Se necesitan decenas de horas de trabajo conceptual y de fabricación para producir un buen neumático. Descubre cómo se fabrican y cómo se construyen los modelos más conocidos por los conductores.
El primer neumático se desarrolló en 1845.La historia de los neumáticos tiene más de 150 años. El primero en patentar un neumático junto con una cámara de aire fue R. W. Thomson de Aberdeen en 1845. Sin embargo, su invento no recibió demasiado apoyo. De forma independiente, John Boyd Dunlop reinventó el neumático con cámara de aire en 1888. El neumático alcanzó rápidamente una gran popularidad y se convirtió en un elemento inseparable de los automóviles. Los hermanos Édouard y André Michelin también fueron pioneros en el diseño de neumáticos. Ya a principios del siglo XX, estos neumáticos se utilizaron ampliamente tanto en camiones como en automóviles.
Fábrica de neumáticos Continental.¿Cómo puedo comprobar el año de fabricación de un neumático?
Antes de pasar a describir el complejo proceso de fabricación de un neumático, conviene saber dónde encontrar información sobre el año de fabricación. El marcado DOT se encuentra en el lateral del neumático, y los números y letras grabados justo detrás nos ayudarán a descifrar la fecha de fabricación del neumático.
El camino hacia la moderna fabricación de neumáticos
Antes de la era informática, el desarrollo de nuevas soluciones era tedioso y requería de una enorme inversión en términos financieros y de tiempo. El diseño se basaba en los conocimientos de los ingenieros y los diseñadores, una regla de cálculo y un tablero de dibujo. Posteriormente, se construía y probaba un prototipo. En caso de que el nuevo diseño no cumpliera los supuestos establecidos, habría que repetir todo el largo proceso de diseño e investigación.
En las últimas décadas se ha experimentado un enorme avance en esta cuestión. Ha cambiado el producto final y los métodos de fabricación. ¿Cómo se fabrican actualmente los neumáticos? Los experimentos y ensayos prácticos, que suelen ser infructuosos en un principio, ya pueden complementarse y sustituirse por simulaciones y cálculos informáticos. Como resultado, es posible un desarrollo mucho más rápido en todas las áreas clave del rendimiento de los neumáticos.
Estructura de un neumático de automóvil:
- Banda de rodadura, es decir, la parte del neumático que está en contacto con la carretera y que es un elemento importante que determina el manejo en carretera,
- Talón, la parte del neumático formada por un núcleo inextensible, el denominado "alambre", y las lonas que lo envuelven, conformado según el contorno de la llanta,
- Flanco, que es la parte del neumático situada entre la banda de rodadura y el talón,
- Correa: capa de material bajo la banda de rodadura con hilos colocados a lo largo de la línea central de la banda de rodadura que limita circunferencialmente la carcasa,
- Carcasa, que es el tejido engomado o el cordón de acero formado con el talón y que constituye la espina dorsal estructural; sobre la carcasa actúan casi todas las cargas, tanto dinámicas como estáticas. Por lo tanto, la calidad del neumático depende directamente de la estructura de la carcasa.
Fábrica de neumáticos Sava.Primera fase de fabricación: método de elementos finitos y sistemas CAD
En cuanto al diseño, el desarrollo del método de los elementos finitos y el uso de ordenadores en el proceso de diseño han supuesto un gran avance. Este método se utilizó por primera vez en la industria del neumático en los años 80. Los comienzos fueron difíciles. Diseñar un neumático requiere resolver cientos de miles de ecuaciones. Con la potencia de cálculo de los ordenadores de la época, se tardaban decenas de horas en realizar incluso los cálculos menos complejos.
El desarrollo de los sistemas CAD (diseño asistido por ordenador), que tuvo lugar en la década de los 90 del siglo XX, también supuso una gran importancia para la industria del neumático. El ordenador, el teclado y el ratón han sustituido a la mesa de dibujo y al rapidógrafo. Esto permite un análisis de los datos más rápido, más preciso y mejor. También ofrece la oportunidad de evaluar el impacto de las elecciones relativas a:
- el dibujo y la forma de la banda de rodadura,
- la estructura interna del neumático,
- los materiales antes de fabricar un modelo prototipo de neumático.
Método de los elementos finitos: método avanzado para resolver sistemas de ecuaciones. Se basa en la división de la estructura estudiada en elementos finitos. La solución de estos elementos se aproxima mediante funciones específicas. A continuación, los distintos elementos se someten a las leyes de la mecánica. Como resultado, es posible determinar la resistencia, la deformación, la tensión y la distribución del calor bajo distintas condiciones (incluyendo las más extremas). De este modo, existe una mayor probabilidad de fabricar el prototipo más eficiente en el primer intento.
Fábrica de neumáticos Vredestein.
Segunda fase de fabricación: prototipo del neumático y pruebas en automóviles
La creación de prototipos es una de las etapas más importantes del proceso de conceptualización. En la mayoría de los casos se crean varios prototipos. A continuación, se elige el que mejor se ajusta a las hipótesis formuladas. Si ninguno de ellos cumple las expectativas, se procede a rediseñar el modelo. El actual diseño asistido por ordenador mejora las posibilidades de que el prototipo cumpla sus objetivos. Esto acelera considerablemente el proceso de creación del neumático. El prototipo se somete a pruebas de laboratorio y test extremos. Durante los mismos, se comprueba que el prototipo ofrezca las mismas propiedades que las implícitas en los cálculos informáticos anteriores. Se realizan pruebas de diversos tipos. Todo depende de las suposiciones realizadas durante la etapa de diseño. Se realizan test destructivos o en coches de prueba equipados con una quinta rueda, aunque la prueba más importante es, por supuesto, la realizada con automóviles.
Tras las pruebas de laboratorio, los neumáticos se ponen a prueba en el tráfico y en pistas de pruebas. Se trata de una etapa importante por dos razones:
- tiene en cuenta las condiciones reales de la carretera,
- tiene en cuenta la evaluación humana.
En este punto se producen las interacciones hombre/coche/neumático/carretera. Los neumáticos se prueban desde todos los ángulos, en condiciones variables. También se tiene en cuenta el uso previsto: los neumáticos de invierno suelen probarse en condiciones extremas en el norte. Las pruebas las llevan a cabo conductores formados que realizan observaciones y registran los resultados en equipos de pruebas especiales.
Existe otro requisito previo para el inicio de la fabricación en serie de un modelo. Las soluciones elegidas deben ser viables en entornos industriales. La fabricación de un prototipo no se traduce necesariamente en poder fabricar los mismos neumáticos de forma eficaz a gran escala. Se conocen casos en la historia de la industria del neumático en los que soluciones muy buenas en términos de rendimiento no llegaron a la producción y distribución. En multitud de ocasiones se guardaron en un cajón y esperaban, por ejemplo, a un perfeccionamiento de los procesos de fabricación.
Una de las características más importantes de los neumáticos es su durabilidad.Tercera fase de fabricación: preparación y selección de materiales
Tras la fase de diseño del neumático, desarrollo de su documentación y pruebas de prototipos, llega el momento de preparar los materiales con los que se fabricará. Cada modelo se compone de diferentes mezclas, elementos, cordones textiles y de acero. ¿Cómo se fabrican estos materiales?
En la fabricación de neumáticos se utilizan, entre otras, las siguientes materias primas:
- hollín,
- tejidos de cordón,
- diferentes tipos de caucho,
- sustancias aceitosas,
- alambres de acero.
Para conseguir un neumático de buena calidad, estos componentes deben seleccionarse adecuadamente en términos de:
- propiedades químicas y físicas,
- espesor,
- volumen,
- ángulos de corte, etc.
La fabricación comienza con la mezcla del caucho con el hollín, aceites especiales, aceleradores, antioxidantes y otros ingredientes. La selección de cada ingrediente es un secreto del fabricante. El resultado final de esta etapa es la obtención de un compuesto de caucho óptimo.
Las mezclas suelen incluir:
- cauchos naturales,
- cauchos sintéticos (BR, SBR, butilo),
- cargas (hollín, sílice),
- aceites,
- resinas,
- azufre,
- aceleradores de vulcanización,
- antioxidantes (agentes antienvejecimiento),
- otros, en función de la mezcla concreta.
Por ejemplo, para producir un neumático de turismo se necesitan 100 kg de compuesto para la banda de rodadura:
- 50 kg de caucho (en la actualidad principalmente sintético),
- 15 kg de sílice,
- 15 kg de hollín,
- 2 kg de azufre,
- 2 kg de resina,
- 10 kg de aceites,
- otros ingredientes.
La composición del compuesto de caucho se adapta a la función de los distintos componentes del neumático y a su uso previsto. Se utiliza una composición distinta en un neumático de verano que en uno de invierno. Además, las diferentes partes del neumático (flancos, rellenos de la zona del talón, capa interior – tapón) están hechas de diferentes compuestos de caucho.
El caucho influye en la elasticidad del neumático y, por lo tanto, en el agarre. Tolera mal las temperaturas demasiado bajas y se desgasta muy rápidamente. En el pasado (hasta los años 20), en la fabricación de neumáticos se utilizaba casi exclusivamente caucho, aunque esto tenía ciertas desventajas: este tipo de neumáticos se desgastaban tras recorrer aproximadamente 2000-3000 km. Así que se empezó a analizar y mejorar las composiciones de los neumáticos, buscando formas de alargar su vida útil. Por este motivo, se empezó a añadir hollín a la mezcla, ya que daba al neumático un color negro y lo endurecía.
Unas décadas más tarde, en los años 70, se mejoró la vida útil de los neumáticos y se aumentó su adherencia gracias al descubrimiento de Metzeler: la introducción de sílice en el compuesto de caucho. Se comporta muy bien a bajas temperaturas y además conserva una flexibilidad óptima. Por ello se utiliza sobre todo en los neumáticos de invierno.
Las hipótesis de diseño formuladas deben respetarse en todas las fábricas de un mismo fabricante, independientemente de su ubicación. Esto garantiza que un determinado modelo de neumático tenga las mismas prestaciones independientemente de dónde se fabrique.
Los compuestos utilizados en la banda de rodadura suelen ser los más complejos y exigentes. Cuarta fase de fabricación: formación de la mezcla
Todos los ingredientes mencionados se añaden en el orden correcto en una máquina denominada batidora. No sólo es importante la cantidad de cada ingrediente, sino también el momento en que se añade. Los ingredientes se mezclan hasta obtener una consistencia homogénea. Con la mezcla acabada se conforman bandas o placas, que se dimensionan para su uso en fases posteriores de la fabricación. A continuación, la superficie de las mezclas se recubre con un agente desmoldeante.
Agente desmoldeante – facilita la separación de las capas de caucho durante el uso posterior del compuesto. El fenómeno de la adherencia consiste en la unión de diferentes superficies. Es el resultado de las interacciones intermoleculares de las sustancias en contacto. Tal fenómeno surge, por ejemplo, durante el pegado. El agente desmoldeante impide que las capas de caucho preparadas para la fabricación del neumático se peguen entre sí.
Las mezclas de caucho se someten a pruebas constantes para garantizar que cumplen los supuestos establecidos durante su fabricación. Si todo está en orden, pasan a las siguientes fases de fabricación. Tras llegar a las siguientes estaciones de fabricación, el caucho se utiliza para crear piezas moldeadas y planas de caucho, o para calandrar cuerdas de acero o textiles.
Las extrusoras pueden producir piezas moldeadas de caucho con una precisión de 0,1 mm. Al entrar en la máquina, unos rodillos o un sinfín plastifican y prensan la mezcla utilizando una plantilla especial. De este modo, se obtiene la forma adecuada, que se utilizará para fabricar el neumático en bruto. Los componentes resultantes se enrollan en grandes casetes o bobinas. También suelen cortarse a una longitud determinada. Así es precisamente como se fabrican:
- las bandas de rodadura,
- las correas del talón,
- los rellenos,
- otros componentes perfilados del neumático.
Si el producto es plano (no necesita tener una forma específica, sólo un grosor concreto) se somete a un proceso de calandrado. Los componentes resultantes se enrollan en bobinas. Así se crean el tapón de butilo y otros componentes adicionales del neumático.
Calandrado: es el proceso de extrusión de productos plásticos. El material se plastifica y, a continuación, se le da forma mediante la presión ejercida por conjuntos de rodillos moldeadores denominados calandrias.
La función del tapón de compuesto butílico es garantizar la estanqueidad del neumático.
Quinta fase de fabricación de los neumáticos: cuerdas y alambres
Un neumático no está formado únicamente por componentes de caucho. En su fabricación también se utilizan cordones textiles y de acero. Estos componentes forman el esqueleto del neumático, lo que garantiza su forma y rigidez y, por lo tanto, un nivel adecuado de rendimiento durante la marcha.
Cada hebra del cordón textil está formada a su vez por hebras retorcidas de muchas fibras finas fabricadas con:
- nylon,
- viscosa,
- poliéster,
- aramida.
Se necesitan entre 1500 y 1800 hebras de cordón para fabricar un neumático de tamaño 195/65 R15. Se colocan paralelos entre sí y se impregnan convenientemente (los cordones textiles se fijan con un sistema adhesivo denominado látex-resina). Esto facilita la unión de los hilos a la goma. El siguiente paso es prensarlas entre las capas de caucho durante el proceso de calandrado. De este modo, se crea un tejido textil engomado, que se corta de forma adecuada según la función que vaya a desempeñar en el neumático (puede actuar como capa textil o como refuerzo). Tras el recorte adecuado, el tejido se enrolla en bobinas o casetes y se introduce en los neumáticos.
La fabricación de cordón de acero es más complicada. Inicialmente, los alambres de acero con un diámetro de hasta varios mm se trefilan en máquinas hasta alcanzar el diámetro deseado de unos 0,2-0,5 mm. Posteriormente, estos alambres se trenzan. Así se obtiene un cordón flexible, aunque muy resistente, con un diámetro no superior a 1 mm. En la siguiente fase, se recubre con una capa de latón o bronce, lo que garantiza una buena unión con el caucho durante el proceso de vulcanización. Tras este procedimiento, los cordones de acero pasan a la calandria entre dos capas de compuesto de caucho y se cortan según lo previsto.
Los marcos de alambre son los componentes que permiten asentar el neumático en la llanta. Cada fabricante tiene un método distinto para fabricar los marcos de alambre. Pueden ser anillos, que se crean trenzando varios hilos que tienen una sección transversal circular, o se crean enrollando varias capas de cinta. Se compone de distintos alambres recubiertos de un compuesto de caucho (tienen una sección transversal poligonal o rectangular).
Un neumático radial suele tener una capa de correa textil y dos capas de correa de acero. Sexta fase de fabricación: neumático bruto
Una vez preparados los elementos necesarios del neumático, llega el proceso de confección, es decir, la disposición precisa de dichos elementos de una forma concreta. ¿En qué consiste esta fase de la fabricación de los neumáticos?
La segunda etapa de la fabricación de los neumáticos es la preparación de los componentes brutos del neumático:
- frente de la banda de rodadura,
- correa,
- carcasa,
- flancos,
- relleno,
- pantalla,
- forro interior.
El relleno, los flancos y la banda de rodadura están hechos de diferentes tipos de compuestos de caucho. La plantilla, gracias a una presión y temperatura óptimas, da forma a la pieza bruta.
La forma en que se construye un neumático depende de las máquinas y las soluciones de construcción utilizadas por el respectivo fabricante. Algunas de ellas fabrican neumáticos en procesos de una sola matriz (todo el neumático se fabrica en una sola máquina), mientras que otras fabrican sus productos en dos etapas:
- en la primera etapa, se crea la carcasa,
- la segunda fase consiste en añadir el paquete, es decir, la correa, la banda de rodadura y otros elementos adicionales.
El orden de aplicación de los distintos componentes es similar para la mayoría de los fabricantes:
1. colocación de un tapón de butilo impermeable, que actúa como cámara de aire en los neumáticos modernos sin cámara,
2. colocación de flancos en dos lados para proteger la estructura interior del neumático frente a posibles daños,
3. aplicación transversal de una capa de cordón textil para formar el esqueleto del neumático,
4. colocación del alambre con el relleno sobre la capa textil por ambos lados,
5. adición de otros elementos en caso necesario (si así lo exige el diseño de la carcasa).
Todos los elementos se colocan de forma plana sobre el tambor. A continuación, se llena (o las membranas de confección) de aire. Esto hace que todos los componentes se adhieran entre sí y que el neumático comience poco a poco a parecerse a la forma del producto final. A continuación, el conjunto se somete a un proceso de laminado. Este proceso cumple distintas funciones:
- el neumático recibe la forma adecuada,
- garantiza que todos los componentes del neumático estén correctamente unidos,
- garantiza la evacuación del aire que haya podido quedar entre los componentes.
El neumático en bruto se somete a pruebas para detectar posibles fallos. Algunos pueden solucionarse, mientras que otras suponen la retirada del neumático de la fabricación.