F1 e innovaciones en el ámbito del carbono

Para los aficionados a la Fórmula 1, McLaren es una referencia ineludible, un pilar del campeonato desde hace décadas. Si bien muchos recuerdan las dificultades que atravesó la escudería en 2015 tras reanudar su colaboración con su socio de larga data, Honda, pocos saben que McLaren revolucionó este deporte a principios de la década de 1980.

El domingo 12 de abril de 1981, Nelson Piquet ganó en el circuito de Buenos Aires la carrera que finalmente le coronaría campeón, pero también ocurrió otro acontecimiento destacado, aunque más discreto: el Marlboro-McLaren MP4/1 debutó en competición como el primer monoplaza de fibra de carbono.

La temporada 1981 comenzó con polémica. La FISA se negó a homologar el Lotus 88 con su innovador concepto de doble chasis, mientras que el Brabham BT49C causó sensación al utilizar una suspensión hidroneumática que eludía la norma de altura mínima de 6 cm, aprovechando al máximo el efecto suelo y manteniendo el coche pegado a la pista. En aquella época, el equipo Brabham estaba dirigido por Bernie Ecclestone. La solución de fibra de carbono de McLaren fue rápidamente copiada por todos los equipos del circo de la Fórmula 1. Para entender por qué, basta con echar un vistazo a la evolución de los chasis. Los primeros coches se basaban en chasis de acero tipo escalera que serían ridículos en los coches de carretera actuales. A mediados de la década de 1950, los fabricantes pasaron a utilizar chasis tubulares de acero soldado, y luego las aleaciones de aluminio se convirtieron gradualmente en la norma. Al principio se trataba de simples láminas de aluminio atornilladas al chasis, pero a principios de la década de 1980 se sustituyeron por paneles sándwich: un núcleo alveolar entre dos finas capas de aluminio. Estos paneles eran ligeros y rígidos, pero planos, difíciles de curvar e imposibles de soldar. Por lo tanto, se solían pegar y remachar con soportes de aluminio. Cuando McLaren introdujo los revestimientos de fibra de carbono en abril de 1981, la flexibilidad de este material permitió moldear todo el chasis en una única estructura verdaderamente monocasco. Un material compuesto se compone de dos partes: una fibra de refuerzo y una matriz que une las fibras entre sí y distribuye las cargas. Las fibras más conocidas son el vidrio, la aramida (Kevlar) y el carbono; existen otras, como el Zylon, el basalto, la cerámica o incluso las fibras vegetales, aunque estas últimas nunca han encontrado su lugar en los compuestos utilizados en el automovilismo. La fibra de carbono en sí misma se deriva del PAN (poliacrilonitrilo), un polímero también conocido en el mundo textil como Dralon. El proceso consta de tres etapas: oxidación a unos 250 °C, carbonización en una atmósfera sin oxígeno a 1000-1500 °C y, por último, grafitización a más de 2000 °C. Ajustando la temperatura y el tiempo de permanencia, los fabricantes pueden adaptar la rigidez y la resistencia a la tracción de la fibra. Los filamentos obtenidos se agrupan en haces de 1000, 3000 o 12 000 filamentos, que luego se tejen o se disponen en capas para formar tejidos.

La matriz suele ser una resina sintética (poliéster, epoxi, fenólica o acrílica), aunque también se han probado matrices metálicas (por ejemplo, aluminio reforzado con fibras de boro) y matrices cerámicas, estas últimas ahora prohibidas en la F1. Los compuestos con matriz de carbono se siguen utilizando para los discos y pastillas de freno. Las resinas suelen ser sistemas de dos componentes que se endurecen cuando se mezclan, bajo el efecto del calor o los rayos ultravioleta. En la Fórmula 1, el epoxi es el material más utilizado, ya que ofrece una excelente resistencia mecánica; la resina fenólica se reserva para los componentes que deben soportar temperaturas superiores a 150 °C. Los compuestos de carbono-epoxi se producen mediante moldeo «por contacto»: se colocan capas de tejido de carbono impregnadas de resina líquida en un molde pretratado y luego se endurecen, ya sea a temperatura ambiente durante un día o en un horno calentado en menos de una hora. Este sencillo método requiere un equipo mínimo y puede llevarse a cabo en un taller modesto. También existe una técnica denominada «moldeo al vacío». Su principio básico es similar al del moldeo por contacto, pero después de colocar la última capa de tejido, se añaden una película desmoldeante y un fieltro de drenaje, y luego todo se sella en una bolsa de plástico de la que se extrae el aire con una bomba. El vacío dentro de la bolsa, combinado con la presión atmosférica, crea una presión uniforme en toda la pieza, lo que mejora la compactación de las capas de carbono y reduce la cantidad de resina necesaria para obtener un compuesto de alto rendimiento. El equipo necesario es mínimo, pero el dominio del proceso es más exigente que en el moldeo por contacto. La infusión funciona según un principio completamente diferente. Se colocan capas de tejido seco en el molde, se envuelven en la misma bolsa que para el moldeo con bolsa y se extrae el aire del interior con una bomba. La resina líquida se encuentra en un depósito conectado a la bolsa mediante uno o varios tubos controlados por válvulas. Cuando se abren las válvulas, el vacío aspira la resina hacia la bolsa, donde impregna el tejido. Aunque es complejo y difícil de aplicar, este método es el preferido para componentes de gran tamaño, como las palas de los aerogeneradores.

En el método «preimpregnado» (pre-preg), los tejidos ya están saturados con una resina muy viscosa y se almacenan congelados. Una vez sacada del congelador, la resina comienza a endurecerse muy lentamente, lo que le da al material una consistencia similar a una fina lámina de cuero que se puede cortar fácilmente. A continuación, las capas de tejido se disponen en el orden y la orientación requeridos, se colocan en la misma bolsa y se endurecen en un autoclave. La alta presión dentro del autoclave compensa la viscosidad de la resina, lo que garantiza una compactación adecuada. Esta es la técnica utilizada en la Fórmula 1 y en la industria aeroespacial, ya que es altamente reproducible. Paradójicamente, es la que requiere menos habilidades manuales, pero sigue siendo la más costosa. Los procesos menos comunes incluyen el bobinado filamentario para tubos o botellas de gas y el moldeo por inyección.

Compuestos de carbono/carbono Cuando tanto el refuerzo como la matriz son de carbono, se obtiene un compuesto de carbono-carbono. En la Fórmula 1, este material se utiliza principalmente para los discos de freno. Las fibras de carbono se tejen o se entrelazan en tres dimensiones para acercarse a la forma final y, a continuación, se impregnan con brea (un residuo de la destilación del petróleo similar al betún). La pieza se somete a la misma serie de transformaciones que el carbono a base de PAN, incluida la carbonización a aproximadamente 1250 °C en una atmósfera inerte de nitrógeno. Una vez eliminada la corteza superficial, se repite el ciclo de impregnación-carbonización hasta obtener la homogeneidad deseada. A continuación, el componente se impregna con silicio líquido para reforzar su resistencia a la abrasión y, a continuación, se grafitiza a temperaturas superiores a 2000 °C. Una vez enfriado, se mecaniza para obtener sus dimensiones finales. El concepto sándwich Cuando se habla de composites, inevitablemente se evoca el principio sándwich: un núcleo ligero e incompresible se coloca entre dos capas de composite. En la Fórmula 1, el núcleo más común es el nido de abeja Nomex (papel impregnado de resina fenólica), utilizado junto con el nido de abeja de aluminio desde la década de 1980. Un núcleo menos conocido, utilizado en el suelo de los Chevrolet Corvette, es la madera de balsa. Sí, la madera puede formar parte de una construcción de alta tecnología. Dado que la rigidez aumenta con el cuadrado del espesor, un aumento de tres veces el espesor da lugar a un aumento de 27 veces la rigidez, lo que hace que el peso adicional del núcleo sea insignificante en comparación con la ganancia de rigidez.

La fibra de carbono y sus ventajas Más allá de su baja densidad, la fibra de carbono ofrece una excelente resistencia a la tracción y a la compresión, así como una gran rigidez. Una pieza de fibra de carbono puede ser cuatro veces más rígida que una pieza de aleación de aluminio o diez veces más rígida que una pieza de acero del mismo peso. El diseño compuesto permite a los ingenieros alinear las fibras directamente con las tensiones a las que se someterá una pieza, eligiendo el tipo de fibra, el tejido y la orientación para optimizar el rendimiento. Este enfoque personalizado elimina el desperdicio de materiales, a diferencia de los metales que, con la excepción de procesos como la forja, ofrecen la misma resistencia en todas las direcciones. Avances La gama de matrices y refuerzos utilizados en los compuestos ha cambiado poco a lo largo de los años, pero los avances recientes han abierto muchas nuevas aplicaciones para estos materiales.

Uno de los ámbitos en los que se han logrado avances es el de la producción: los avances en la creación rápida de prototipos y en las herramientas permiten ahora fabricar un componente compuesto totalmente nuevo en solo tres días, incluidos los moldes. Además, toda una gama de tecnologías de impresión 3D permite a los fabricantes trabajar directamente con polvo de grafito o fibras de carbono largas sin necesidad de utilizar un molde tradicional.

Al mismo tiempo, este campo abarca extremos, desde nanotubos de carbono de solo unas micras hasta fibras macizas de gran envergadura que adornan los capós de los monoplazas actuales. Tomemos como ejemplo el Marlboro-McLaren MP4/1. En 1981, todos los coches del campeonato seguían equipados con una carrocería sobre su chasis. El MP4/1, propulsado por un motor Ford Cosworth V8 de 3 litros, no era una excepción a la regla, pero su revolucionaria carrocería de fibra de carbono estaba moldeada alrededor de un molde macho en forma de punzón. La carrocería desnuda, visible en la foto de abajo, presentaba defectos en la superficie que la hacían inadecuada para la carrocería en ese momento. Hubo que esperar varios años y la integración completa de los amortiguadores y otras piezas de la suspensión para que la carrocería pudiera servir también como revestimiento exterior del coche. La historia cuenta que el sábado 11 de abril de 1981, John Watson se clasificó en undécima posición, muy por delante de su compañero de equipo Andrea de Cesaris, que todavía utilizaba el antiguo chasis. Al día siguiente, Watson abandonó a mitad de carrera debido a fuertes vibraciones. Sin embargo, el 18 de julio del mismo año, ganó el Gran Premio de Gran Bretaña en Silverstone, lo que marcó el comienzo del dominio de la fibra de carbono en la Fórmula 1. Contenido redactado por Patrice Véronel, distribuido por FranceF1.