Los nuevos procesos de conformado liberarán aún más el potencial del aluminio como material ligero para las estructuras de automoción
Las operaciones de producción disponen de una nueva técnica que promete un gran aumento de los beneficios obtenidos a través del aligeramiento resultante del uso del aluminio en las estructuras de las carrocerías.
Impression Technologies (ITL) se creó hace poco más de tres años para llevar al mercado un proceso desarrollado principalmente en el Imperial College de Londres. La técnica en cuestión es el Hot Form Quench (HFQ), donde la hoja de aluminio se calienta a una temperatura de entre 500 y 550 °C antes de ser prensada y enfriada rápidamente mientras aún está en la herramienta, y después se somete a un tratamiento térmico adicional que asegura que el material alcance su resistencia máxima. Las piezas de aluminio fabricadas de este modo para aplicaciones estructurales de los automóviles podrían ofrecer reducciones de peso de hasta un 20% en comparación a las piezas de aluminio conformadas en frío de menor resistencia.
Además, la mayor conformabilidad del material a esa temperatura significa que las piezas pueden ser embutidas en una sola operación sin necesidad de refuerzos; la eliminación de operaciones secundarias también conlleva una reducción de los costes en herramientas. Otro beneficio es que esta técnica permite fabricar simultáneamente la parte izquierda y la derecha, algo que de otro modo requeriría herramientas separadas para los complejos prensados de aluminio convencionales.
Desarrollo del proceso de envejecimiento térmicoJohn Sellors, jefe de ingeniería y aplicaciones de ITL, nos proporciona un breve resumen. La propia unidad de producción está construida alrededor de una prensa de 600 toneladas de AP&T, un horno que calienta el material de las láminas y el equipamiento correspondiente para la manipulación automatizada. Cerca hay otro horno, donde se aplica tratamiento térmico post-troquelado adicional para 'envejecer', o fortalecer aún mas, el material. El coste total de la instalación es de "unos pocos millones de libras" (la empresa no va a ser más específica) y, aunque la planta no está destinada a la producción en gran volumen, es capaz de fabricar al menos un millón de piezas al año.
Schuler está realizando sus propios desarrollos en el conformado en caliente de aluminio Según Sellors, la reacción que tienen los usuarios potenciales al ver la tecnología es uniformemente positiva. "Les encanta", afirma enfáticamente. "Ninguno nos ha dicho que no estaban interesados". Además ya hay un fabricante de automóviles que está haciendo uso del HFQ.
Sellors explica que un productor británico de automóviles de altas prestaciones incorpora paneles HFQ en uno de sus vehículos. Pero esos paneles no los ha producido ITL, sino la cercana planta de PAB Coventry, que en el último par de años ha contado con licencia de ITL para la fabricación HFQ. Sin embargo, Sellors deja claro que esa planta solo tiene capacidad para la creación de prototipos y operaciones de bajo volumen basadas en la adaptación del kit existente. Enfatiza que la nueva planta de ITL es la primera instalación HFQ "dedicada" del mundo construida a tal efecto.
La empresa evita divulgar los detalles específicos de la tecnología de la nueva instalación. En este sentido el Dr. Alistair Foster, director técnico de ITL, dice que aunque el HFQ deriva del proceso análogo para acero al boro, la forma en la que se ha desarrollado constituye "una propiedad intelectual esencial" de ITL. Sin embargo, sí indica que la atención se centrado en el "tratamiento térmico" del material y las "especificaciones del prensado".
Tratamiento térmico de solubilizaciónLa característica esencial de la técnica, dice el Dr. Foster, es que "combina un proceso de deformación mecánica y el templado del material en un solo proceso". Explica que en términos más técnicos, esto se consigue mediante el aumento de temperatura del material hasta que alcanza el nivel de 'solubilización' relevante. En este punto los elementos de aleación forman una solución dentro del material y permanecen así incluso después de que el proceso de enfriamiento proporcione inicialmente un "templado W inestable que envejecerá naturalmente a una condición T4 o que se puede envejecer artificialmente a una condición T6"- siendo este último el estado más resistente del material. [sam_ad id=17 codes='true']
Sin embargo, el Dr. Foster sí dice que si alguien familiarizado con la conformación en caliente de acero al boro fuese a ver el proceso de HFQ, se daría cuenta del uso de un "cojín" en la prensa que permite la utilización de una "herramienta de tres partes" consistente en un troquel, un punzón y un soporte para las piezas en bruto. Explica que este último "cambia la forma en la que se introduce el material" para facilitar la producción de piezas más complejas. Reducción de la recuperación elásticaEl HFQ también proporciona una 'recuperación elástica' mucho más reducida que las técnicas de conformado en frío de aluminio. John Sellors afirma que esto tiene importantes implicaciones para el control dimensional durante las operaciones de montaje, y que es algo que los OEM les han indicado que para ellos es de particular interés. "Con aluminio conformado en frío de alta resistencia, la recuperación elástica puede ser un problema", afirma, "pero con el HFQ se reduce considerablemente".
De cara al futuro, el HFQ también presenta al menos otro avance potencialmente significativo en el uso del aluminio; la capacidad de utilizar esta técnica para fabricar piezas en bruto soldadas a medida. Como explica Sellors, el aluminio conformado en frío ha demostrado ser demasiado problemático como para usarse de este modo. Las propiedades principales de soldadura son sencillamente "muy pobres". No obstante, añade que el HFQ proporciona "un nivel muy alto de conformabilidad en la zona de soldadura que anteriormente habría sido inalcanzable" y al final del proceso la soldadura también "recupera la mayor parte de sus propiedades mecánicas". Aunque todavía no sea una realidad, que las complejas piezas en bruto de aluminio embutidas y soldadas a medida "se conviertan en una propuesta comercial para la industria del automóvil no es algo demasiado futurista".
Schuler Group, proveedor alemán de tecnología de prensado, es otra empresa que realiza sus propios desarrollos en los procesos de conformado en caliente de aluminio. Nos lo confirma Mohammad Garbi, director de tecnología y desarrollo de procesos del grupo tecnológico de troquelado y conformado de Schuler. "Estamos trabajando en un concepto totalmente nuevo para los troqueles usados en el conformado de aluminio a temperatura elevada", dice. Aunque de momento no nos puede contar más, sí nos dice que han iniciado el proceso de patente.
Gharbi también revela que Schuler ha colaborado activamente con varios institutos de investigación de Alemania y también con fabricantes de vehículos y proveedores. Destaca tres áreas específicas que han supuesto "una gran reto":
• Identificar la tecnología adecuada para asegurar un rápido calentamiento homogéneo.
• Envejecimiento térmico del aluminio de alta resistencia (concretamente los materiales de las series 6XXX y 7XXX) usando a la vez técnicas de conformado en caliente.
• Formular una estrategia de lubricación adecuada. Además, Gharbi dice que su tecnología PCH-Flex de reciente introducción puede proporcionar una base para el desarrollo de técnicas de conformado en caliente de aluminio.
En PAB, proveedor de nivel 1 de piezas de acero y aluminio, su CEO Mark Brazier confirma que ya utilizaron este proceso para fabricar las primeras piezas de producción de un vehículo de carretera. La empresa adaptó al proceso HFQ un kit existente utilizado anteriormente para el conformado en frío de aluminio (una prensa hidráulica de 500 toneladas). Brazier dice que las modificaciones requirieron un aumento de la velocidad de operación, el control mejorado del posicionamiento del ariete, la introducción del calentado y un registro de datos más intensivo. PAB fue capaz de realizar el trabajo para ese OEM inicial, que ya estaba al tanto del proceso HFQ. Durante cerca de dos años la empresa fabrico varios cientos de conjuntos de la pieza, que era un mamparo para el espacio reposapiés. Además de las operaciones de conformado, esto implicó el recorte de las piezas mediante un laser de cinco ejes antes de la entrega al cliente.
Resultados positivos en la producciónSobre la base de esa experiencia, Brazier dice: "Nunca he visto un conformado de aluminio tan bueno", afirma. "Parece plastilina". La empresa también está produciendo una parte estructural importante del nuevo Aston Martin DB11, debido a su lanzamiento al mercado a principios de 2017. Brazier dice que el contrato con Aston Martin vino tras unos 18 meses de desarrollo intensivo y demostración del proceso HFQ bajo una configuración propia de PAB, produciendo unas 200 piezas prototipo durante ese periodo. También indica que PAB está en contacto con al menos otros dos OEM especializados, para suministrarles piezas HFQ, y de hecho con uno de ellos ya tiene en marcha un proyecto de desarrollo. Por lo tanto, es muy probable que en el futuro PAB invierta en una instalación HFQ dedicada.
