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Jun 28, 2023

El metal es el rey para un futuro sostenible (y rentable)

James D. Blythe Seguir - Escuchar Compartir Desde el escritorio de James Blythe: Muy bien, oyentes, saquen sus gafas más gruesas de botella de coca cola y sus protectores de bolsillo. Hablemos un poco de ciencia de los materiales para comenzar.

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Desde el escritorio de James Blythe.

Bien oyentes, saquen sus gafas más gruesas de botella de coca cola y sus protectores de bolsillo. Hablemos un poco de ciencia de los materiales para comenzar la semana.

Durante mucho tiempo, la metalurgia (la ciencia de los metales y sus aleaciones) no ha sido particularmente atractiva. “Caramba, señor Blythe, ¿no hemos descubierto todos los metales que existen? ¿Qué podría quedar? Todavía hacemos todo de acero, ¡qué aburrido! ¿Has oído hablar de este último compuesto de microtubo de nanopuntos y grafeno? Puedo entender este sentimiento.

Sin embargo, en un mundo de supermateriales, el metal es supremo.

Cuando un trabajo debe realizarse de manera absolutamente positiva, se llama a los metales. Cuando hay que construir un edificio o fabricar la estructura de un automóvil, se llama metales. Si necesita resistencia, durabilidad y trabajabilidad, llame a los metales.

Todo el tiempo se inventan nuevas aleaciones metálicas. Unos cuantos puntos menos de carbono aquí, unos cuantos puntos más de escandio allá, ese tipo de cosas. Sin embargo, los grandes avances en la metalurgia no han sido tan llamativos ni tan trascendentales como podrían haber sido en los años sesenta. Sin embargo, lo que se ha quedado atrás no es la investigación y el desarrollo de nuevas aleaciones, sino la implementación y adopción de las existentes. Peor aún, la infraestructura estadounidense para soportar estos materiales críticos se ha desplomado continuamente debido a las presiones económicas de Asia y el envejecimiento de la infraestructura.

Claro, no es tan contundente como un titular de Popular Mechanics como “¡Los científicos inventan el Unobtanium! ¡Más barato que el papel higiénico y más resistente que el acero! Pero es mucho más importante para nuestro futuro en el mundo real.

La gente lamenta la fijación de la sociedad moderna por los plásticos, pero hay una razón por la que estos materiales de ingeniería proliferan tanto en los productos básicos. Sin embargo, en una economía circular y sostenible, los plásticos y los compuestos tienen dificultades para encontrar un buen lugar donde vivir. En una economía circular, debemos pensar en el final de la vida útil de nuestros dispositivos. Cuando un producto o dispositivo se vuelve obsoleto, ¿cómo lo reprocesamos o reutilizamos? Para el reprocesamiento de plásticos y composites, sus opciones son limitadas (si es que tiene alguna).

Entonces, ¿qué sigue en el horizonte?

Las aleaciones ligeras como el aluminio y el titanio son el futuro. Estos materiales de fabricación no son nuevos, pero a menudo se pasan por alto en favor de productos de acero comunes. Los metales son infinitamente reciclables y, a medida que más empresas adoptan nuevos enfoques de diseño, estas aleaciones tienen potencial para llevarnos hacia un futuro más rentable y sostenible.

¿La principal barrera? Costo y dependencia de las exportaciones extranjeras. Discutamos, ¿de acuerdo?

Ustedes, los metalúrgicos incondicionales, probablemente hayan escuchado esto antes. Para aquellos de ustedes que no están iniciados, probablemente no tengan idea de lo que estoy hablando.

En la construcción y la fabricación y en muchas otras industrias, ha habido una larga historia de ingenieros y científicos que desestiman lo que es “nuevo”. Como tal, muchos fabricantes, diseñadores y talleres todavía creen que el acero estructural antiguo es el rey y que todos los demás metales que existen son inviables.

Está mal, pero entiendo el sentimiento.

El acero impulsa gran parte de nuestro mundo industrial. Domina las industrias del transporte y la construcción como material preferido. Fuerte, barato, fácilmente disponible y muy viable; Estas son las marcas registradas de buenos productos de acero. También es pesado.

El peso reduce la eficiencia del combustible y impone límites significativos al rendimiento del automóvil. Las piezas se desgastan más rápido y es necesario reemplazarlas con más frecuencia.

En las industrias de la construcción, el acero se utiliza para reforzar el hormigón, proporcionar marcos estructurales e incluso se utiliza para fabricar revestimientos ligeros para protegerlo de la intemperie. Según algunas estimaciones, el uso de acero en la construcción es excesivo (según el diseño de ingeniería) para lograr ahorros en mano de obra o un factor de seguridad adicional. [1] Esto significa exceso de peso y desperdicio en la producción. Se están desarrollando nuevas técnicas para reducir este peso.

La construcción no es la única industria que está reexaminando su uso de la producción de acero. En la industria automotriz, los ingenieros trabajan constantemente para lograr productos de acero más livianos y con mayor aleación. Trabajando para utilizarlos de manera más eficiente para reducir el peso y el costo.

A pesar de las preocupaciones sobre el impacto de la fabricación pesada en el medio ambiente, las tasas de reciclaje de acero oscilan entre el 70% y el 90%, según a quién se le pregunte. Esa es una victoria para la sostenibilidad. Esto es una ventaja para una mayor productividad y reducción de costos (capacidad de vender chatarra y productos de desecho).

El problema del acero es que es pesado y se oxida. No se puede reprocesar el óxido fácilmente. Por lo tanto, con el tiempo, su automóvil, malecón o cerca metálica regresan a la tierra. Del polvo vino y al polvo volverá.

La corrosión degrada lentamente los componentes críticos, lo que puede provocar fallas inesperadas y disminuir la vida útil general del producto. Siempre es bueno encontrar materiales que sean ligeros y resistan mejor la corrosión.

Al final, amamos el acero. El problema con las aleaciones de acero es que, a pesar de sus numerosos beneficios de fabricación, representan importantes problemas en el ciclo de vida de los productos fabricados. Ya sean aviones, trenes o automóviles, el acero es peso. El peso perjudica la eficiencia del combustible. El peso perjudica las piezas de desgaste. Si a esto le sumamos la escasa resistencia a la corrosión del acero, tendremos que sustituir componentes esenciales con más frecuencia de la debida.

Eso es dinero perdido. Eso es un desperdicio excesivo. ? Entonces, como lo arreglamos?

¿Has oído alguna vez “el nuevo material X es más fuerte que el acero”? Cada vez que vea un artículo con ese título, lea la letra pequeña. A menudo no son realmente más fuertes, sino que lo son dentro de un contexto determinado. He aquí un ejemplo. La Tabla 1 tiene tres metales comunes: acero estructural A36, aluminio 5083 y Ti-6Al-4V (titanio), y analizamos algunas de sus propiedades materiales básicas; densidad (relacionada con el peso), límite elástico (define cuánta carga puede soportar el material antes de deformarse plásticamente) y resistencia máxima a la tracción (define cuánta carga puede soportar el material antes de romperse).

Muchas veces veo materiales de marketing que dicen “¡aluminio de grado aeroespacial! ¡Más fuerte que el acero! Según este gráfico, no hay forma de que eso pueda ser cierto. Además, tenga en cuenta que aquí estoy usando un ejemplo de acero muy común, de baja resistencia y baja aleación. Hay tipos de acero que superan estas propiedades e incluso rivalizan con el titanio en la tabla.

Sin embargo, lo que realmente estamos mostrando aquí es que estos son aproximadamente el rendimiento esperado para barras del mismo grosor (tamaño general). Entonces, puedes ver que aunque el aluminio tiene menor resistencia, también es más liviano. Significativamente. Pero ¿qué pasaría si pudiéramos cambiar el diseño de una pieza para adaptarla a las características únicas de las aleaciones ligeras? Veamos cómo se comportarían barras del mismo peso.

Ahora vamos a cocinar con aceite.

Puede ver que, para el mismo peso de material, tanto el titanio como el aluminio expulsan el acero del agua. Interesante ¿no? Efectivamente, por la misma cantidad de peso, puedo tener una barra de aluminio que es casi 3 veces más gruesa que el acero equivalente. En ese tamaño, existen importantes beneficios de rendimiento. Se puede imaginar entonces que jugando con la geometría de una pieza en el diseño se puede ajustar el rendimiento con el uso adecuado de aleaciones ligeras.

Ésta es la clave para permitir productos fabricados más ligeros y sostenibles, desde la automoción hasta la construcción. Aún mejor, el aluminio y el titanio son extremadamente resistentes a la corrosión.

Tesla lo entiende. En los últimos años, otras empresas automotrices también han comenzado a adoptarlo. Hay algunas buenas ideas en este cambio. Ciertamente, a medida que más empresas adopten el uso de estos materiales livianos, habrá una curva de aprendizaje en la fabricación, pero en última instancia los beneficios del éxito serán significativos.

Otra cosa a tener en cuenta. No se muestra aquí, pero la rigidez de un miembro está relacionada con el cubo de su espesor. Como resultado, para estructuras verdaderamente rígidas, el aluminio es una de las mejores selecciones de materiales que se pueden hacer en el mundo metálico, suponiendo que se pueda diseñar para los miembros más gruesos.

Las secciones gruesas y fáciles de mecanizar pueden ahorrarle mucho dolor de cabeza durante la fabricación, donde las piezas de acero onduladas pueden necesitar fijación adicional y control de distorsión.

En realidad, Estados Unidos es muy bueno para comprender la relación entre el diseño y el uso entre estos metales ligeros y los productos de acero convencionales. Se sabe que estructuras más ligeras en el transporte y otras industrias equivalen a ahorros de combustible. Ese es un producto más sostenible. Eso significa costos más bajos para los proveedores de servicios. La aviación tiene en cuenta esta compensación en sus estrategias de diseño y adquisición y tiene cifras de "lo que estamos dispuestos a pagar por libra de peso ahorrado". Ésta es una de las principales razones por las que se utiliza tanto aluminio y titanio en aviones y cohetes.

Otras industrias no están tan bien equipadas. Desarrollar esa comprensión es clave para atraer a más ingenieros y fabricantes al uso de metales livianos.

Hay pensadores dentro del Ejército que entienden que el uso de metales livianos es una consideración seria para la seguridad nacional. Sin embargo, la mayoría tarda en adoptar este pensamiento a escala sistémica.

Estados Unidos utiliza mucho aluminio y titanio. [2] El problema es que somos importadores netos de estos materiales. ¿Adivina quién fabrica la mayoría de estos metales ligeros? China y Rusia. La producción de aluminio en Estados Unidos se ha visto aplastada en los últimos años a pesar de su uso récord. De manera similar, con la guerra en Ucrania, el suministro de titanio al resto del mundo se ha restringido y Japón está trabajando para compensar la diferencia. Esto no es sostenible en un futuro probablemente impulsado por metales más livianos.

Iperion X cree que pueden resolver los problemas del titanio en Estados Unidos con su nueva empresa en Tennessee. En este momento, no parece haber mucho en proceso para abordar la producción de aluminio a nivel nacional, pero existe el potencial para que Estados Unidos se convierta en un líder mundial con las inversiones adecuadas. Cuando el país decida emprender esta tarea, tendrá que reflexionar seriamente sobre la “forma correcta” de implementarla. Uno de los desafíos es que países como China sean capaces de aprovechar enormes reservas de capital humano con prácticas éticas cuestionables para obtener productos baratos y abundantes. Estados Unidos tendrá que considerar cómo responderá a este desafío de una manera más sostenible.

Dada la infinita reciclabilidad de estos recursos, el uso y la producción domésticos de titanio y aluminio tienen el potencial de acercarnos a una economía circular sostenible si se utilizan adecuadamente.

La única pregunta que queda es: "¿cómo llegamos allí?" Se necesitarán mentes más inteligentes que yo para responder esa pregunta en los próximos años. El potencial de producción de metales ligeros en Estados Unidos tiene el potencial de mejorar los productos y mercados de ingeniería. Especialmente para aquellos que pueden aprovechar la oportunidad.

Buena caza.

[1] El artículo al que se hace referencia es en realidad una investigación sobre la reducción del uso de acero en los edificios como una forma de reducir las emisiones de carbono necesarias para producir dicho material. También contiene algunos datos útiles sobre el uso del acero y los principios generales de diseño que parecen antecedentes relevantes para el lector.

[2] Es importante señalar que, con diferencia, el uso número uno de los materiales de titanio es el óxido de titanio, una cerámica utilizada para producir pigmentación para la coloración blanca en pinturas y otros revestimientos, no como un metal estructural liviano.