructurales de automóviles.
Por esta razón, la mayoría de las piezas de automóviles ligeras todavía se fabrican con aluminio primario producido a partir de minerales extraídos. Este proceso requiere una cantidad significativa de energía.
Convertir la chatarra de aluminio en un recurso interno
Aunque Estados Unidos importa la mayor parte de su aluminio primario, el país cuenta con una red desarrollada para la trituración de vehículos y la recuperación de chatarra de aluminio.
“Se estima que el uso de chatarra refundida en lugar de aluminio primario reduce la energía necesaria para procesar una pieza hasta en un 95%”, dijo Amit Shyam, líder del Grupo de Diseño y Comportamiento de Aleaciones de ORNL.
Para crear RidgeAlloy, los investigadores utilizaron herramientas científicas avanzadas para diseñar la composición de la aleación. Se utilizó informática de alto rendimiento para realizar más de dos millones de cálculos que predijeron qué combinaciones de materiales proporcionarían las propiedades mecánicas deseadas. El equipo también realizó análisis detallados de materiales y experimentos de dispersión de neutrones en la Fuente de Neutrones de Espalación de ORNL, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
Estas pruebas ayudaron a los científicos a comprender cómo las diferentes impurezas afectan el rendimiento de la aleación. Los neutrones son particularmente útiles para estudiar metales porque pueden atravesar materia densa sin causar daños, lo que permite a los investigadores observar la estructura interna y los cambios a escala atómica.
Piezas de automóvil reales a partir de modelos informáticos.
Después de identificar la fórmula de aleación óptima mediante simulación y pruebas de laboratorio, los investigadores evaluaron RidgeAlloy en condiciones de fabricación reales.
Trialco Aluminium del Grupo PSW en Chicago produjo lingotes de aluminio reciclado hechos de chatarra mixta de carrocerías de automóviles que coincidían con el diseño de RidgeAlloy. Luego, estos lingotes se enviaron a Falcon Lakeside Manufacturing en Michigan, donde se fundieron y moldearon en componentes automotrices mediante fundición a presión a alta presión.
“La parte que elegimos era de tamaño mediano y moderadamente compleja”, dijo Plotkowski. “El objetivo final son, en última instancia, piezas más grandes, tal vez incluso piezas de fundición gigantes para automóviles, pero este es el primer paso”.
Las pruebas confirmaron que RezAlloy contiene la combinación de aluminio, magnesio, silicio, hierro y manganeso necesaria para las piezas fundidas estructurales de vehículos, incluso cuando el metal reciclado incluye altos niveles de hierro y silicio. El material proporciona la fuerza, la resistencia a la corrosión y la flexibilidad necesarias para aplicaciones exigentes como bajos de vehículos, componentes de bastidor y otras piezas estructurales clave.
Esta capacidad podría cambiar significativamente la forma en que se clasifica, valora y recicla la chatarra de aluminio automotriz en América del Norte.
Impacto fuera del laboratorio
“Este equipo ha descubierto cómo aprovechar al máximo las capacidades de clase mundial de un laboratorio nacional para llenar rápidamente un enorme vacío en nuestra comprensión de los materiales automotrices livianos”, dijo Haynes.
A principios de la década de 2030, RidgeAlloy podría permitir la fundición de aluminio estructural reciclado en volúmenes equivalentes a al menos la mitad de la producción anual actual de aluminio primario en los Estados Unidos. Este cambio puede reducir el consumo de energía, reducir los costos de producción y fortalecer las cadenas de suministro nacionales.
“RizAlloy ofrece la primera tecnología capaz de recuperar el valor de una ola de aleaciones de láminas de aluminio para automóviles recicladas, históricamente generalizada y de rápida aparición, de alta calidad y nacional”, afirmó Haynes. “Ese es el impacto general de la cadena de suministro que nuestro equipo buscaba”.
La tecnología también puede encontrar uso más allá de los vehículos de pasajeros. Las aplicaciones potenciales incluyen equipos industriales, maquinaria agrícola, sistemas aeroespaciales, equipos móviles de generación de energía, vehículos todo terreno como motos de nieve y motocicletas, y vehículos marinos, incluidas motos acuáticas.
El equipo de investigación de ORNL incluyó a Alex Plotkowski, Amit Shyam, Allen Haynes, Sunyeong Kwon, Ying Yang, Sumit Bahl, Nick Richter, Severin Cambier, Alice Perrin y Gerry Knapp. El proyecto contó con el apoyo del Programa de núcleos metálicos ligeros de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE, de la Oficina de Tecnologías de Vehículos.
