La investigación y el desarrollo han conseguido reducir el peso estructural de los automóviles, pero todavía hay mucho margen en los sistemas de cierre
Los cierres se montan después del ensamblado de la carrocería y se pueden construir fuera de la línea, lo que significa que pueden producirse en materiales diferentes a la estructura, como por ejemplo el aluminio. Este es el caso de las puertas, el ahorro en peso puede marcar la diferencia.
En la feria internacional del automóvil de Norteamérica de 2017, Magna International anunció que – en asociación con el departamento de energía de EUA (DoE), FCA US y el especialista en interiores Grupo Antolín – han desarrollado diseños de puerta con un elevado nivel de aluminio que son un 42.5% más ligeros que los utilizados en el Chrysler 200. Si tenemos en cuenta las cuatro puertas, esto representa un ahorro de peso de 50 kg respecto al Chrysler 200, comenta Tim Skszek, directivo sénior de asociación gubernamental en Magna International.Además destaca que las puertas se producen utilizando materiales ya disponibles y que se pueden realizar en los procesos de producción existentes, sin un aumento significativo en los costes de producción o cambios en la infraestructura de los talleres de carrocería. Esta arquitectura de puerta se puede aplicar al 70% de mercado de vehículos ligeros.
Limitando los costes incrementales El proyecto se completó en menos de diez meses. El departamento DoE asignó y financió parcialmente el proyecto cuyo objetivo es cumplir de manera económica con las cada vez más exigentes normativas medioambientales y de combustibles en Estados Unidos.
Las directrices asociadas con la concesión exigían una reducción de peso del 42.5% respecto a una puerta comercial del 2016 y el coste incremental no debía superar los 5 dólares por libra de peso ahorrado. El aumento del coste es poco más de lo que aceptaría un constructor, comenta Skszek, pero permite la evaluación de tecnologías que todavía no están maduras.
Después de recibir la concesión, Magna seleccionó a sus socios. La empresa demostró su experiencia en la reducción de peso durante el desarrollo del vehículo ligero multi-material (MMLV, Multi-Material Lightweight Vehicle) con el DoE y Ford en 2014. Este vehículo contaba con una puerta de láminas de aluminio, piezas fundidas extruidas en vacío a alta presión de magnesio y láminas de acero unidas con unión estructural de adhesivo (reborde y estructura), remaches autoperforantes (SPR), pernos y remaches de un único lado. La puerta era un 33% más ligera que la puerta base del Ford Fusion 2012.
En este proyecto participaron las divisiones Magna Closures, Magna Exteriors y Cosma. El Grupo Antolín tiene una extensa experiencia en la producción de interiores ligeros. FCA también tiene experiencia en el uso de aluminio para reducir el precio de sus vehículos. Con un peso de 1,957 kg, el modelo Chrysler Pacifica 2017 es 113 kg más ligero que el modelo minivan Town & Country al que sustituye. FCA ahorró unos 18 kg tan solo con el uso de paneles de aluminio en las puertas laterales. Sus ingenieros han ahorrado un peso adicional al utilizar muñones de dirección y brazo de control de aluminio en la suspensión frontal, también se utiliza este metal en la puerta levadiza del automóvil.
Evaluando las opciones de arquitectura Después de establecer la asociación, el primer objetivo de las partes fue decidir entre cuatro arquitecturas. Skszek comenta: “Evaluamos un diseño con uso intensivo de fibra de carbono, aluminio estampado, aluminio/magnesio fundido y una cuarta opción donde combinamos varias tecnologías en una puerta: fundición, extrusión y estampado”.
La última opción resultó ser la más económica. La puerta en bruto (DiW, body-in-white) representa el 45% de la reducción de peso del proyecto. Skszek comenta: “Desde el punto de vista de metales, es completamente de aluminio con tres aleaciones y procesos diferentes".
Skszek describe la estructura del pilar A como la "base estructural de la puerta". Se produce con la aleación Aural-2 (AlSi10Mg) de Cosma que tiene un límite elástico de 120 MPa, una fuerza tensil de 180 Mpa y una elongación del 10%. Utiliza el proceso de fundido a alta presión en vacío High-Q-Cast que la empresa adquirió de BDW Technologies en 2012.
El proceso convencional de fundición a alta presión se utiliza en la producción de piezas complejas con un grosor de pared de 3-8 mm. Estas piezas apenas requieren acabado, lo que permite que el proceso se pueda utilizar en producción masiva. Mediante este proceso el metal fundido se inyecta en un molde a gran velocidad, lo que hace que el aire de la cavidad quede atrapado en el aluminio, por lo que se forman poros que afectan a la fuerza tensil y elongación de la pieza terminada, lo que limita su uso en aplicaciones estructurales. Adicionalmente, el tratamiento de calor de estas piezas puede crear defectos adicionales como burbujas.
Mediante el proceso High-Q-Cast, se produce primero el vacío en el molde antes de inyectar el metal fundido, por lo que se minimiza la porosidad y se mejoran las propiedades mecánicas. Las piezas terminadas se pueden tratar con calor y se pueden utilizar en varias operaciones de unión.
La estructura superior de la puerta y los refuerzos de las bisagras son de extrusión de aluminio 6063-T6, utilizamos estampados de aluminio 5182 en el pilar B, los refuerzos interiores, el refuerzo de cierres, paneles interiores y exteriores, y la línea de cintura interior y exterior.Según Skszek, el diseño de la línea de cintura atornillada es único. Sirve para fortalecer la estructura y durante el ensamblado la línea de cintura atornillada se encaja en último lugar. Facilita la instalación del módulo de puerta y la línea de cintura estabiliza el conjunto.
Proceso de estampado de pieza templada/molde frío La viga de impacto que conecta el centro de la fundición del pilar A a la parte inferior de la puerta y al pilar B que normalmente es de acero al boro, se forma en caliente con aluminio de la serie 7xxx. Skszek comenta: "Cosma desarrolló el proceso de estampado de pieza templada/molde frío en 2012 para aumentar la conformabilidad de los paneles interiores de magnesio y aluminio de la serie 5xxx".
En este proceso, primero se aplica un lubricante no basado en grafito a la pieza de aluminio y se deja secar. Luego esta pieza se calienta entre dos placas calientes hasta 250°C antes de transferirla mediante robot a un molde de estampado. Los moldes no se calientan y funcionan a temperatura ambiente. En la producción en serie, es necesario refrigerar estos moldes para que permanezcan a temperatura ambiente.
La formación se produce en un paso en una prensa de palanca mecánica convencional a una velocidad de 160 mm/s. Las operaciones de perforación y corte se producen cuando las piezas se han refrigerado por completo y se puede limpiar el lubricante con una solución de agua a presión.
Skszek concluye: "La aplicación de la viga de puerta de aluminio 7xxx resultó en un ahorro de peso incremental de 1.34 kg respecto al pilar de acero al boro". Estos componentes se unen mediante soldadura de resistencia por proyección (RPW, resistance projection welding) desarrollado por el proveedor de Magna, Arplas. RPW es una variante de la soldadura por resistencia en la que el flujo de corriente se concentra en las superficies de contacto mediante proyecciones formadas en una de las piezas unidas.
Así centra el calor en las superficies de contacto y minimiza el calentamiento general de las piezas, permite uniones precisas, la unión de grados con características metalúrgicas complejas y la formación de varias soldaduras simultáneamente. Skszek comenta: "La ventaja del proceso es que reduce el ancho de los rebordes. Normalmente se necesita un reborde de media pulgada o 12 mm para soldar las piezas por puntos. Este proceso reduce notablemente el ancho del reborde hasta 3-4 mm por lo que se reduce el peso periférico".
Sistemas de cierre vanguardistas El sistema de cierre SmartLatch de Magna, que debutó en el deportivo híbrido-eléctrico i8 de BMW, elimina la necesidad de vástagos y palancas en la puerta y permite el desarrollo de un modelo de soporte único con guías de vidrio integradas. En total, el sistema de cierre y el módulo representan un 13% de la pérdida total de masa.
Grupo Antolín produjo los componentes de corte interiores. El uso de tecnologías avanzadas de moldeado – como el proceso de moldeado de inyección microcelular MuCell de Trexel – y los polímeros contribuyen a un 7% del total de reducción de peso.
"Este diseño de puerta, desde la perspectiva del metal, es completamente de aluminio, tres aleaciones con tres procesos" - Tim Skszek, Magna International
El ensamblado de vidrio es un laminado compuesto de una capa exterior tradicional de vidrio sodocálcico y una capa interior del vidrio Gorilla Glass de Corning endurecido químicamente, y separado por una capa de butiral de polivinilo (PVB). Esto representa un ahorro del 12% del total del peso y el 13% restante se obtiene mediante el equipo de sonido (que cuenta con imanes de neodimio e hierro en lugar de los basados en ferrita), ensamblado del espejo, corte exterior, bisagras, sistema sellante y ramal de cables.
Skszek resume: “lo importante es que hemos conseguido una reducción de peso del 42.5% respecto al Chrysler 200 de FCA , y el coste estimado por cada libra ahorrada es de 2.50 dólares, mucho mejor que el objetivo de 5 dólares.
El equipo de ingeniería de FCA confirmó que la puerta es compatible con las operaciones de ensamblado existentes y ha realizado pruebas de ingeniería asistida por computadora (CAE) sobre durabilidad, fatiga y seguridad. Los socios planean ahora validar este rendimiento en pruebas físicas con las pruebas estandarizadas de los OEM.
Magna espera que la puerta esté lista para su uso en vehículos de producción para finales de 2020.
