EL VEHÍCULO ELÉCTRICO Y LA INDUSTRIA 4.0: BATERÍAS MODULARES E INTERCAMBIABLES

 Los dos hándicaps de los coches eléctricos en la actualidad son la autonomía y la velocidad de recarga.

Diseñar una batería de alta capacidad que se pueda recargar de forma ultrarrápida no es lo que necesitan los usuarios para todos sus desplazamientos en sus vehículos eléctricos, ya que en los viajes largos si permitiría realizar más kilómetros pero a la hora de emplearlo en trayectos cortos, los tiempos de espera en la recarga serían mayores a pesar de los cargadores rápidos, que además degradarían su capacidad. Por estas razones, si basamos el avance tecnológico en baterías de mayor capacidad y ultrarrápidas estaríamos empleándolo el valioso recurso del tiempo en desarrollar en unas baterías pesadas, más caras, con mayor tiempo de espera en recarga y con las que solo tendríamos beneficios en viajes largos.

El avance tecnológico de las baterías está cambiando su enfoque a las baterías modulares e intercambiables para soluciones los dos problemas principales mencionados (autonomía y velocidad de recarga).

Según la Agencia de Protección del Medio Ambiente (EPA) 3,79 litros de gasolina (1 galón) contiene 33,7kWh de energía. Las baterías de 85kWh del Tesla Model S pesan 545 kilogramos, almacenando una energía total que contienen 9,6 litros de gasolina (2,5 galones). Comparando estas dos formas de almacenamiento de energía y dado que un litro de gasolina pesa 0,77 kilogramos, en 7,4 kilogramos se almacena la misma energía que en una batería de 85 kWh y 545kg de peso, es decir, en 1,4% de ese peso.

Con esta comparación se observa que los vehículos eléctricos son mucho más pesados que los de combustión por la baja densidad de energía que tienen las baterías en comparación a la de un tanque de gasolina. Este problema se intenta contrarrestar con la eficiencia (aerodinámica y ligereza de los elementos constructivos del coche).

LA SOLUCION A LOS PROBLEMAS

Como hemos dicho anteriormente la carga rápida provoca una degradación prematura de la batería y de su vida útil. Tras pruebas realizadas por la empresa QuantumScape sometiendo a una batería a tasas de carga se demostró que su capacidad energética se vio reducida por debajo del 80% con 12 docenas de ciclos. Ademas de este problema, tienen el riesgo de provocar una explosión de la batería.

Una primera solución rápida y que no requiere ningún avance tecnológico es la de fabricar coches con pequeños paquetes de baterías para usuarios que no requieran gran autonomía, reduciendo el coste de estos vehículos eléctricos y solucionando su problema de peso.

Si acudimos a los futuros avances tecnológicos de las baterías de electrolito sólido, se podrían obtener mayores densidades de energía y mayores velocidades de carga (del 10 al 80% de su capacidad en 15 minutos) que en las baterías más convencionales sin riesgo de explosión o degradación, pero no se disponen en la actualidad. Otra tecnología futura que podría acelerar la carga del 10 al 90% de la capacidad de sus baterías en 12 minutos son las baterías de metal de litio.

Todas estas futuras tecnologías que aún no están disponibles serían barridas por las baterías modulares, las cuales no requieren tanto avance tecnológico, permitiendo sustituir baterías por otras cargadas al 100% en menos de la mitad del tiempo de recarga de las anteriores tecnologías nombradas.

BATERÍAS MODULARES E INTERCAMBIABLES

Ample es una startup que ha presentado una estación de intercambio de baterías automatizada para la sustitución de baterías modulares adaptables a los vehículos eléctricos. Para los vehículos eléctricos existentes la solución propone un cambio en la arquitectura de sus baterías por módulos del tamaño de caja de zapatos para poder utilizar las baterías modulares.

 

Así, el usuario que quiera realizar pocos kilómetros al día puede elegir que autonomía tener para su uso particular (cuantos módulos de batería tener). Se consigue así una reducción de peso considerable y un aumento de autonomía (aumentando los módulos). Por otro lado el usuario podrá cargar dichos módulos en su casa o intercambiarlos en un corto periodo de tiempo en una estación de intercambio de Ample de forma automatizada, reduciendo considerablemente el tiempo que tardaría en realizar una recarga convencional.

Ample estima que un automóvil compacto podría albergar unos 10 módulos de baterías, mientras que uno mediano podría llegar a los 16 o 20, pero no ha llegado a dar una estimación de cuantos kWh podría aportar cada módulo.

Esta propuesta podría integrarse fácilmente con las futuras mejoras químicas de las baterías pudiendo convivir diferentes tecnologías en paralelo.

ACTUALIDAD Y EVOLUCION DEL SECTOR DE LA ROBOTICA Y ROBOTS COLABORATIVOS

La gran mayoría de los sectores están teniendo un importante contratiempo con la escasez de componentes electrónicos y el aumento del precio de la energía, gas, productos intermedios, etc. Pero el sector de la robótica está prosperando en 2022 según se refleja en World Robot report de la International Federation of Robotics (IFR).

La demanda de robots industriales y cobots está en su mayor momento, creciendo el número de robots actuales hasta un 10% más en lo que queda de año, alcanzando las 570.000 unidades, con la siguiente predominancia:

• Australia y Asia son las regiones con más robots alcanzando 381.000 unidades.
• Europa con 84.000 unidades.
• América con 51.000 unidades.

Siguiendo con esta tendencia, los cinco países más automatizados del mundo son China, Japón, Estados Unidos, Corea y Alemania.

Particularmente, el crecimiento de robots en Europa ha sido de un 24%, destacando España entre los 15 países del mundo con mayor densidad robótica. Los sectores que más han crecido son:

1. Electrónica con 137.000 unidades.
2. Automoción con 119.000 unidades.
3. Metal y maquinaria con 64.000 unidades.
4. Plásticos y productos químicos con 24.000 unidades.
5. Alimentación con 15.000 unidades.

En la IFR también podemos ver el crecimiento de los robots colaborativos, con una cuota de mercado de un 39% en 2021, aumentando un 13% respecto del 2020. La venta de cobots alcanzó un total de 32.300 unidades y será una tendencia al alta con un crecimiento anual del 40% en los próximos cinco años, pudiendo incorporar nuevas tecnologías como el 5G, dispositivos OT e IoT. Todo esto es debido a su baja inversión, su alta Tasa de Retorno de la Inversión, rapidez de instalación, versatilidad y seguridad.

El segmento del mercado con mayor cuota de mercado de cobots, casi un 50%, es el de manipulación de los materiales, montaje y desmontaje, pero cada vez más sectores los usan, como el envasado, recogida y colocación y paletizados. Dos usuarios finales de cobots son la industria de la automoción y la electrónica con cuotas de mercado del 18 y 32% respectivamente.

Para 2023 se esperan las siguientes tendencias en robótica:

• Cobots adaptados a nuevas industrias como la construcción o la agricultura para dar respuesta a la creciente demanda de personalización de los consumidores, tanto en configuración como entrega de productos.
• Robots más fáciles de usar como los robots colaborativos o cobots, con interfaces donde predominan la programación basada en iconos.
• Formación en robótica y uso de cobots (colaboración entre personas y máquinas) promovida por gobiernos, asociaciones industriales y empresas.
• Los robots aseguran la producción, experimentando grandes aumentos.
• La robótica impulsa la automatización digital, pudiendo analizar las empresas sus procesos, ayudando a la toma de decisiones y aumentando la probabilidad de acierto.

Papel de la fabricación aditiva en metal en la Industria 4.0

 

Existen diferentes tipos de fabricación aditiva o impresión 3D, distinguiéndose:

-En función de los materiales que utilizan como filamentos de metal, hilos termoplásticos, polvos de metal, composites, líquidos y resinas

-En las formas de unir los materiales mediante calor, haces de luz, láseres, soldadura o aditivos entre otros.

Cuando hablamos de fabricación de aditiva en metal hay varias tecnologías que son las más empleadas:

-Fusión en lecho de polvo (PBF): uno de sus procesos de fusión es la tecnología SLM o fusión selectiva por láser donde se emplea un rayo láser de alta potencia para fundir completamente polvos metálicos transformándolos en piezas solidas tridimensionales. El láser va uniendo las diferentes partículas y a medida que lo hace se añade otra capa fina de polvo para su posterior endurecimiento. Puede utilizar materiales como polvo de acero inoxidable, aluminio, titanio, etc. Esta tecnología tiene sus variaciones según si esta fusión se realiza en cámaras inertes, compresor en vacío o altas temperaturas.

-Fabricación aditiva por soldadura de arco (WAAM): Por una parte hay un hilo o barra de metal y por otro un cabezal de soldadura que funde el metal y lo deposita por capas, da como resultado piezas robustas pero requiere mecanizado y no se pueden crear diseños complejos o con cavidades en su interior. Su ventaja es que se pueden crear piezas de gran tamaño. 

 Ahora bien podríamos decir que existen varias maneras de realizar fabricación aditiva en metal, la más habitual y descrito hasta ahora es que se diseña el objeto y se fabrica desde cero. Otra posibilidad es fabricar desde objetos ya existentes. Por ejemplo desde un objeto sobre el que quiero imprimir para añadir material, ya sea para añadir una nueva forma o para reparar una fisura. Esto requiere de un conocimiento previo del objeto sobre el que vamos a imprimir que se consigue gracias a la digitalización de dicho objeto.

Hay empresas que quieren aplicar un recubrimiento de polvo de metal a sus productos para darles mayor durabilidad y esto se puede hacer mediante fabricación aditiva. Por ejemplo tenemos la construcción directa de laser aditivo, donde el polvo es proyectado por la boquilla y se fusiona a su salida a través de un rayo láser para formar una especie de cordón de soldadura, este método permite imprimir directamente sobre una pieza. También existe la pulverización en frio conocida como Cold Spray, cuyo objetivo es unir los polvos metálicos al proyectarlos fríos sobre un soporte.

En el mundo de la fabricación aditiva en metal también se habla de la fabricación aditiva hibrida, en el que se combina la fabricación aditiva con un tipo de fabricación más tradicional, sustractiva, con técnicas de mecanizado tradicional. Esto se debe a que hoy en día la fabricación aditiva no llega a los niveles de acabado superficial y dimensional para fabricar productos de calidad y requiere de un postproceso de eliminación de material sobrante o de lijado. De este modo una maquina aditiva hibrida está basada en la incorporación de un cabezal de aporte laser a un centro de mecanizado, haciendo todo directamente sobre ella, la fabricación aditiva metal de la pieza y el posterior mecanizado.

Las principales ventajas de la fabricación aditiva en metal es que podemos crear todo tipos de piezas y geometrías complejas, sobre todo en el caso del lecho de polvo que hasta ahora era imposible fabricar mediante procesos tradicionales de mecanizado y forjado. La pieza tiene un volumen y es sólida pero internamente se puede crear huecos para aligerarla o mejorar sus propiedades físicas, suponiendo una revolución absoluta en el mundo de la fabricación de muchos productos. Además al ser una fabricación aditiva y no sustractiva el ahorro material es evidente, otra ventaja es que los procesos de fabricación son más rápidos para una pequeña cantidad de unidades. Las principales desventajas son que hay algunos materiales, como los polvos de titanio, que son más caros al peso que una pieza solida y  que las propias impresoras de fabricación aditiva en metal son muy caras.

¿Para qué se suele aplicar la fabricación aditiva metal en la industria?

Para productos de prototipado rápido, moldes con cavidades internas para su refrigeración que serían imposibles fabricar mediante mecanizado, brocas de metal especiales refrigeradas internamente, figuras geométricas complejas que no se pueden hacer con otros medios, utillajes con mayor rendimiento que otros de materiales plásticos, recambios de piezas que no se pueden conseguir, unificar conjuntos de piezas y fabricarlos en una sola limitando la necesidad de  postprocesos o eliminando muchos ensamblajes, acortar los plazos de producción, fabricar piezas personalizadas para ciertos clientes, etc.

https://www.renishaw.es/media/video/en/165b0483ee2941fbb79cad4d8e41d7f2.mp4

 

¿Cuáles son las tendencias de futuro de la fabricación aditiva en metal en el ámbito industrial?

Existe una clara mejora temporal en la productividad de las maquinas. Por ejemplo las impresoras de fusión de lecho de polvo empezaron con un solo láser y ahora disponen de hasta 4 permitiendo una mayor velocidad de fabricación. Por otro lado, cada vez hay más fabricantes de polvo de metal y mediante inversiones se está consiguiendo reducir los costes del producto. Todo esto está permitiendo que la tecnología sea cada vez más económica, además cada vez hay más procesos de fabricación de diferente calidad, por lo que es posible realizar piezas más baratas sin necesidad de que tengan las prestaciones o acabados que exigen por ejemplo el sector aeronáutico. Se pretende desarrollar materiales que tengan una mayor resistencia a la temperatura, algo muy importante para el sector aeronáutico y para la forja.

En resumen, se espera que la fabricación aditiva en metal siga creciendo, reduciendo con el tiempo su elevado coste inicial y aumentando su productividad y ventajas como materiales más resistentes y complejos.