Nuevos desarrollos, soluciones y retos en conformado de chapa metálica de alta resistencia

El conformado de chapa es uno de los procesos de manufactura más importantes para obtener piezas metálicas. Está presente en casi todos los sectores de producción industrial: transporte, maquinaria, electrodomésticos, alimentos, cosmética, energía y productos químicos, entre otros. En la UE, los sectores de automoción y aeronáutica son los que impulsan la innovación y el crecimiento del sector de conformado de chapa, por su búsqueda constante de nuevos materiales y procesos de conformado que permitan obtener componentes más ligeros y de mayores prestaciones mecánicas.

Los aceros y las aleaciones de aluminio han sido los principales protagonistas en la reducción de peso del sector transporte. Los aceros de alta resistencia (AHSS, del inglés Advanced High Strength Steel) se han asentado como solución de construcción ligera en vehículos, constituyendo hoy en día más del 50% en peso de la carrocería en vehículos de serie, además de aportar mayor seguridad para los pasajeros en caso de impacto. Pese a las constantes amenazas de otros materiales con mayor potencial de reducción de peso, la reciclabilidad, bajo coste de producción y óptimo ratio resistencia/peso de las nuevas generaciones de aceros y aleaciones de Al, los sitúan como los principales materiales para piezas de chapa estructural del sector transporte en los próximos años.

Los reciente avances en aceros y aleaciones metálicas de alta resistencia, que permiten la reducción del espesor de componentes de chapa y reducen los costes de producción, son esenciales para impulsar la competitividad de las industrias europeas

El futuro de las industrias de la UE depende fundamentalmente de su capacidad tecnológica para fabricar productos de alto valor añadido, manteniendo o reduciendo los costes de producción y asegurando 100% su calidad. Esta tiene que ser la estrategia para hacer frente a la creciente competencia de los países de bajo coste de mano de obra y las recientes estrategias de aranceles de EE UU. Los nuevos materiales, desarrollados para satisfacer las crecientes demandas de reducción de peso, conllevan nuevos retos y desafíos, que la industria europea debe afrontar para mantener su posición de mercado.

La amplia y rápida aplicación industrial de los AHSS ha introducido nuevos problemas: su baja ductilidad, asociada a su alta resistencia, puede originar defectos inesperados durante el proceso de conformado, tales como grietas de borde (edge cracking) y adelgazamientos locales. Estos defectos afectan a las propiedades y la calidad de las piezas, por lo que se requiere ajustar detalladamente los parámetros de conformado y en algunos casos efectuar un control exhaustivo de la calidad de las piezas. En este sentido, las chapas de alta resistencia pueden considerarse como materiales altamente sensibles a su procesamiento. Por tanto, se requiere de métodos experimentales y de simulación numérica que permitan identificarlos anticipadamente y proponer soluciones.

Los materiales de chapa de alta resistencia se han implementado rápidamente en la industria, pero han traído consigo nuevos retos relacionados con las dificultades para predecir y prevenir la aparición de defectos en su conformado. Foto: Eurecat.

El sector de conformado de chapa se enfrenta a nuevos desafíos relacionados con la fabricación de piezas de altas prestaciones con nuevos materiales de chapa de alta resistencia, en particular la predicción de defectos de conformación como grietas, estiramientos heterogéneos o adelgazamientos locales. Se han utilizado diferentes enfoques para abordar estos problemas, pero a pesar del progreso logrado en este campo, el uso de nuevos materiales de chapa de alta resistencia todavía representa un desafío para el sector manufacturero, que enfrenta serios problemas para asegurar el 100% de calidad en su producción (zero deffect production), lo que conlleva pérdidas de productividad debido a la aparición de defectos y falta de conformabilidad global de estos nuevos materiales.

Los enfoques tradicionales, como ensayos de tracción o curvas FLC, no permiten anticipar los problemas relacionados con la aparición de grietas y no se pueden utilizar para estimar la conformabilidad de piezas fabricadas con process sensitive materials, como los materiales de alta resistencia.

Se necesitan enfoques innovadores para evaluar la conformabilidad de nuevos materiales de alta resistencia y poder predecir la aparición de defectos de procesado durante la etapa de diseño del producto, con el fin de evitar así pérdidas de productividad y competitividad

La aparición de defectos durante el conformado de chapa de alta resistencia es un problema aún sin resolver en el sector y no se pueden predecir en la etapa de diseño del producto utilizando las aproximaciones experimentales o de simulación tradicionales. Esta falta de capacidad de predicción de defectos de conformado dificulta la implementación de nuevos materiales y el desarrollo de piezas de altas prestaciones a costes asequibles.

El uso de nuevos materiales de chapa de alta resistencia, con un prometedor potencial de reducción de peso, está actualmente limitado por la dificultad en predecir su conformabilidad y obtener piezas sin defectos de procesado. En muchos casos se requieren costosos sistemas de control para asegurar la calidad del 100% de la producción. Las tendencias tecnológicas actuales y futuras, como los vehículos eléctricos o las fábricas del futuro (Industria 4.0), requieren soluciones para conformar materiales de alta resistencia a costes asequibles.

El objetivo principal del proyecto FormPlanet es abordar los retos industriales en la fabricación de piezas de chapa de altas prestaciones mediante el desarrollo de nuevas metodologías de caracterización de chapa metálica, tanto para acero, aleaciones de aluminio, titanio y níquel, entre otros, como para nuevos materiales híbridos (chapas multi-material).

El proyecto FormPlanet desarrolla nuevas metodologías de ensayo para determinar la conformabilidad y la aparición de defectos de conformado, en materiales de chapa de alta resistencia. Foto: Eurecat.

El conocimiento y las metodologías de ensayo desarrolladas permitirán una evaluación detallada de las propiedades de la chapa, predecirán el comportamiento de la pieza conformada y evitarán pérdidas de producción para las industrias de conformado de chapa. Este enfoque impulsará el uso de materiales de alta resistencia para productos de alto valor añadido, reducirá los costes de producción y permitirá acortar el tiempo de comercialización de nuevos productos.

Resistencia a la fractura de chapa metálica: la tenacidad de fractura, medida en el marco de la mecánica de fractura, permite predecir la resistencia a la aparición de grietas en el borde de chapa (edge cracking) y estimar la resistencia a impacto. Sin embargo, el sector industrial no utiliza esta propiedad para seleccionar materiales debido a la complejidad experimental de su determinación. En FormPlanet se está desarrollando una metodología de ensayo rápida y sencilla para medir con precisión la tenacidad de fractura de chapa, lo que permitirá que esta propiedad sea asequible y útil para fines de caracterización industrial.

Resistencia al impacto: el desarrollo de metodologías de laboratorio a pequeña escala para predecir el comportamiento del choque es esencial para optimizar la selección de materiales y ayudar al desarrollo de nuevos materiales. Se está desarrollando una nueva metodología para determinar los parámetros del material que influyen en la resistencia a impacto. También se está evaluando la implementación de resultados en modelos de simulación numérica.

Conformabilidad a temperatura ambiente y a alta temperatura: FormPlanet esta desarrollando un dispositivo experimental para determinar la conformabilidad de chapa a temperaturas elevadas. Los resultados se aplicarán a estampación caliente (aceros B, aleaciones de Al o Ti), conformación superplástica, soplado a alta temperatura, etc. Para medir la conformabilidad a temperatura ambiente, se utilizan dos aproximaciones: ensayos de tracción biaxiales (muestras cruciformes) y ensayos de embutición profunda. Estos ensayos combinan la ventaja de reproducir casi cualquier camino de deformación lineal y no lineal en diferentes estados de deformación. La combinación de estos ensayos contribuirá a comprender mejor el conformado en frío de chapa y a aumentar la fiabilidad de los métodos de predicción.

Evaluación de la calidad de las piezas durante el proceso de manufactura: los métodos y técnicas de detección de fallos y métodos de control de calidad son cada vez más solicitados para asegurar la calidad del 100% de la producción. FormPlanet desarrolla e implementa nuevos sistemas de control durante el proceso de manufactura basados en sistemas 3MA (Microestructura Multiparamétrica Micromagnética y Análisis de tensión), seguimiento por láser y termografía avanzada. Además, se optimizará e implementará una prueba de medición de hidrógeno en piezas conformadas, para determinar su sensibilidad a fragilización por hidrógeno.

Ensayos rápidos de fatiga: los ensayos de fatiga suelen necesitar mucho tiempo y varias muestras para ensayar, por lo que se suelen utilizar para la caracterización rutinaria de materiales. Se propone una nueva metodología de ensayo, basada en la mecánica de fractura, para estimar el límite de fatiga de manera rápida y con poco material. El ensayo acortará drásticamente la duración de los ensayos de fatiga y permitirá considerar las propiedades de fatiga como una propiedad mecánica básica para la caracterización del material.

Caracterización de muestras pequeñas: las técnicas de muestras pequeñas se utilizan cada vez más para determinar las propiedades mecánicas cuando hay disponible una cantidad limitada de material. FormPlanet mejorará y optimizará las pruebas de micro-tracción para la determinación de propiedades mecánicas para el desarrollo a escala de laboratorio de nuevas aleaciones de chapa metálica o para medir propiedades locales de piezas conformadas.