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Mar 15, 2023

El aluminio reciclado ofrece ahorros en energía, emisiones y rango de baterías de vehículos eléctricos

La chatarra de aluminio de los fabricantes de automóviles se transforma en nuevas piezas de vehículos con la

La chatarra de aluminio de los fabricantes de automóviles se transforma en nuevas piezas de vehículos con el proceso de fabricación ShAPE patentado por PNNL. El calor y la fricción ablandan el aluminio y lo transforman de metal rugoso en un producto suave, resistente y uniforme sin un paso de fusión.

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El nuevo proceso de fabricación produce piezas de vehículos de aluminio de alta resistencia que reducen los costes y son más respetuosas con el medio ambiente.

RICHLAND, Washington — La chatarra de aluminio ahora se puede recolectar y transformar directamente en nuevas piezas de vehículos mediante un proceso innovador que está desarrollando la industria automotriz, en particular para los vehículos eléctricos. [Este mes], el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía, en colaboración con la empresa líder en tecnología de movilidad Magna, presenta un nuevo proceso de fabricación que reduce más del 50 % de la energía incorporada y más del 90 % de las emisiones de dióxido de carbono al eliminar la necesidad de extraer y refinar la misma cantidad de mineral de aluminio en bruto. El aluminio liviano también puede ayudar a extender el rango de conducción EV.

Este proceso patentado y galardonado de extrusión y procesamiento asistido por cizallamiento (ShAPE™) recolecta fragmentos de desecho 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 escalando para fabricar piezas ligeras de aluminio 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, permitiéndoles reemplazar mejor el acero.

"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 en la chatarra sin requerir un paso de tratamiento térmico que consume 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 fondos para la investigación colaborativa de la Oficina de Tecnologías de Vehículos del DOE, Programa de Consorcio de Materiales Ligeros (LightMAT).

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

La microestructura dentro de un trapezoide de aluminio muestra un tamaño de grano altamente refinado y uniforme, clave para lograr un producto fuerte y confiable. (Imagen cortesía de Nicole Overman; mejora de Cortland Johnson | Pacific Northwest National Laboratory)

Además del acero, el aluminio es el material más utilizado en la industria automotriz. Las ventajosas propiedades del aluminio lo convierten en un componente automotriz atractivo. Más ligero y resistente, el aluminio es un material clave en la estrategia de 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 confían en un proceso centenario de precalentamiento de ladrillos, o "palanquillas", 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 la materia prima y las distribuye uniformemente en la palanquilla a través de un proceso conocido como homogeneización.

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 un paso de precalentamiento.

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

Extrusiones hechas a partir de chatarra industrial AA6063 por ShAPE produciendo perfiles (a) circulares, (b) cuadrados, (c) trapezoidales y (d) trapezoidales de dos celdas. (Imagen cortesía de Scott Whalen | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico)

Para estos experimentos, el equipo de investigación trabajó con una aleación de aluminio conocida como 6063 o aluminio arquitectónico. Esta aleación se utiliza para una variedad de componentes automotrices, como soportes de motor, conjuntos de parachoques, rieles de bastidor y molduras exteriores. El equipo de investigación del PNNL examinó las formas extruidas mediante microscopía electrónica de barrido y difracción de retrodispersión de electrones, lo que crea una imagen de la ubicación y la microestructura de cada partícula de metal dentro del producto terminado. Los resultados mostraron que los productos ShAPE son uniformemente fuertes y carecen de defectos de fabricación que puedan causar fallas en las piezas. En particular, los productos no tenían señales de los grandes grupos de metal, impurezas que pueden causar el deterioro del material y que han obstaculizado los esfuerzos para utilizar aluminio reciclado secundario para fabricar nuevos productos.

El equipo de investigación ahora está examinando aleaciones de aluminio de mayor resistencia que se usan típicamente en los gabinetes de baterías para vehículos eléctricos.

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

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 colaboradores 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 la concesión de licencias para otras aplicaciones.

Por Karyn Hede, PNNL. Cortesía del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico.

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