Procesos de conformado de aluminio para la industria del automóvil: estampado en caliente, embutición profunda hidromecánica, Gigacasting

Estampado en caliente de aleaciones de aluminio

La escasez de energía y el deterioro medioambiental están impulsando cambios importantes en la industria del automóvil. Las investigaciones indican que reducir la masa total de un vehículo en un 10% puede mejorar la eficiencia en el consumo de combustible entre un 6% y un 8%, y reducir las emisiones en un 4%. En consecuencia, la reducción del peso de los vehículos se ha convertido en un tema de investigación fundamental en Estados Unidos, Alemania, Japón y otros países fabricantes de automóviles. Los tres enfoques principales son los materiales ligeros de alta resistencia, la optimización estructural y los procesos avanzados de conformado.

Las aleaciones de aluminio son materiales ligeros consolidados en aplicaciones aeroespaciales. A medida que han bajado los costes de los materiales, sus ventajas en cuanto al ahorro de peso las han convertido en uno de los materiales ligeros de más rápido crecimiento en los vehículos de combustión de gama media y alta, así como en los vehículos eléctricos de nueva energía. El aluminio puede conformarse en frío o en caliente. A temperatura ambiente, presenta baja ductilidad y conformabilidad, una recuperación elástica difícil de controlar y una precisión dimensional incierta. A temperaturas elevadas, generalmente entre 200 y 450 °C, la conformabilidad de las chapas mejora con la temperatura, lo que beneficia a la producción de paneles de carrocería para automóviles. Por ello, los paneles complejos, de alta resistencia y alta precisión suelen fabricarse mediante conformado en caliente.

El estampado en caliente se ha convertido en un importante ámbito de investigación tanto académica como industrial. Los componentes de aluminio estampados en caliente han sustituido a algunas piezas convencionales de acero en los pilares A, los pilares B, los capós y otras zonas críticas de la carrocería. Austria Metall AG fabricó la barra de protección contra impactos del BMW i8 a partir de aluminio AA7075 mediante estampado en caliente. El Land Rover L405 utilizó aluminio de la serie 6xxx y el estampado en caliente para fabricar lo que, en 2015, era el panel lateral de la carrocería de una sola pieza más grande. Aston Martin utilizó la solución integrada de tratamiento térmico, conformado y temple en matriz en frío (HFQ) para fabricar el complejo refuerzo del pilar A del DB11. Morgan aplicó el proceso HFQ al primer capó conformado mediante este método para su Aero 8. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Wuhan sometieron a estampado en caliente piezas en bruto soldadas a medida mediante soldadura por fricción-agitación para producir un pilar B de automóvil con alta precisión dimensional y buenas propiedades mecánicas.

Embutición profunda hidromecánica

El embutido hidromecánico es un proceso de conformado de chapa desarrollado recientemente en el que un líquido a alta presión sustituye a una matriz rígida. La presión del líquido empuja la chapa contra el punzón para dar forma a la pieza. Es adecuado para piezas complejas y materiales de baja ductilidad, como las aleaciones de aluminio, y ofrece un alto límite de conformado, una buena calidad superficial y una gran precisión dimensional.

Un sistema típico incluye un punzón, una matriz, un sujetador de chapa, una cámara hidráulica y una válvula de alivio hidráulica. La cámara se llena de líquido, se coloca la chapa y el sujetador de chapa la sujeta contra la matriz. A medida que el punzón empuja la chapa hacia el interior de la cámara, la presión regulada por la válvula de alivio mantiene la chapa firmemente contra el punzón. Se genera una retención por fricción beneficiosa entre la chapa y el punzón, mientras que la lubricación por fluido entre la chapa y la matriz reduce la fricción y mejora la calidad de la superficie y el límite de conformado.

En la siguiente figura se comparan el embutido profundo convencional y el hidromecánico.

[ESPACIO RESERVADO PARA LA IMAGEN: Comparación entre el embutido profundo convencional y el hidromecánico]

1. Menor coste de los troqueles y ciclo de producción más corto. El líquido a alta presión sustituye al punzón o al troquel, por lo que solo se necesita una herramienta rígida.
2. Alta precisión dimensional y buena calidad superficial. La lubricación por fluido entre la brida y la matriz reduce considerablemente los arañazos durante el conformado.
3. Límite de conformado superior. La retención por fricción, la lubricación por desbordamiento y el abombamiento inicial en sentido inverso reducen la formación de grietas en el radio del punzón y las arrugas en las zonas sin soporte. Aumenta la relación de embutición, se necesitan menos etapas de conformado y se reducen los costes.
4. Adecuado para piezas complejas. Los componentes con una estructura o geometría compleja pueden fabricarse en una sola operación, lo que permite ahorrar tiempo y mejorar el aprovechamiento del material.
5. Un grosor más uniforme. La retención por fricción beneficiosa reduce la tensión de tracción radial, favorece un flujo uniforme de la lámina, reduce el adelgazamiento y la concentración de tensiones, y mejora la uniformidad del espesor de la pared.
6. Ahorro en materiales y procesos. El proceso reduce el consumo de material y los gastos de mecanizado.

Fundición a presión integrada

Desde 2020, Tesla ha utilizado la fundición a presión integrada para agrupar más de 70 piezas de la parte trasera de la carrocería en una sola pieza fundida, lo que supone un reto para los procesos convencionales de estampado y soldadura y está transformando la fabricación de carrocerías. La fundición a presión ofrece una alta productividad, precisión dimensional, rendimiento mecánico, aprovechamiento del material y una rentabilidad favorable en la producción en serie. Una pieza fundida de una sola pieza elimina la compleja secuencia de estampado y soldadura, reduce los requisitos de utillaje y los controles del proceso pieza por pieza, y evita los errores acumulados en el montaje. Dado que el componente utiliza un único material, los desechos pueden refundirse directamente para fabricar otros productos.

El Model Y fue el primer vehículo de Tesla en utilizar este proceso, ya que la parte inferior de la carrocería trasera se fabricó como una pieza fundida integrada. En comparación con el Model 3, el Model Y redujo el número de piezas en 79, disminuyó los puntos de soldadura de entre 700 y 800 a 50 y acortó el tiempo de fabricación de entre 1 y 2 horas a entre 3 y 5 minutos.