2022/4 D E F O R M A C I Ó N D E C H A P A www.interempresas.net CARACTERIZACIÓN DE LA TENACIDAD DE FRACTURA DE ACEROS AVANZADOS DE ALTA RESISTENCIA Y ACEROS ESTAMPADOS EN CALIENTE FABRICACIÓN DE HERRAMIENTAS DE CONFORMADO CON CIRCUITOS DE REFRIGERACIÓN SUBCUTÁNEOS ACABADO Y MEDICIÓN EN PROCESO DE ARISTAS FUNCIONALES: UN PASO HACIA LA AUTOMATIZACIÓN PLEGADO•PUNZONADO•LÁSER•DESBARBADO•PULIDO
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ESTAMPACIÓN 4 Un procedimiento innovador y rápido CARACTERIZACIÓN DE LA TENACIDAD DE FRACTURA DE ACEROS AVANZADOS DE ALTA RESISTENCIA Y ACEROS ESTAMPADOS EN CALIENTE La tenacidad de fractura es la propiedad mecánica clave para predecir el comportamiento a la fractura y la resistencia a impacto de aceros avanzados de alta resistencia mecánica aplicados en los sistemas de seguridad y resistencia a impacto en vehículos. Sin embargo, la caracterización de la resistencia a la fractura en chapa metálica requiere tiempo y equipos de laboratorio especializados, lo que limita su uso para seleccionar materiales para aplicaciones de impacto en el sector de la automoción. Uno de los principales inconvenientes de los ensayos de tenacidad de fractura radica en la complejidad de la preparación de las muestras y en su posterior ensayo. Laura Grifé, David Frómeta, Sergi Parareda y Antoni Lara, de Eurecat, Centre Tecnològic de Catalunya, Unidad de Materiales Metálicos y Cerámicos; y Daniel Casellas, de Eurecat, Unidad de Materiales Metálicos y Cerámicos, y la Universidad Tecnológica de Luleå (Suecia), División de Mecánica de Materiales Sólidos Como respuesta a la necesidad de disponer de métodos de ensayo rápidos y económicos para la clasificación de materiales en términos de tenacidad de fractura, en este artículo se describe un procedimiento innovador para el ensayo rápido de tenacidad de fractura de chapas metálicas. El procedimiento consiste en introducir entallas afiladas como grietas en probetas rectangulares con geometría tipo DENT, mediante una nueva herramienta. Este procedimiento de entallado permite obtener probetas listas para el ensayo en pocos minutos y evita la necesidad de costosos procedimientos de prefisuración por fatiga. Las probetas se utilizan para obtener la tenacidad de fractura de distintos PHS mediante el método del trabajo esencial de fractura. Los resultados muestran que el nuevo procedimiento es fiable para evaluar la tenacidad de fractura en PHS en un tiempo muy corto. El tiempo de preparación de las probetas se reduce drásticamente de aproximadamente 20 horas a 10 minutos. Esto supone un gran ahorro de tiempo y permitirá promover el uso de las mediciones de tenacidad de fractura como ensayo rutinario de control de calidad de las propiedades a impacto de aceros tipo PHS. 1. INTRODUCCIÓN Con el objetivo de cumplir con los nuevos requisitos de sostenibilidad, ligereza y seguridad de la actual legislación de automoción, se están desarrollando nuevos aceros avanzados de alta resistencia (AHSS del inglés Advanced High Strength Steels). Estos materiales, en forma de chapas de hasta 2 mm de grosor, se caracterizan por una alta resistencia mecánica y
ESTAMPACIÓN 5 una moderada/limitada ductilidad, lo que los hace sensibles a los procesos de conformado en frío, donde puede aparecer agrietamiento de los bordes. Por lo tanto, las industrias del sector de conformado se enfrentan a importantes retos y pérdidas de producción debido a la difícil conformabilidad de algunas familias de AHSS, especialmente las de mayor resistencia que son, justamente, las más interesantes para reducir peso en el vehículo. Como consecuencia de estos problemas relacionados con la aparición de grietas, se están desarrollando metodologías avanzadas de caracterización para evaluar el inicio de la fractura y el comportamiento de la propagación de grietas. El proceso de estampación en caliente de aceros al B está plenamente implementado en automoción para construir estructuras anti-intrusión, tales como los pilares A, B y C, barras de puertas, etc. La estampación en caliente permite obtener piezas de geometría compleja y con elevada resistencia superior a los 1500 MPa, lo que los convierte en una excelente opción de material para el ahorro de peso mediante la reducción del espesor de los componentes. Los aceros usados en este proceso se denominan aceros estampados en caliente (PHS del inglés Press Hardened Steels). Sin embargo, su elevada resistencia los hace más propensos a presentar grietas durante el choque, lo que reduce la absorción de energía en las pruebas de choque por impacto axial o por flexión. Para optimizar el comportamiento a fractura y la gestión de la energía de impacto de los componentes fabricados con PHS, pueden aplicarse diferentes estrategias de enfriamiento y tratamientos térmicos posteriores al temple. En este contexto, Eurecat está desarrollando procedimientos basados en la mecánica de la fractura, que han demostrado ser la mejor opción para optimizar la selección de materiales y asistir al diseño de nuevas microestructuras que den lugar a una mayor conformabilidad y mejor resistencia al choque y durabilidad en diferentes aplicaciones de ingeniería [1-5]. La metodología del trabajo esencial de fractura (TEF) ha demostrado ser aplicable para obtener la resistencia al agrietamiento de una amplia gama de materiales, incluyendo AHSS, PHS, aceros inoxidables y aleaciones de aluminio [2-6]. Sin embargo, este método conlleva un proceso de preparación de muestras complejo, que implica introducir grietas en las muestras por fatiga, lo que requiere un equipo de fatiga especializado, personal capacitado y mucho tiempo. En la referencia [7] se presentó una nueva herramienta de entallado por cizallamiento para simplificar el procedimiento de prefisuración y reducir el tiempo de preparación de las probetas. Este dispositivo consiste en un punzón biselado que puede introducir entallas afiladas en las probetas DENT, semejantes a las grietas obtenidas con un proceso de fatiga. El ensayo de las muestras entalladas es sencillo y solo requiere una máquina de ensayos universal. En el presente trabajo se aplica este procedimiento innovador para evaluar la tenacidad de fractura de diferentes chapas finas de aceros estampados en caliente, con el fin de evaluar el diferente comportamiento al impacto de las microestructuras estudiadas. 2. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1. Materiales Este trabajo presenta los resultados para 4 tipos de PHS, siendo dos de ellos posprocesados con un tratamiento térmico posterior al temple en matriz que caracteriza el proceso industrial de estampación en caliente. En concreto se estudian dos grados acero: PHS1800 y PHS1500. Este último también se investiga tras ser sometido a dos tratamientos láser diferentes: HT700FL y HT550FL. Los aceros PHS1800 y PHS1500 investigados presentan una microestructura totalmentemartensítica que resulta en martensita revenida para el HT700FL y martensita revenida-ferrita para el HT550FL tras el tratamiento por láser. Las propiedades mecánicas obtenidas para estos materiales se resumen en la tabla 1. Tabla 1. Propiedades mecánicas de los aceros PHS estudiados en dirección transversal. t0: espesor, YS: límite elástico, UTS: Resistencia a la tracción, TE: Elongación total. MATERIAL To(mm) ys (MPa) UTS (MPa) TE(%) PHS1800 1,7 1462 1848 5 PHS1500 1,7 1100 1500 5 HT700FL 1,7 850 900 6 HT550FL 1,7 540 675 12 Las industrias del sector de conformado se enfrentan a importantes retos y perdidas de producción debido a la difícil conformabilidad de algunas familias de AHSS
ESTAMPACIÓN 6 2.2. Metodología TEF La metodología del TEF se ha desarrollado para medir la tenacidad de fractura de láminas metálicas delgadas dúctiles en el marco de la mecánica de la fractura [8]. La teoría sugiere que el trabajo total de fractura dúctil de chapas metálicas finas puede dividirse en dos términos: la contribución del trabajo esencial de fractura para generar dos nuevas superficies de fractura durante el proceso de desgarro, we; y el trabajo plástico, wp, que tiene lugar en los alrededores de la zona de fractura (Figura 1). Como se muestra en la figura 1, ensayando probetas DENT con diferentes longitudes de ligamento en modo de tracción hasta la fractura, se obtienen las curvas de carga-desplazamiento y la integración de las mismas corresponde al trabajo total de fractura, Wf. Dividiendo Wf por la sección transversal y graficándolo en función de la longitud del ligamento, se obtienen los parámetros we y l ßwp mediante un ajuste lineal simple. El trabajo esencial de fractura, we, corresponde a la ordenada en el origen y el trabajo plástico, wp, multiplicado por el factor de forma, ß, representa la pendiente de la regresión lineal, según: donde l0 se define como la longitud inicial del ligamento (la distancia entre las entallas), t0 como el espesor inicial de la chapa y ß como un factor de forma que depende de la forma de la zona de fractura. Figura 1. Izquierda: probeta DENT utilizada en la metodología del TEF. Derecha: determinación experimental de la metodología del TEF. El intercepto se indica como el we, y la pendiente muestra el ßwp. 2.3. Preparación de las muestras El radio de la entalla en la metodología TEF es fundamental para obtener resultados fiables [6, 7]. Por lo tanto, para obtener valores fiables de tenacidad independientes del proceso de entallado es necesario utilizar probetas prefisuradas por fatiga, tal y como recomiendan los procedimientos estándar. La prefisuración por fatiga llevamucho tiempo y requiere equipos especializados y personal capacitado. La innovadora herramienta descrita en [10] puede crear dos entallas afiladas simétricas a las probetas DENT en unos pocos segundos y puede ajustarse a una máquina de ensayos universal. Las entallas obtenidas en el proceso de cizallamiento tienen un radio de entalla de µ≈ 2 µm, parecido a una grieta de fatiga. La herramienta de generación de entallas consta de una placa superior móvil que sostiene un punzón biselado y una placa inferior que incluye una matriz y un aplanador de probetas (figura 2). Se coloca una muestra rectangular sin entallas en la matriz utilizando dos pasadores para centrarla y asegurar la misma posición de las entallas para todas las probetas. Se coloca otra muestra del mismo grosor en el aplanador de muestras para igualar la altura de la placa inferior. Haciendo descender la placa superior, el punzón crea dos entallas afiladas en la probeta DENT mediante un proceso de cizallamiento. La muestra troquelada se aplana en la zona de aplanado durante el siguiente proceso de troquelado. La calibración de la longitud del ligamento puede realizarse troquelando una misma probeta a diferentes profundidades y relacionando el ligamento medido en la superficie con el desplazamiento de la placa superior. Cuanto mayor sea el desplazamiento, menor será la longitud del ligamento. En el presente estudio, se ensayaron de 7 a 9 probetas DENT de 200 x 55 mm para cada material. Se crearon entallas cizalladas para obtener longitudes de ligamento que iban de 6 a 16 mm. Este trabajo presenta los resultados para 4 tipos de PHS, siendo dos de ellos posprocesados con un tratamiento térmico posterior al temple en matriz
ESTAMPACIÓN 7 2.4. Ensayos TEF Una vez preparadas las probetas DENT, se mide el espesor de la chapa y las longitudes iniciales de los ligamentos. El protocolo seguido para el ensayo se describe en el CEN Workshop Agreement (CWA) para el ensayo TEF de chapas metálicas delgadas dúctiles [9]. El ensayo consiste en ensayar a tracción las probetas entalladas hasta la fractura a una velocidad de deformación de 1 mm/min. La carga se registra mediante una célula de carga durante el ensayo y el desplazamiento instantáneo se obtiene mediante un video extensómetro con una longitud inicial calibrada de 50 mm. Para una mayor precisión, la longitud del ligamento puede medirse después del ensayo en la superficie de la fractura por medios ópticos. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. Resultados del TEF La figura 3 muestra las curvas de carga en función del desplazamiento para los cuatro materiales estudiados con probetas DENT cizalladas. El PHS1800 y el PHS1500 muestran los desplazamientos a fractura más bajos, con una caída repentina de la carga poco después del pico máximo de carga. El HT550FL presenta el mayor desplazamiento a fractura. El PHS1500 muestra la mayor carga máxima. La carga máxima más baja la muestra el HT550FL. Integrando numéricamente las curvas de carga-desplazamiento, se obtiene el trabajo de fractura, wf, y se representa gráficamente frente a la longitud del ligamento como se muestra en la Figura 4a. El ajuste lineal también se muestra en la figura 4a. Los valores calculados para el trabajo esencial de fractura, we, el trabajo plástico, ßwp, y el coeficiente de correlación del ajuste lineal, R2, se resumen en la tabla 2. Los mayores valores de we se obtienen de los dos materiales con temple láser, HT700FL y HT550FL (we = 247 ± 35 kJ/m2 y we =247 ± 38 kJ/m2, respectivamente). Por otro lado, el PHS1800 muestra el valor más bajo de TEF (we = 92 ± 15 kJ/ m2). En general, se obtiene un buen ajuste lineal (R2 = 0,80 - 0,93). El uso del innovador procedimiento de entallado es un método muy rápido y rentable para evaluar la resistencia a la propagación de grietas de chapas metálicas finas de alta resistencia. Sin embargo, para validar la precisión y fiabilidad de los valores medidos del trabajo esencial de fractura es importante tener en cuenta la influencia del método de preparación de las entallas. La metodología ya fue validada en [10] para diferentes grados de AHSS, donde se compararon probetas entalladas y prefisuradas por fatiga. Los resultados mostraron que los valores de tenacidad obtenidos a partir de probetas con entallas troqueladas preparadas con la nueva herramienta eran equivalentes a los obtenidos a partir de probetas prefisuradas por fatiga. En este trabajo también se ensayaron las probetas prefisuradas por fatiga para el PHS1800 para confirmar su correspondencia con las probetas con entallas troqueladas. Los resultados se muestran en la figura 4b. Como se observa, los valores de we obtenidos con los dos métodos de preparación de las probetas son prácticamente Figura 2: a) Montaje experimental de la herramienta de entallado rápido y las probetas antes y después del proceso de cizallado. b) Dibujo del proceso de cizallado para crear las entallas cizalladas e imagen de microscopio de la punta de la entalla cizallada (se indica el radio de la entalla). Figura 3. Curvas carga-desplazamiento obtenidas del ensayo TEF con probetas troqueladas para: a) PHS1800, b) PHS1500, c) HT700FL y d) HT550FL.
ESTAMPACIÓN 8 idénticos. La figura 4b muestra también los valores de we obtenidos con probetas prefisuradas por fatiga para un acero PHS1500 previamente caracterizado [4] y un acero martensítico [11] con propiedades mecánicas similares al PHS1500 estudiado en este trabajo. Se puede observar que están dentro del mismo rango de valores obtenidos en este trabajo. Esto demuestra que los valores de tenacidad obtenidos en este estudio son consistentes con los resultados mostrados en la literatura para PHS de similares características. Esto confirma de nuevo la fiabilidad de este innovador procedimiento de entallado para evaluar con precisión la tenacidad de fractura de chapas finas de AHSS y PHS. Es interesante observar que, a pesar de que los valores de alargamiento son similares para la mayoría de los grados de PHS estudiados, los valores de resistencia a la fractura muestran un comportamiento diferente para describir la propagación de la fractura. Como se observa en la tabla 1, el alargamiento total es similar para los dos PHS y el HT700FL, sin embargo, las mediciones de la tenacidad de fractura muestran una mayor resistencia a la propagación de grietas en el HT700FL. Por esta razón, es importante caracterizar la tenacidad de fractura desde el enfoque de la mecánica de la fractura. Y la metodología TEF ha demostrado ser adecuada para evaluar la propagación de la fractura de las chapas de acero endurecidas por presión. Figura 4. a) Valores wf representados en función de la longitud del ligamento, l0, para PHS1800, PHS1500, HT700FL, HT550FL. b) Barras negras: valores we obtenidos de probetas con entallas troqueladas para los materiales estudiados. Barras grises: valores obtenidos a partir de probetas prefisuradas por fatiga para PHS1800, un acero martensítico (Martensite) y PHS1500 de estudios anteriores. MATERIAL Thickness,To(mm) we (kj/m2) ßw p (MJ/m3) R2 PHS1800 1,7 92±15 10±1 0,91 PHS1500 1,6 143±33 12±3 0,80 HT700FL 1,7 247±35 20±3 0,92 HT550FL 1,7 247±38 25±3 0,93 Tabla 2. Resultados de TEF obtenidos a partir de probetas con entallas troqueladas. Figura 5. Superficies de fractura de probetas DENT con entallas troqueladas para a) PHS1800, b) PHS1500, c) HT700FL y d) HT550FL. Se indica la geometría de la fractura.
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ESTAMPACIÓN 10 3.2. Superficie de fractura La figura 5 muestra la superficie de fractura de las probetas DENT de los 4 aceros PHS estudiados con una longitud de ligamento de aproximadamente 12 mm. La longitud del ligamento puede distinguirse fácilmente entre las dos puntas de las entallas. El aspecto de la fractura del PHS1800 y el PHS1500 es similar, presentando frentes de grieta redondeados y cóncavos. Por otro lado, los materiales con templado láser muestran puntas de grieta puntiagudas y más estricción o reducción de espesor a lo largo de la fractura. Este aumento de la estricción ha demostrado estar relacionado con un aumento de la tenacidad de fractura [6]. Comprobando los resultados obtenidos en el presente estudio, se puede comprobar esta relación para los materiales actuales estudiados. 4. CONCLUSIONES En el presente trabajo se ha utilizado una innovadora herramienta rápida para introducir entallas afiladas en probetas DENT de chapa metálica para el ensayo del TEF. El nuevo método para evaluar la tenacidad de fractura de láminas metálicas delgadas ha demostrado ser adecuado para comparar el comportamiento de fractura de diferentes grados de acero endurecidos por presión. Además, permite discernir el diferente comportamiento a fractura de varias microestructuras endurecidas a presión sometidas a diferentes tratamientos térmicos. En particular, HT550FL y HT700FL han mostrado los valores más altos de trabajo esencial de fractura. Esta mejora en la tenacidad de fractura no puede predecirse mediante propiedades mecánicas convencionales como el alargamiento total o el límite elástico, ya que no se correlacionan con las mediciones de resistencia a la fractura obtenidas. El uso de este procedimiento de entallado rápido puede conducir a una rutina más rápida para evaluar y optimizar la calidad de los materiales de chapa de alta resistencia con una mayor resistencia a la fisuración. Puede considerarse un método útil y rápido para la medición de la tenacidad de fractura que puede contribuir a la selección y/o al desarrollo de aceros endurecidos por prensado con un mejor comportamiento a la fractura y resistencia al impacto. n AGRADECIMIENTOS La investigación que ha conducido a estos resultados ha recibido financiación del programa del Fondo de Investigación del Carbón y del Acero de la Unión Europea, en virtud del acuerdo de subvención nº 101034036 - proyecto Tough-Steel. REFERENCIAS [1] Yoon, J. I. y otros: Correlation between fracture toughness and stretchflangeability of advanced high strength steels Matter.Lett. 180 (2016) 322326. [2] Casellas, D. et al.:Fracture Toughness to Understand Stretch-Flangeability and Edge Cracking Resistance in AHSS. Metall. and Mat. Trans. A 48 (2017) 86-94. [3] Frómeta, D. et al: Evaluation of Edge Formability in High Strength Sheets Through a Fracture Mechanics Ap-proach. AIP Conference Proceedings 2113, 160007 (2019). [4] Frómeta, D. et al.On the correlation between fracture toughness and crash resistance of advanced high strength steels. Eng. Frac. Mech. 205 (2019) 319-332. [5] Frómeta, D. et al: Fracture toughness measurements to understand local ductility of advanced high strength steels. IOP Conf. Ser: Mater. Sci. Eng. (2019) 651 012071 [6] Muñoz, R. et al: Fracture toughness characterization of advanced high strength steels. Int. Deep Drawing Re-search Group (IDDRG) Conference 2011 (Bilbao, España, 5-8 de junio de 2011). [7] Frómeta, D. et al. Identification of fracture toughness parameters to understand the fracture resistance of advanced high strength sheet steels. Eng. Frac. Mech. 229 (2020) 106949. [8] Cotterell B y Reddel JK. The essential work of plane stress ductile fracture. Int. J. Fract. (1977) 267-277. [9] CWA 17793:2021: Test method for determination of the essential work of fracture of thin ductile metallic sheets. cwa17793_2021.pdf (cencenelec. eu) [10] Frómeta, D y otros: New tool to evaluate the fracture resistance of thin high strength metal sheets. IOP Conf. Ser: Mater. Sci. Eng. 967 (2020) 012088. [11] Golling, S. y otros: Influence of microstructure on the fracture toughness of hot stamped boron steel. Mat. Sci. and Eng. A 743 (2019) 529-539.
12 DEFORMACIÓN La situación dinámica y rápidamente cambiante de la industria en la actualidad, y su entorno, cada vez más exigente, obliga a los fabricantes a desarrollar nuevas soluciones y productos que se adapten a los nuevos materiales y a las nuevas tendencias en los procesos de fabricación. Sobre todo, se trata de implementar nuevas tecnologías que contribuyan a responder a las necesidades del mercado de manera flexible, y al cumplimiento de las normas medioambientales, cada día más estrictas. En el ámbito de los procesos de unión tradicionales, y muy especialmente en el caso de la soldadura, las limitaciones quedan patentes. En el caso del Grupo Böllhoff, la gama de equipos de clinchado Rivclinch ofrece soluciones para cualquier tipo de aplicación, siempre con la garantía que ofrece la experiencia y fiabilidad de un fabricante pionero con más de 140 años de historia. ¿EN QUÉ CONSISTE EL CLINCHADO? Es una tecnología que crea uniones de chapas y perfiles por deformación en frío, sin necesidad de aporte de material adicional. Hay diferentes sistemas de unión, y todos son idóneos para unir materiales de manera rápida, rentable y ecológica, y evitando cualEl clinchado, la tecnología que está destinada a ser el sustituto de la soldadura Punto de clinchado y máquina manual de clinchado para unir conducto de ventilación.
13 DEFORMACIÓN quier tipo de daño superficial. Además, el clinchado permite crear fijaciones seguras, gracias a máquinas y equipos que facilitan la accesibilidad y reducen riesgos para el operario, así como para los materiales a unir. ¿CUÁL ES EXACTAMENTE EL PROCESO DE UNIÓN MEDIANTE CLINCHADO? El proceso de deformación del material se produce por la interacción de un punzón y una matriz. Las chapas o perfiles se unen mediante lo que se denomina un punto de clinchado, sin necesidad de soldar ni de utilizar otros elementos de fijación añadidos. Al tratarse de una técnica de ‘unión en frío’, el material no sufre cargas térmicas: ya sean lacados, pintados, plastificados o metalizados, los materiales no sufren daño ni deterioro. Otra ventaja es que el proceso de fijación se realiza sin chispas, ni humos, ni disolventes o tóxicos; tampoco se necesita implementar calor ni frío, lo que facilita un entorno de trabajo seguro y agradable. El clinchado crea uniones de chapas y perfiles por deformación en frío sin necesidad de aporte de material adicional Los sistemas de clinchado son flexibles, son sistemas ‘Plug and play’, que se pueden adaptar fácilmente a las necesidades de producción. Frente a la soldadura, que implica un elevado coste en mano de obra cualificada, requiere un sistema de extracción especial de humos, lo que supone también un elevado consumo eléctrico, y es además costoso y peligroso, el clinchado ofrece las siguientes características que suponen sin duda grandes mejoras en el proceso de fabricación: Equipos rápidos y automatizables. • Posibilidad de intercalar plásticos o adhesivos entre las dos piezas a unir. • Útiles de gran durabilidad. • Evitar el deterioro en el tratamiento de la superficie. • No requiere ningún elemento adicional para realizar la unión. • Reducción del consumo de energía. • Se evita el daño térmico de la zona de unión, o la distorsión en chapas de pequeño espesor, como suele provocar el aporte térmico durante la soldadura. • No son necesarios trabajos previos ni posteriores (ni taladros, ni pospintado u otros acabados). n
FABRICACIÓN ADITIVA Dra. Maider Muro, Tecnologías de Conformado, en el centro de investigación metalúrgica Azterlan 14 En los procesos de fabricación de transformación de materiales metálicos, plásticos y cerámicos muchos de los eventos relevantes se dan en zonas de difícil acceso en las que, debido a las condiciones de trabajo, no es posible capturar los datos de forma directa. Como consecuencia, actualmente, la monitorización de estos procesos se realiza a través de datos tomados de forma indirecta; lo mismo sucede con las modelizaciones y simulaciones que se alimentan de dichos parámetros. Poder avanzar en la integración de transductores que permitan capturar estos datos de gran relevancia es un aspecto fundamental para mejorar su control y su eficiencia. elevada resistencia al desgaste y con circuitos de refrigeración resistentes a la corrosión. Si bien es difícil conseguir combinar estas propiedades mediante tecnologías convencionales, el laser cladding ofrece nuevas oportunidades de fabricación. Asimismo, las tecnologías aditivas permiten superar limitaciones asociadas a la forma de los canales de refrigeración, permitiendo crear canales conformales (adaptados a la superficie de la pieza) que proporcionan un enfriamiento más uniforme y permiten Azterlan y Tekniker trabajan para superar el desaf ío que supone integrar sensores y optimizar la monitorización de las herramientas FABRICACIÓN DE HERRAMIENTAS DE CONFORMADO CON CIRCUITOS DE REFRIGERACIÓN SUBCUTÁNEOS MEDIANTE LASER CLADDING Un caso especialmente representativo de esta problemática se encuentra en las herramientas de conformado que trabajan en condiciones adversas (altas temperaturas y desgaste). En casos como este, el desafío principal consiste en poder asegurar la implementación de sensores comerciales en las superficies de herramientas garantizando su integridad, así como la conducción de potencia hasta los mismos y la lectura de sus señales mediante cableado estándar. Los retos tecnológicos que plantea este objetivo pasan, en primer lugar, por resolver los problemas térmicos asociados a esta integración. En el caso del diseño de herramientas de conformado con canales de refrigeración, necesarias para optimizar los ciclos de fabricación en aquellas piezas cuyo enfriamiento es parte fundamental del proceso para asegurar su calidad, se suelen emplear combinaciones de distintos materiales con propiedades complementarias: un núcleo con una alta conductividad térmica y una superficie con una
FABRICACIÓN ADITIVA 15 acortar el ciclo de enfriamiento de la pieza, a la par que contribuyen a una reducción de las cuotas de rechazo, superando las líneas rectas de los canales convencionales. No obstante, el proceso de laser cladding también plantea incógnitas y lagunas que la investigación experimental debe ir solventado. Entre estas, destaca la potencial afección que el aporte de metal mediante calor puede tener sobre el estado de los elementos a integrar, así como la definición de los ajustes óptimos para trabajar con seguridad. Con el fin de explotar las oportunidades que ofrece la tecnología laser cladding para integrar cableado en la superf icie de herramientas de conformado, Azterlan y Tekniker (centros tecnológicos pertenecientes al BRTA), han desarrollado un proceso de aporte de polvo metálico mediante la tecnología de laser cladding. Dicho desarrollo se orienta a la fabricación de canales de refrigeración optimizando los parámetros de proceso más relevantes, tales como la potencia del láser, la velocidad de avance o el caudal de polvo, estableciendo las estrategias de aporte más adecuadas para sellar dichos canales de refrigeración sin deformar ni agujerear los elementos auxiliares, a fin de garantizar la estanqueidad de estos y evitar fugas de fluido refrigerante. ESTUDIO DE FABRICACIÓN DE CIRCUITOS DE REFRIGERACIÓN SOBRE UN ACERO DE HERRAMIENTA La selección de los materiales para llevar a cabo el presente estudio se realiza con el fin de que cumplan con los requisitos de conductividad térmica y compatibilidad química con los materiales de aporte y sustrato (herramienta). El acero de herramienta seleccionado para la base del troquel es el acero 1.2311. Se trata de un acero con una buena maquinabilidad y elevada conductividad térmica. Tras mecanizar una muestra que sirve como base del troquel, sobre la misma se mecanizan asientos para acomodar las placas fabricadas con el acero 316L de distinto espesor, con el objetivo de explorar la tasa de supervivencia de los conductos en función del espesor de las tapas (imagen 1). Las geometrías test contemplan una superficie de refrigeración inferior semicilíndrica del mismo diámetro en todos los casos. Para la construcción de los canales de refrigeración subcutáneos se ha seleccionado el acero inoxidable austenítico AISI 316L, de elevada resistencia a la corrosión. Para ello se seleccionan chapas de 316L de distinto espesor, que sirven de tapas de los conductos semicirculares mecanizados en la base del troquel. Tras la selección, se fabrican chapas de diferentes espesores que se emplean a modo de probeta plana o sustrato, donde se llevan a cabo las primeras pruebas de aporte, a fin de establecer el espesor mínimo que permita por un lado garantizar la integridad de la chapa tras el aporte y, por otro, minimice las distorsiones que podrían perjudicar el sellado final de los canales de refrigeración. Por último, el material seleccionado como aporte es el acero de herramienta de trabajo en caliente el 1.2344. Imagen 1. Esquema de fabricación de la muestra que simula un troquel (gris), fabricado en 1.2311, con canales de refrigeración sobre el que se soldarán mediante laser cladding tapas (azul) de AISI 316L como material de construcción de los canales de refrigeración. Imagen 2. Izquierda: etapa 1, cierre de bordes. Derecha: etapa 2, creación de la capa colchón.
FABRICACIÓN ADITIVA 16 Tras una serie de pruebas experimentales que permiten evaluar el comportamiento de las muestras frente al aporte del acero 1.2344 mediante tecnología laser cladding, se concluye que el método de trabajo más viable es a través de 3 etapas consecutivas que permiten: 1. Generación de los cierres de estanqueidad en los bordes de las chapas/ tapas (imagen 2, izquierda): Esta primera etapa se realiza con una potencia de 1,5 kW, una velocidad de 20 mm/s, con un caudal del polvo de 10 g/min y un ángulo para la boquilla de 75º. 2. Generación de un colchón que evita la perforación de las chapas (imagen 2, derecha): En esta segunda etapa se utiliza una potencia de 0,8 kW, una velocidad de 20 mm/s, Imagen 3. Etapa 3, recubrimiento masivo de la superficie. un caudal de polvo 1.2344 de 10 g/ min, un solape de 1mm, un total de 3 capas. 3. Recargue masivo de la superficie (imagen 3): En la tercera etapa se utiliza una potencia de 1,2 kW, una velocidad de 15 mm/s, un caudal de polvo de 10 g/min, un solape de 1 mm y un total de 6 capas. El cambio de dirección entre capas se ha realizado en zig-zag. Imagen 4. Superior izquierda: canales de refrigeración creados sobre muestra de troquel. Superior derecha: análisis tomográfico de la muestra. Inferior izquierda: sección del área de la muestra seleccionada por tomografía. Inferior derecha: el plano más susceptible a desarrollar un bajo rendimiento, detectado por Tomografía de Rayos X.
FABRICACIÓN ADITIVA RECONOCIMIENTO Este estudio se ha desarrollado en el seno del proyecto SUSIE (nº de expediente KK-2020/00054) orientado a la integración disruptiva de sensórica inteligente en máquinas, mediante el empleo de tecnologías de fabricación aditiva. Este proyecto se encuentra financiado por el programa Elkartek del Gobierno Vasco. 17 Imagen 5. Análisis de la integridad de los canales de refrigeración. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Y CONCLUSIONES Los análisis posteriores realizados sobre las muestras desarrolladas han demostrado la viabilidad del laser cladding como vía de fabricación de canales de refrigeración en superficies de herramienta de fabricación por conformado. Externamente, no se han observado grietas, poros, ni defectos significativos, aunque sí existe variabilidad en términos dimensionales en la altura o la afectación térmica producida por el proceso en las chapas AISI 316L sobre las que se ha aportado el acero de herramienta 1.2344. En todos los casos, el estudio de la integridad de las uniones ha ofrecido resultados satisfactorios (imagen 5). En base a los resultados obtenidos se ha demostrado que es factible fabricar canales de refrigeración con tapas de 316L planas sobre una base de 1.2311 con circuitos superficie de refrigeración inferior semicilíndricas mediante la tecnología de laser cladding.n del recargue, así como deformación térmica en parte de las chapas de acero inoxidable. Ambos aspectos se aprecian también en la tomografía general de la probeta (imagen 4, superior derecha). El análisis sobre el sólido 3D aportado por la tomografía muestra una sanidad interna elevada. Se ha seleccionado el plano de estudio más susceptible a desarrollar un bajo rendimiento de la muestra para su análisis metalográfico y control de dureza (imagen 4, inferior derecha). Se han analizado aspectos como la porosidad, adherencia, deformaciones,
18 ESTAMPACIÓN Grupo Segura y AutoForm logran con éxito la estampación en frío de aceros de 3ª generación En la industria de la automoción hay una tendencia constante a encontrarse con vehículos cada vez más ligeros y seguros. En consecuencia, los materiales empleados en el proceso de fabricación de un automóvil demandan una serie de características específicas para satisfacer esta necesidad. Grupo Segura, empresa dedicada al diseño, desarrollo y fabricación de componentes metálicos para el automóvil, decidió invertir en un proyecto de I+D: se propuso investigar y desarrollar soluciones de estampación en frío que permitan equipararse a la funcionalidad de los aceros para estampación en caliente en determinadas aplicaciones, a partir del conformado de una nueva generación de aceros de muy alta resistencia (AHSS 3ª Generación). En este proyecto, el objetivo por parte del Grupo Segura era adelantarse a la más que posible futura demanda por parte de los grandes OEMs y adquirir experiencia en este novedoso tipo de aceros. Y para llevarlo a cabo, la empresa contó con la colaboración de AutoForm, proveedor especializado en software para la fabricación virtual de producto, Equipo de trabajo de Grupo Segura.
El objetivo era desarrollar soluciones de estampación en frío equiparables a la funcionalidad de los aceros para estampación en caliente 19 ESTAMPACIÓN cálculo de costes de herramientas y materiales, diseño dematrices y estampado, una rápida y fiable validación de los procesos de diseño, así como optimización del proceso de ensamblaje de BiW. También ha participado ArcelorMittal, compañía siderúrgica de ámbito mundial, que ocupa una posición de liderazgo en los principales mercados, incluyendo el automóvil, la construcción, los electrodomésticos y los envases. La primera parte del proyecto la protagonizó ArcelorMittal, ya que fueron los encargados de proveer y caracterizar el acero de muy alta resistencia que se utilizó, denominado como Fortiform1050 y que cuenta en este caso con un límite de rotura de 1050 MPa. Cabe recordar que para que un acero se considere de muy alta resistencia su límite de rotura debe superar los 550MPa. Para caracterizar el material es preciso hacer distintos ensayos determinando su resistencia a tracción y módulo de elasticidad longitudinal con el que se obtiene la curva tensión-deformación y el resto de las propiedades de éste. Una vez conseguida la caracterización, se elaboró una carta de material que posteriormente se utilizaría para comenzar el proceso de simulación mediante AutoForm. Debido a la complejidad del acero y para conseguir una mayor exactitud en el cálculo de los resultados, se utilizó el plug-In de TriboForm, módulo de AutoForm para la importación y aplicación de un conjunto de datos de tribología generados previamente. TriboForm permite simular los efectos de los recubrimientos de herramientas, lubricantes, características de la superficie del material y obtener así más precisión en la simulación. El objetivo del proyecto era reproducir una pieza actualmente en producción, pero con este nuevo material. Para dar forma a esta pieza el proceso consta con un embutidor, que se encarga de transformar la pletina de entrada en la pieza deseada y posteriormente se elimina el material sobrante troquelándolo en las siguientes operaciones. Para no perjudicar la producción, se optó por la fabricación de un nuevo embutidor, pero antes fue necesario configurar la simulación utilizando el nuevo material. Esta fue una de las partes más importantes del proyecto, puesto que debido a las características del acero Fortiform iba a ser necesario modificar ciertos parámetros para adecuar las herramientas al nuevomaterial. Después de hacer varias simulaciones, se llegó a la conclusión de que era necesario aumentar la fuerza de pisado. La alta resistencia mecánica de este acero, hacía imposible un correcto funcionamiento de la matriz con la presión anterior. También fue necesario aumentar la altura de embutición y la restricción de los frenos para lograr un equilibrio óptimo entre un correcto estiramiento del material (alcanzando la deformación plástica de éste) y un correcto flujo de entrada de material evitando cualquier formación de arrugas. Del mismo modo, la geometría de la pieza tuvo que adaptarse con el fin de controlar la fuerte recuperación elástica resultante. En este caso, el proceso de simulación ha resultado vital para anticiparse a una problemática, posiblemente no resoluble una vez mecanizada la herramienta. De esta manera, el estudio de simulación realizado con el software AutoForm y la capacidad de alargamiento de los aceros Fortiform han permitido la introducción de nervios, radios, absorbedores y otros elementos, impensables en aceros de muy alta resistencia de 1ª generación. Estos cambios se realizaron utilizando la herramienta de AutoForm llamada AutoForm-DieDesigner, que permite a los usuarios la creación rápida de geometrías conceptuales para matrices y herramientas de operaciones secundarias, para que se puedan proporcionar más detalles geométricos al plan de proceso propuesto con el objetivo de configurar una simulación de proceso más precisa. El proceso de generación de superficies de herramientas está respaldado por funcionalidades rápidas y fáciles de usar. Por lo tanto, el usuario puede crear modelos geométricos de la matriz parametrizados. La técnica de modelado paramétrico de AutoForm-DieDesigner asegura las funcionalidades de actualización completa del diseño de la superficie de la herramienta. Como consecuencia, las modificaciones de las piezas se pueden tener en cuenta fácilmente actualizando el diseño de matriz existente. Acto seguido, se utilizó AutoFormSigma para evaluar la influencia de los diferentes parámetros del proceso en la pieza final y paramejorar sistemáticamente el proceso de producción propuesto, con el fin de minimizar la aparición de problemas durante el try-out y la producción de la pieza. AutoForm-Sigma calcula una batería de simulaciones con parámetros diferentes, pero estrechamente rela-
20 ESTAMPACIÓN cionados, estos parámetros difieren según la configuración del proceso seleccionada. Gracias a estas simulaciones, se puede hacer una evaluación de cómo se comportará el proceso de producción propuesto en un entorno de producción real y qué tan robusto es. El último paso consistió en lograr que la pieza estuviese dentro de los márgenes de tolerancia dimensional. Como previamente se hizo el análisis con AutoForm-Sigma, los resultados de Springback que se obtuvieron eran estables. Esto es algo muy importante a tener en cuanta antes de empezar con el proceso de compensación de las herramientas, ya que si el proceso es sensible a las variables de ruido (no controlables) así como la lubricación, la posición del formato o las propiedades del material, entre otros, no será posible tener una desviación del Springback constante, y por ende no se podrá aplicar una corrección apropiada para todos los posibles escenarios. Esto se puede apreciar en el ejemplo de la figura 1, en ella se ve que la desviación de Springback en la simulación nominal es de 2,8 mm y, en el cálculo de AutoForm-Sigma, puede verse que la desviación entre el valor máximo y mínimo de todas las simulaciones calculadas es de 2 mm. Si este valor es mayor a la tolerancia máxima de la pieza, se debería reducir cambiando o modificando el proceso para poder compensar después las herramientas. Para compensar las herramientas se utilizó AutoForm-Compensator, que genera superficies de herramienta compensadas de acuerdo con un campo vectorial que puede provenir o bien de mediciones de recuperación elástica (resultados de Springback previamente calculados), o de una desviación calculada entre una geometría de referencia y una geometría de pieza estampada (escaneada digitalmente). Con esta herramienta se puede definir y evaluar rápidamente diferentes estrategias de compensación y, en consecuencia, crear geometrías de herramientas compensadas para obtener piezas que después del springback cumplan con las dimensiones nominales y las tolerancias relativas. AutoForm-Compensator permite compensaciones iterativas de la geometría de la herramienta (múltiples bucles de compensación) hasta que se alcanza el objetivo dimensional, a continuación, en la figura 2 pueden verse los resultados de Springback después de usar AutoForm-Compensator. Ya con unos resultados de simulación acordes a la calidad necesaria, se procedió al mecanizado de las herramientas, el posterior montaje de éstas y, finalmente, con el trabajo de puesta a punto en taller. Una vez embutida la geometría, se comprobó un alto grado de correlación entre los resultados de la simulación y la realidad en términos de formabilidad, recuperación elástica, pérdida de espesor y material consumido, que se reforzaron después del corte láser por fases (no se utilizó la herramienta de producción dados los cambios introducidos) y obtención de la pieza final liberada. Después de este análisis, y gracias a la colaboración del Grupo Segura, ArcelorMittal y AutoForm, ha quedado demostrada la viabilidad de conformado de los aceros Fortiform (AHSS 3ª Generación), así como la vital importancia de la caracterización del material para utilizarlo en AutoForm y obtener resultados ajustados a la realidad, anticipándose al comportamiento que va a tener la pieza antes de comenzar el proceso de fabricación y por supuesto contar con un equipo de profesionales con una amplia experiencia en el sector, para plasmar todos los resultados simulados en el proceso real. n Figura 1. La desviación de Springback en la simulación nominal es de 2,8 mmmientras que en el cálculo de AutoForm-Sigma, la desviación entre el valor máximo y mínimo de todas las simulaciones calculadas es de 2 mm. Figura 2. Izquierda, pieza sin compensar fuera de tolerancia. Derecha, pieza compensada dentro de tolerancia.
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AUTOMATIZACIÓN 22 Claves para la automatización de procesos ACABADO DE ARISTAS FUNCIONALES Y MEDICIÓN IN-SITU En sectores tecnológicos avanzados, la automatización de procesos de fabricación complejos es una realidad. En este camino hacia la búsqueda de procesos totalmente desatendidos, aún es común encontrarse con operaciones manuales. En la fabricación de componentes del motor aeronáutico, alguno de los procesos finales de acabado de aristas se realiza de forma manual, debido a la gran dificultad geométrica y de proceso que presentan estas etapas finales. Los estrechos límites de diseño utilizados hacen que cumplir con los requisitos de tolerancia y forma sea de gran complejidad, sobre todo cuando es necesario eliminar las rebabas y realizar el matado de aristas de forma automática. Estas operaciones de acabado se realizan en condiciones finalistas, esto es, sobre componentes de alto valor añadido a los que se les ha realizado múltiples operaciones de mecanizado previas. Esto maximiza el riesgo del proceso y elimina cualquier opción de fallo durante el proceso. Un error en estas etapas supone una gran pérdida económica. Es por ello, que todos los esfuerzos se focalizan en la automatización exitosa de este tipo de procesos, ya que la dependencia del operario durante el proceso manual aumenta la variabilidad y riesgo de rechazo. La tendencia en muchos sectores, como por ejemplo en automoción, es el empleo de células robotizadas para realizar procesos de rebabado y acabado de componentes. Esta tipología de máquina presenta mayor flexibilidad y menor coste horario en comparación con las máquinas-herramienta convencionales [1]. De esta manera, se pretende no sólo agilizar y reducir el tiempo entre operaciones, sino también aumentar el grado de control sobre el proceso, de cara a obtener piezas finales con acabados más uniformes y repetitivos. Se pueden encontrar muchas soluciones desarrolladas con éxito en sectores de automoción, oil&gas, decoletaje, Mikel González, Adrián Rodríguez, Octavio Pereira, Luis Norberto López de Lacalle, del Centro de Fabricación Avanzada Aeronáutica (CFAA) / (UPV/EHU)
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