Automoción: aplicaciones de filtración innovadoras en la industria del automóvil

Los procesos de filtración y separación se emplean ampliamente en la industria automotriz. Anthony Bennett revisa algunos de estos procesos utilizados en la fabricación de motores, la producción de vehículos y el ensamblaje de automóviles.

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Este artículo se centra en una serie de tecnologías innovadoras de filtración y separación utilizadas en la industria automotriz. Se concentra en la fabricación de motores, revisa brevemente las tendencias tecnológicas en el funcionamiento del motor y el impacto de éstas en los requisitos de filtración, antes de describir los avances en la tecnología de filtración y separación utilizada en la fabricación de motores, centrándose en la eliminación de neblina de aceite, la filtración magnética de fluidos refrigerantes y el lavado de piezas del motor. . En la producción de vehículos automotores existen problemas de filtración en la producción de moldes de fundición para la fabricación de partes de la carrocería y la separación de sólidos de las soluciones de tratamiento de la carrocería, recubrimientos y pintura. Finalmente, se revisa una tecnología innovadora que se utiliza tanto en procesos de ensamblaje como de mantenimiento de vehículos.

Dentro del motor de combustión interna, la filtración ahora emplea materiales de mayor eficiencia, tanto en los filtros de líquido como de aire, con varias innovaciones que incluyen, por ejemplo, la introducción de nanomateriales en los filtros de Porvair Filtration. Incorporan la tecnología de nanorrecubrimiento patentada de P2i Limited que emplea un gas ionizado pulsado (plasma), creado dentro de una cámara de vacío, para unir molecularmente una capa de polímero nanométricamente delgada sobre toda la superficie del producto de filtración.

Richard Canepa, consultor de desarrollo comercial de RTC Consulting, informa que, en lo que respecta al diseño de la carcasa del filtro, se está desarrollando una tendencia hacia los sistemas de filtración compactos, como los filtros plisados ​​en Z. Richard Canepa dijo: "También hay un movimiento hacia carcasas de filtro más ecológicas para minimizar el material desechado en el reciclaje, como con los cartuchos de filtro de aceite donde la carcasa se convierte en parte del motor".

Richard Canepa agregó: "A medida que el automóvil evoluciona a través de la eliminación gradual de los motores de combustión interna hacia la electrónica, será necesaria la combinación de filtración de aire y gas, especialmente en el uso de celdas de combustible. También se está trabajando mucho con tecnologías más nuevas. como los motores HCCI [encendido por compresión de carga homogénea] y también hay un mayor uso de la inyección directa. Debido al uso de la recirculación de gases de escape, habrá una necesidad adicional de sistemas de alta temperatura para filtrar los gases de recirculación de escape en los motores de inyección directa".

Concentrándonos en los procesos de filtración utilizados en la fabricación de motores de automóviles en lugar de la operación del motor, ahora nos enfocamos en tres tecnologías innovadoras utilizadas para la eliminación de neblina de aceite, la filtración magnética de fluidos refrigerantes y el lavado de piezas del motor.

Las mejoras evidentes en la tecnología de los motores y las técnicas de fabricación han dado como resultado tolerancias más estrictas en las piezas mecanizadas. Esto ha aumentado la necesidad de tecnologías de filtración y separación para eliminar partículas y residuos de los fluidos refrigerantes, lubricantes y de corte. La corta vida útil de la herramienta se puede evitar empleando una filtración eficaz para reducir los defectos y la repetición del trabajo de las piezas mecanizadas.

La filtración de neblina de aceite se está convirtiendo en un enfoque cada vez más importante para muchos fabricantes de automóviles. Con las máquinas herramienta funcionando a altas velocidades y mayores presiones de suministro de refrigerante, los sistemas de recolección de neblina de aceite electrostáticos y centrífugos tradicionales pueden permitir que la neblina de refrigerante escape a la atmósfera del taller, junto con otros contaminantes, como virutas finas y bacterias. Esto ha provocado investigaciones de salud y seguridad sobre el posible vínculo entre la neblina de aceite y enfermedades respiratorias graves, como el asma ocupacional industrial y la alveolitis alérgica extrínseca.

Vokes Air Group ha desarrollado un nuevo enfoque para la eliminación de neblina de aceite. La tecnología ScandMist de la empresa funciona mediante un proceso de filtración de tres etapas. Las dos primeras etapas eliminan el aceite del aire y el filtro final limpia el aire para que pueda ser devuelto al entorno local.

Un ventilador de alto rendimiento extrae el aire contaminado a través de una serie de filtros. Los filtros de eliminación de aceite funcionan recolectando aceite o refrigerante y permitiendo que se drene a la base de la unidad ScandMist (vea la Figura 2). El aire contaminado pasa a través del medio filtrante y las partículas de aceite son atraídas por las fibras oleofóbicas. Las gotas de aceite continúan chocando con la fibra y la gota de aceite gana en masa. A medida que la gota de aceite se vuelve más grande, se vuelve lo suficientemente pesada como para caer contra el flujo de aire hacia la base de la unidad ScandMist, donde se puede recolectar o drenar directamente al sumidero de la máquina herramienta.

El aire depurado luego pasa a través de un coalescedor altamente eficiente donde se repite el proceso de coalescencia. Después de esta segunda etapa de filtración, Vokes-Air Group informa que el aire está en promedio 95-98% libre de neblina de aceite.

La tercera etapa de filtración está diseñada para limpiar completamente el aire restante a un nivel mucho más alto que el aire ambiente circundante. Mediante el uso de un filtro HEPA, esta etapa final garantiza que las partículas submicrónicas (p. ej., trazas de aceite, humo, bacterias, polen y esporas) queden atrapadas y no se les permita regresar al taller. Los filtros HEPA utilizados funcionan con una eficiencia del 99,95 % y tienen una clasificación de 0,3 μm. Esto significa que en el entorno de un taller, todas las partículas peligrosas quedan atrapadas de manera efectiva, lo que garantiza que solo se devuelva al taller aire clínicamente limpio.

Muchos fabricantes de automóviles han instalado sistemas de filtración de neblina de aceite en sus instalaciones de producción. Vokes-Air Group informa fuertes pedidos para su sistema ScandMist a pesar de la recesión económica.

Ahora ampliamente utilizado en procesos de escariado y mandrinado para la eliminación de partículas y residuos, el filtro magnético Micromag de Eclipse Magnetics puede reducir los costos de mecanizado y mejorar la calidad, la precisión y el acabado superficial del producto que se está mecanizando.

Honda recurrió a Eclipse Magnetics para utilizar la tecnología Micromag en una máquina escariadora y mandrinadora personalizada en su planta de Swindon en el Reino Unido. La máquina, diseñada y fabricada por la División de Ingeniería de Honda, se utiliza para fabricar asientos de válvulas de motores, un componente del motor en el que la precisión y la calidad del acabado superficial son fundamentales.

Los ingenieros de Honda descubrieron que las micropartículas de metal transportadas en el refrigerante de la máquina podrían afectar negativamente el acabado de la superficie del asiento de la válvula maquinado, lo que a su vez podría afectar la eficiencia del motor.

El ingeniero a cargo de este proceso en el sitio, Peter Jones, creía que la filtración magnética podría proporcionar la respuesta. Peter Jones dijo: "Desde que incorporamos Micromag en nuestro proceso, hemos descubierto que, además de eliminar de manera eficiente las partículas de metal potencialmente dañinas, las características de fácil mantenimiento de la unidad aseguran que ahora experimentemos un tiempo de inactividad mínimo".

El núcleo magnético del Micromag se compone de imanes de boro de hierro de neodimio que generan un campo magnético de alta intensidad. El fluido ingresa a la carcasa y se distribuye uniformemente alrededor de la parte inferior de una tapa de aluminio a través de canales de flujo cónicos radiales. El fluido pasa por el exterior del núcleo magnético donde las partículas magnéticas son atraídas por el campo magnético de alta intensidad.

El núcleo magnético posicionado en el centro utiliza un circuito magnético geométrico. Los imanes están dispuestos alrededor de un escudo de retorno de flujo magnético central para garantizar que se utilice todo el rendimiento de los imanes y, al mismo tiempo, permitir un flujo de fluido no afectado, incluso cuando el núcleo está completamente saturado de contaminación.

Los procesos de lavado acuoso o químico se basan en una filtración fina para garantizar que las piezas del motor estén libres de partículas. Se requiere agua de alta pureza para producir soluciones acuosas con tecnología de membrana de ósmosis inversa (RO) que se utiliza para cumplir con la especificación requerida.

El pretratamiento electropositivo de ósmosis inversa se ha utilizado ampliamente para prolongar la vida útil de la membrana en sistemas de agua de alta pureza. Prácticamente todos los fabricantes de membranas de ósmosis inversa especifican una calidad mínima para las aguas de alimentación de sus sistemas para mantener la integridad del sistema y un retorno económico de la inversión. Las especificaciones típicas incluyen agua de alimentación con < 1,0 NTU (unidades nefelométricas de turbidez) y un índice de densidad de sedimentos (SDI) de < 3,0.

Argonide probó su cartucho de filtro plisado electropositivo NanoCeram® contra varios prefiltros de ósmosis inversa disponibles en el mercado. Argonide afirma que su cartucho de filtro NanoCeram exhibe una ventaja significativa en la eliminación de partículas submicrónicas en comparación con estos otros cartuchos de filtro disponibles en el mercado. Bajo cargas extremas, NanoCeram produce valores de NTU por debajo de los límites detectables y valores de SDI comparables a las membranas de UF, lo que proporciona una protección duradera de las membranas de ósmosis inversa susceptibles de ensuciarse prematuramente.

Los filtros NanoCeram se han instalado en un sistema de ósmosis inversa en una planta de Toyota Motor Manufacturing que utiliza una fuente de agua municipal. Antes de la instalación de los filtros electropositivos, el SDI en el agua de alimentación del sistema promediaba 4,42. Después de la instalación de los cartuchos de filtro NanoCeram, los niveles de SDI promediaron 1,19.

Antes de la instalación de los filtros NanoCeram, Toyota limpiaba sus membranas de ósmosis inversa cada 1 o 2 semanas y reemplazaba estas membranas cada 2 o 3 meses debido al ensuciamiento prematuro e irreversible de las membranas. Después de la instalación de los cartuchos de filtro NanoCeram y un período de puesta en marcha inicial de dos meses, las membranas estuvieron en funcionamiento durante doce meses sin necesidad de limpieza.

En esta sección nos centramos en las tecnologías innovadoras empleadas en la producción de piezas de carrocería de automóviles, su lavado, preparación de superficies y posterior pintura multicapa. Analizamos la limpieza con dióxido de azufre en la producción de moldes, la separación de sólidos de las soluciones de prefosfato y otra aplicación innovadora del magnetismo en la cocina de pintura para prolongar la vida útil de las instalaciones existentes de filtros de cartucho y bolsa.

La producción de paneles de carrocería de vehículos requiere la fabricación de moldes de arena especializados. Durante los procesos de curado del molde de arena, se requiere la limpieza del gas de dióxido de azufre. Götaverken Miljö entregó un sistema de limpieza con dióxido de azufre a la fundición de Volvo Powertrain Corporation en Skövde, Suecia (consulte la Figura 3). La corriente de gas necesaria para limpiar contiene altas cantidades de dióxido de azufre, aproximadamente 70 g/Nm3. La necesidad de tratar el gas surge porque los moldes de arena, utilizados en el proceso de fundición, se curan con anhídrido sulfuroso.

El dióxido de azufre contaminado se extrae del molde mediante un sistema de extracción por soplador. El soplador presuriza el gas en un reactor donde reacciona con la cal y forma yeso. Una pequeña cantidad de dióxido de azufre se difunde fuera del molde hacia el gabinete circundante. Este gas se recolecta y se ventila a un depurador donde el dióxido de azufre se convierte en ácido sulfúrico. En un segundo paso, el ácido sulfúrico formado se convierte en yeso.

El proceso no libera sulfatos al agua y la concentración de dióxido de azufre liberado al aire es muy baja. El yeso es el único producto residual que se forma y se puede reutilizar, por ejemplo, en la industria del cemento.

El ensamblaje de la carrocería del vehículo automotriz requiere varios pasos, cada uno de los cuales puede producir partículas de desecho que dan como resultado la contaminación durante los procesos de pintura posteriores. La soldadura de paneles de automóviles y postes laterales al bastidor del vehículo genera salpicaduras de soldadura, mientras que el esmerilado de acabado contribuye a la escoria y los finos de esmerilado adicionales. La suciedad del ambiente del taller también puede adherirse a los paneles. Esta contaminación debe eliminarse del vehículo antes de la preparación inicial de la superficie para proporcionar una superficie lisa para el proceso de pintura.

Los sistemas de filtración de cartuchos y bolsas se utilizan ampliamente en los procesos de fabricación de automóviles y en muchas industrias de procesos para la eliminación de partículas gruesas y finas. En la industria automotriz se utilizan principalmente en la preparación de superficies y para la filtración de las diversas pinturas y revestimientos que se encuentran en la cocina de pintura.

La preparación inicial de la superficie generalmente utiliza líquidos a base de fosfato. En el proceso de pintura posterior, se aplican múltiples recubrimientos (generalmente cinco capas) para lograr la apariencia final. La contaminación en la superficie de metal antes de la primera capa de fosfato puede provocar una imperfección notable en el vehículo terminado una vez cubierto con cinco capas de recubrimientos. Si bien se han establecido puntos de referencia en la industria para permitir una cierta cantidad de imperfecciones por panel de carrocería, los números que exceden los límites aceptables requieren una inspección manual y un acabado manual, lo que genera costos más altos e ineficiencias para los fabricantes de automóviles.

Un importante fabricante de automóviles, con sede en Detroit, EE. UU., enfrentó niveles inaceptables de defectos de pintura y imperfecciones notables en los automóviles terminados debido al bajo rendimiento inadecuado de su sistema de filtración de bolsas existente.

Si bien la filtración por bolsa utilizada fue efectiva para la eliminación de finos de fibra (en el rango de 150-400 μm), no fue efectiva para eliminar otros contaminantes grandes atribuidos a imperfecciones, como bolas de soldadura y finos de esmerilado. El uso de bolsas de filtro de clasificación más fina resultó en problemas de costo y mantenimiento, mientras que las bolsas de clasificación más grande causaron demasiados defectos potenciales en la pintura. Claramente, los filtros de mangas fueron ineficaces para eliminar las bolas de soldadura y los finos de molienda.

Reconociendo la necesidad de eliminar todos los sólidos presentes en su operación de lavado de carrocería con prefosfato, el fabricante de automóviles instaló separadores Lakos como un sistema de pretratamiento en la línea de recirculación de agua de lavado antes de los filtros de mangas, prefiltrando de manera eficiente para eliminar partículas grandes. como bolas de soldadura, finos de molienda y escoria.

El uso de los separadores para eliminar estos sólidos más pesados ​​ahora permite que los filtros de bolsa acepten una mayor carga de partículas más pequeñas, eliminando fibras y selladores, maximizando la vida útil de la bolsa del filtro y aumentando la eficiencia de las bolsas clasificadas en micras más grandes. Como resultado, Lakos informa que los defectos de pintura se han reducido hasta en un 85 % en algunas plantas automotrices. El proceso ahora se ha adoptado en todo el mundo para este fabricante de vehículos.

El prefiltro magnético Amazon FerroStik es otra aplicación innovadora del magnetismo, también diseñado para prolongar la vida útil de los filtros de bolsa y de los filtros de cartucho en aplicaciones de filtración de pintura y revestimiento. El rendimiento de estos filtros se puede mejorar significativamente protegiéndolos aguas arriba con tecnología de prefiltración magnética y el sistema FerroStik limpiable puede aumentar la vida útil del filtro y mejorar la calidad del filtrado.

El sistema de Amazon consta de cuatro varillas magnéticas de alta intensidad que están suspendidas en una carcasa de bolsa estándar (consulte la Figura 4). El filtro magnético elimina partículas ferrosas grandes y pequeñas que, de otro modo, bloquearían el filtro final o pasarían a través de él y permanecerían en el líquido. Una vez ensuciados, los imanes pueden limpiarse in situ y volver a funcionar.

Los sistemas Amazon FerroStik pueden instalarse de forma permanente o utilizarse como unidades portátiles con mangueras flexibles. Los sistemas de filtración magnética se pueden utilizar en modo de un solo paso o en un sistema de recirculación para la máxima eliminación de partículas. Los beneficios clave identificados por Amazon incluyen una mejor calidad del filtrado, una mejor protección de los equipos posteriores, una mayor vida útil del filtro y una reducción de los costos de funcionamiento.

Numerosos componentes se instalan en los vehículos una vez que se ha completado la construcción básica, y se utiliza una amplia gama de procesos de filtración y separación en su fabricación, instalación y operación. Nos enfocamos aquí en una tecnología innovadora que utiliza una técnica simple de separación de gases y se puede usar en el taller y en el garaje local.

Los sistemas TyreSaver desarrollados por Parker Hannifin se han diseñado especialmente para inflar neumáticos con nitrógeno. La tecnología se puede instalar dentro de las líneas de producción o en una escala más pequeña para que la use el personal de servicio automotriz en los procesos de ajuste y mantenimiento de neumáticos (consulte la Figura 5). Parker advierte que las fugas de nitrógeno seco de los neumáticos son más lentas (de tres a cuatro veces) que el aire comprimido normal que generalmente se usa para inflar los neumáticos, lo que brinda varios beneficios, entre ellos, estabilidad a largo plazo de la presión de los neumáticos, menos resistencia, menos desgaste (hasta 25%), menos consumo de combustible (hasta un 8%), menos emisiones de dióxido de carbono, mejor rendimiento y mayor seguridad.

El sistema de Parker comprende tecnología de membranas para la separación de gases basada en fibras huecas. El principio de funcionamiento consiste en un haz de miles de fibras huecas que permiten que el oxígeno fluya de forma selectiva. Un módulo de membrana consta de un haz de fibras fijado en ambos extremos dentro de un tubo. El aire comprimido que ingresa a este módulo de membrana contiene proporciones atmosféricas normales de gases, que consisten principalmente en oxígeno y nitrógeno, con adiciones menores de otros gases como vapor de agua, helio y gases traza. Además del oxígeno, el vapor de agua, el helio y el oxígeno pasan selectivamente a través de la pared de la membrana, dejando atrás principalmente nitrógeno para inflar el neumático.

Hemos visto que varias de las tecnologías de filtración empleadas se han adaptado para mejorar el funcionamiento de los equipos existentes de bajo rendimiento. Esto ha brindado a los fabricantes de automóviles soluciones rentables que implican la instalación de equipos avanzados de pretratamiento que incluyen separadores, filtros magnéticos y pretratamiento de ósmosis inversa electropositiva. Esto se ha traducido en ahorros de costes, así como en beneficios medioambientales derivados de la reducción del uso de componentes de filtración consumibles.

A medida que empecemos a alejarnos del motor de combustión interna, las especificaciones sobre la eliminación de partículas en la producción y el funcionamiento del motor se volverán más estrictas, lo que aumentará la necesidad de un uso generalizado de tecnologías de pretratamiento en las líneas de producción existentes. El desarrollo previsto de los sistemas electrónicos en los vehículos, el uso de motores eléctricos y pilas de combustible, y la introducción de motores HCCI y técnicas de recirculación de gases de escape, son factores que demandarán productos de filtración superiores con altas especificaciones de remoción a mediano plazo. Es probable que esto impulse el desarrollo de la tecnología de nanorrevestimiento y acelere la tendencia actual de soluciones de filtración más compactas e integradas.