Superar la escasez de materiales: las simulaciones y los métodos de ensayo avanzados ponen de relieve alternativas a los materiales convencionales
Fraunhofer IWS desarrolla soluciones innovadoras de materiales y procesos para los retos industriales en un contexto de escasez de recursos
La escasez de materias primas plantea graves retos a las industrias mundiales. El reciclaje y el mayor uso de materias primas secundarias se han vuelto esenciales para muchas empresas. Al mismo tiempo, el aumento de los precios de las materias primas y la incertidumbre en las cadenas de suministro están impulsando la investigación sobre materiales. El Instituto Fraunhofer de Tecnología de Materiales y Rayos IWS de Dresde participa ahora en un nuevo proyecto insignia de Fraunhofer, cuyo objetivo es garantizar el suministro de materiales estructural y funcionalmente seguros, sobre todo para la transición energética.
La demanda de materiales críticos como el litio, el cobalto y los elementos de tierras raras va en aumento. Estos recursos son indispensables para las baterías, la electrónica y los sistemas de energías renovables. Como estos materiales suelen encontrarse en unos pocos países, la dependencia y la vulnerabilidad de las cadenas de suministro van en aumento. Las tensiones geopolíticas y las restricciones comerciales agravan aún más la situación. En este contexto, la economía circular está ganando importancia. Incluso las materias primas convencionales, como el aluminio, se ven cada vez más afectadas por la escasez. Hasta hace poco, el aluminio se consideraba relativamente abundante. "Sin embargo, cada vez es más difícil obtenerlo", explica la profesora Martina Zimmermann, jefa del departamento de Caracterización y Ensayo de Materiales de Fraunhofer IWS. La producción de aluminio primario -aluminio derivado directamente del mineral- ha disminuido constantemente en Alemania. Esta evolución está obligando a las industrias a depender más de materias primas secundarias producidas mediante el reciclado de metales ya utilizados. Esto no sólo es ecológicamente sano, sino también económicamente atractivo. El uso de materias primas secundarias ahorra energía y reduce las emisiones deCO2.
Sin embargo, hay un problema: durante el proceso de reciclado puede producirse contaminación. La causa son sustancias extrañas como pinturas, plásticos u otros metales en el material reciclado. Esto complica el procesamiento y reduce la calidad de las materias primas secundarias. Entonces, ¿cuál es el impacto del reciclado repetido? "Otro aspecto importante y un reto para las industrias es la variabilidad de los lotes", añade el profesor Zimmermann. Este problema es bien conocido, por ejemplo, con las chapas de acero inoxidable utilizadas para fabricar placas bipolares para baterías y pilas de combustible. El acero inoxidable contiene níquel, pero cuando escasea, sólo se añade la cantidad mínima. Esto afecta a la conformabilidad de la chapa y a su resistencia a la corrosión.
Pruebas rápidas de materiales mediante una combinación de simulación y experimentación
El objetivo es determinar la composición y las propiedades del material de forma rápida, precisa y rentable, lo que permite ajustar a tiempo los procesos industriales. Aquí es donde entra en juego el proyecto insignia de Fraunhofer "Ecosistema digital para un suministro resistente y sostenible de materiales funcionalmente seguros", u "ORCHESTER" para abreviar. Desde principios de 2024, seis institutos Fraunhofer, liderados por el Instituto Fraunhofer de Mecánica de Materiales IWM, trabajan en esta iniciativa. Fraunhofer IWS es uno de ellos. Para finales de 2027, los investigadores pretenden encontrar nuevas formas de abordar la escasez de materias primas y ofrecer estrategias de adaptación para la industria transformadora. Utilizan un enfoque moderno de la investigación de materiales que combina estrechamente modelos digitales con experimentos prácticos, lo que se conoce como diseño combinatorio de materiales. Con este método, los investigadores pueden simular diversos escenarios en el laboratorio, como por ejemplo cómo afectan a las propiedades de un material los cambios en su composición, los ajustes durante la producción o el reciclado repetido. Combinando simulaciones digitales y pruebas experimentales, pueden optimizar mejor las propiedades de los materiales, predecir los resultados y aplicar los ajustes necesarios con mayor rapidez.
Fraunhofer IWS se beneficia de la experiencia adquirida en un proyecto anterior. Como parte del programa europeo M-ERA.net, el grupo de Materiales y Análisis de Fallos del Dr. Jörg Kaspar trabajó en aleaciones de alta entropía (HEA), consideradas materiales prometedores para industrias como la aeronáutica, la construcción de turbinas y otros sectores de alto rendimiento. Estas aleaciones están formadas por al menos cinco metales diferentes combinados en proporciones casi iguales, alejándose del concepto tradicional de materiales metálicos dominados por un único elemento químico, como el hierro en el caso del acero. Cuando se diseñan correctamente, los HEA ofrecen una extraordinaria combinación de propiedades: tienen una gran resistencia y una excelente ductilidad, son más duros y resistentes al calor, al desgaste y a la corrosión que materiales tradicionales como el acero o el aluminio.
Métodos digitales para optimizar las combinaciones de materiales
A pesar de su potencial, los HEA siguen utilizándose poco, sobre todo porque son difíciles de procesar y caros de producir. Encontrar eficazmente la composición ideal sigue siendo un reto. Dadas las numerosas combinaciones posibles, probar manualmente cada variante llevaría años. "Hemos desarrollado un método para acelerar considerablemente este proceso", explica el Dr. Kaspar. En primer lugar, utilizamos una simulación por ordenador. Basándonos en numerosos datos sobre distintas composiciones químicas, identificamos y preseleccionamos aleaciones atractivas. A continuación, realizamos pruebas prácticas".
Utilizando sistemas de fabricación aditiva, los investigadores producen rápidamente muestras de las composiciones HEA previstas. Los sistemas mezclan polvos elementales como hierro, cromo y níquel, los funden con un láser y los depositan en una placa de muestra. La máquina ajusta automáticamente la composición y cada nueva aleación se somete a pruebas de dureza, resistencia y otras propiedades relevantes. Este método semiautomatizado permite identificar mucho más rápidamente la aleación óptima.
Más ideas para un suministro sostenible de materiales
"Tenemos previsto aprovechar esta experiencia en el nuevo proyecto ORCHESTER", afirma la profesora Martina Zimmermann. Explica el nombre del proyecto con una analogía: una orquesta combina varios instrumentos, cada uno de los cuales toca notas diferentes, pero al final se funden en un sonido armonioso. En los materiales confluyen distintas sustancias básicas, cada una de las cuales contribuye a sus propiedades. "Nuestro objetivo es determinar y evaluar eficazmente estas composiciones y propiedades". Las simulaciones y experimentos crearán una base digital de conocimientos sobre las propiedades de los materiales, lo que permitirá hacer recomendaciones para aplicaciones industriales y profundizar en el rendimiento de los materiales.
Las ideas van aún más lejos. Los investigadores ya están desarrollando nuevos conceptos para futuros proyectos. "Una cuestión fascinante sería cómo podemos utilizar nuestro diseño combinatorio de materiales para determinar de forma eficiente cómo reciclar continuamente materiales procedentes de chatarra sin comprometer su perfil de propiedades", afirma el Dr. Kaspar. Los proyectos de Fraunhofer IWS no pueden resolver por sí solos el problema de la escasez de materias primas, "pero junto con nuestros socios pretendemos hacer una contribución significativa", añade la profesora Martina Zimmermann.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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