Flexibilidad y bajo coste para la transformación de chapa

Durante los últimos años, y más concretamente desde la presentación de la estrategia Horizon 2020, Europa ha cambiado la orientación industrial que había seguido durante casi una década. Con la nueva orientación el sector industrial deberá cambiar su participación hasta ahora decreciente en el PIB e incrementarlo con nuevas tecnologías, nuevos procedimientos, nuevas estructuras organizativas, que sitúen de nuevo al continente en su posición tradicional de liderazgo.

El sector de la transformación de la chapa vive un momento de clara expansión. El aumento de ventas de vehículos apoya desde automoción al buen momento del sector aeronáutico, con récord de fabricación de aviones cada año, y se complementa con la renovación del sector electrodoméstico mediante productos con mayor valor respecto a la anterior generación.

Los productos con piezas de chapa metálica, en todas sus variedades, están en plena vigencia. Las empresas europeas que deseen asegurar su cuota de mercado y presencia internacional deben ofrecer productos más sofisticados, más competitivos y atractivos para el cliente final, incorporando nuevos diseños, nuevos materiales y una adaptación continua a la demanda. Entre las nuevas tecnologías de proceso de chapa metálica, el conformado incremental está en auge por su potencial para reducir tiempos de desarrollo de producto, acortando la fase de diseño de piezas que posteriormente se fabricarán mediante tecnologías tradicionales. Más aún, puede ser considerado una opción productiva válida cuando se necesita fabricar componentes unitarios o con ratios de producción reducidos.

En este artículo se repasan algunas de las potenciales aplicaciones del conformado incremental a partir de la experiencia adquirida por Tecnalia en esta tecnología.

El conformado incremental es un proceso de transformación de chapa basado en la deformación plástica puntual y progresiva de una chapa sujeta por su perímetro. La deformación se realiza mediante a la acción de una herramienta que actúa a modo de punzón y que sigue una trayectoria establecida controlada numéricamente tal y como ilustra la Figura 1.

El proceso se lleva a cabo sin necesidad de usar troqueles, pudiendo o no utilizar un soporte de apoyo fabricado en materiales de bajo coste (madera, resina o similar) y fáciles de mecanizar. Por tanto, el equipamiento básico consiste únicamente en un utillaje para amarrar la chapa, la herramienta de deformación y un sistema CNC (robot, fresadora) que mueve la herramienta según la trayectoria programada. Por lo tanto, no son necesarias grandes inversiones y existe una tendencia creciente a desarrollar el proceso en células robotizadas de bajo coste como la mostrada en la Figura 2.

Figura 2. Célula robótica de conformado incremental instalada por Tecnalia en el PFT Hérault (Francia).

Según se realice el proceso con o sin soporte, véase la Figura 3, podemos hablar de 'Two Point' Incremental Forming (TPIF) o de 'Single Point' Incremental Forming (SPIF) respectivamente. La flexibilidad ante cambios de diseño es máxima cuando se opta por una configuración SPIF. Sin embargo, con la configuración TPIF se obtienen superficies de mayor precisión geométrica y curvaturas dobles.

Por las características del proceso la secuencia para fabricar una pieza resulta muy sencilla, tal y como se puede apreciar en la Figura 4. A partir de la geometría de la pieza se procede a la generación del programa de CNC que controla los movimientos de la máquina/robot. Es en este punto en donde es necesario un conocimiento profundo del proceso y del material para definir las trayectorias y parámetros de proceso que dan lugar a una pieza válida. La última fase es la fabricación en sí misma si bien cuando se opta por el tipo de configuración TPIF es preciso fabricar previamente el soporte de apoyo.

Tecnalia ha analizado la viabilidad técnica de fabricar prototipos para componentes de chapa de productos consumo de línea blanca, mediante conformado incremental. La aplicación de la tecnología permitirá validar mejor los diseños, acortando la fase de diseño y evitando cambios de última hora (modificaciones en las matrices una vez que su fabricación ha sido lanzada o incluso finalizada) lo cual repercutirá positivamente en los costes y plazos de entrega del producto.

Hoy en día los prototipos que se realizan en el sector son aproximaciones geométricas obtenidas a partir de retales cortados y soldados. Con el estado del arte actual del conformado incremental es también posible abordar una reproducción aproximada de la geometría de muchos de los componentes de este sector. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la obtención de algunos detalles geométricos frecuentes en los componentes, tales como pequeños radios de acuerdo, pestañas para el montaje o rebajes de poca profundidad para alojar logos no es aún evidente. Si se desea acelerar la fase de diseño y eliminar la necesidad de modificaciones una vez lanzada la industrialización del componente es necesario que el prototipo reproduzca fielmente la geometría de diseño. A partir del conocimiento de base de la tecnología previamente adquirido, Tecnalia ha colaborado con Fagor Industrial para desarrollar herramientas y trayectorias de conformado específicas con las que es posible reproducir los diferentes detalles geométricos de componentes de su catálogo de productos. La Figura 6 y la Figura 5 muestran a modo de ejemplo dos de los detalles producidos.

Una vez desarrolladas las herramientas y las trayectorias específicas es posible combinarlas entre sí, junto con herramientas y trayectorias estándar para producir prototipos con la geometría deseada. La Figura 7 muestra una pieza demostrador de un componente de la puerta de una lavadora industrial. El demostrador incluye a escala real todos los detalles geométricos del componente (radios de acuerdo de 1mm, rebajes de 2mm de profundidad, esquinas de radio 3mm).

Las tecnologías empleadas en el sector aeronáutico para producir componentes de chapa metálica, en especial los realizados con materiales termorresistentes (aleaciones de titanio y de base níquel), están basadas en el empleo de utillajes específicos particularmente costosos y con plazos de entrega muy largos. En este caso también, el conformado incremental cuenta con las características necesarias para obtener prototipos previos sin necesidad de estos utillajes específicos. Con ello sería posible agilizar los test de validación de los diseños y minimizar las frecuentes iteraciones entre las fases de diseño e industrialización, evitando así la modificación de utillajes que penaliza costes y plazos. Más aún, el proceso puede ser también una tecnología de utilidad para fabricar piezas sueltas de modelos de avión más antiguos o series con ratios de producción muy bajos.

Tecnalia lidera el proyecto INMA, financiado por el FP7 de la UE (contrato No. 266208), orientado al desarrollo y aplicación de del conformado incremental para el sector aeronáutico, con la colaboración de Airbus Francia y WSK Rzeszów (Grupo Pratt & Whitney Canada) como potenciales usuarios finales de la tecnología.

En el marco del proyecto una de las actividades más relevantes ha sido la definición y adecuación del proceso a la deformación en caliente de Ti6Al-4V. Para ello se ha implementado el sistema de la Figura 8 que permite realizar la operación de conformado a temperatura controlada y homogénea. Asimismo, se han fijado las condiciones óptimas de operación en cuanto a temperatura de trabajo y condiciones de calentamiento y enfriamiento de la chapa. También ha sido necesario el diseño de herramientas específicas capaces de garantizar una integridad superficial (acabado superficial, microgrietas, capa alfa) aceptable por las estrictas normas del sector.

Los resultados mostrados en la Figura 9 confirman el potencial de la tecnología para fabricar piezas sin utillajes específicos. No obstante, es necesario mejorar aún la precisión geométrica de las piezas. Para ello se está colaborando con uno de los socios del proyecto en la aplicación de un algoritmo inteligente de compensación de la trayectoria de herramienta que ha mostrado resultados prometedores, véase la Figura 10, para el conformado sin matriz en frío.

Otra de las actividades del proyecto ha sido la fabricación de piezas demostrador de la tecnología para el sector. En la Figura 11 se muestra una pieza realizada en Inconel 718. Se trata de un subcomponente de un arriostramiento ubicado en la parte baja del motor. El conformado incremental también permite abordar la fabricación de los componentes de tubo con geometrías más complejas como la mostrada en la Figura 12.

Fabricación de envolventes arquitectónicas y elementos ornamentales

El empleo de envolventes arquitectónicas de diseño innovador tanto por motivos estéticos como de funcionalidad (acondicionamiento térmico del edificio, renovación de la fachada…) es una opción cada vez más recurrente en construcción. La mayoría de las veces la envolvente es exclusiva para cada edificio y se compone de multitud de elementos que presentan diseños muy variados o incluso únicos. Por tanto, el conformado incremental puede ser una tecnología muy apropiada para las envolventes que presentan elementos de chapa. La Figura 13 muestra una envolvente metálica realizada en colaboración con Alfa Arte.

Además de las envolventes, el conformado incremental puede ser también de utilidad en el sector de la construcción para fabricar elementos ornamentales tanto de exteriores como de interiores. La Figura 14 y la Figura 15 muestran un par de ejemplos de este tipo de aplicaciones. La tecnología se puede aplicar igualmente a chapa perforada y a materiales no metálicos como los termoplásticos.

La situación industrial actual exige una mayor competitividad en la manufactura de los productos, lo que se consigue en muchos casos con un cambio disruptivo de la fabricación mediante nuevos procesos. El conformado incremental de chapa metálica reúne las características adecuadas para cubrir un espacio que hasta la fecha no está resuelto: la obtención de piezas prototipo y series cortas con un alto grado de detalle y en un tiempo reducido. Obviamente, cuando una empresa se plantea incluir la tecnología entre sus procesos productivos resulta imprescindible un análisis previo de la aplicación o aplicaciones consideradas. Como sucede con cualquier nueva tecnología de producción, un conocimiento profundo del proceso para definir los parámetros adecuados es la clave para que el resultado final sea el deseado.

Tecnalia ha identificado el potencial del conformado incremental para algunos componentes pertenecientes a los sectores aeronáutico, línea blanca y construcción, pero es evidente que existen muchos más. El objetivo final es apoyar a las empresas y transferir la tecnología mediante:

• Desarrollo de conocimiento de proceso específico para cada caso (nuevas geometrías, nuevos materiales, parámetros de proceso…)
• Diseño y puesta a punto de instalaciones de conformado incremental
• Puesta a punto del proceso y fabricación de primeras piezas
• Desarrollo de equipamiento auxiliar específico (herramientas, software, útiles de amarre…)
• Estudios de viabilidad del proceso