El acero se convierte en aluminio

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Desde la introducción de esta tecnología en la década de 1980, las placas de metal hechas a la medida ahorraron millones de toneladas de acero a los fabricantes de automóviles. La combinación de hojas de acero delgadas y gruesas, estampadas en la forma requerida en las líneas de prensado, soporta partes estructurales complejas en la mayoría de los automóviles y camiones.

Las placas hechas a la medida les permiten a las empresas producir paneles de puerta más fuertes y gruesos donde tienen que absorber daños por choques, pero delgados en el resto de la pieza, lo que reduce la utilización de metal y disminuye el peso en los vehículos. Pero se trata de una tecnología que nació para el acero y las placas a la medida son mucho más difíciles de hacer con otros metales, lo cual se ha convertido en un problema para diseñadores y fabricantes conforme hacen su transición de acero a aluminio en la producción de muchas partes.

En Shiloh Industries, empresa fabricante de placas, creen tener ya una solución: las partes de aluminio soldadas con láser que se comportan como sus contrapartes de acero en las prensas de estampado. “Estamos desarrollando esto ahora, pero no porque nos lo estén solicitando. Esta es nuestra manera de pensar sobre el rumbo que está tomando la industria ―comenta Bernhard Hoffmann, director ejecutivo de ingeniería de aplicación de la empresa establecida en Valley City, Ohio―. Nuestros clientes, conforme transitan al aluminio, van a ir necesitándolo. Tenemos que estar listos para esto y contar desde ya con pruebas y validaciones hechas”.

Menos metal igual a menos peso

Durante décadas, los fabricantes de automóviles han empleado placas de acero soldadas con láser para colocar pequeñas cantidades de acero pesado de alta resistencia en medio de los cuerpos estructurales, rodeando el metal con porciones delgadas de materiales menos costosos. Hoffmann estima que el panel de una puerta interior ―la porción del ensamble de la puerta que añade al vehículo estructura y protección contra choques―, pesa alrededor de 21 libras cuando se hace de láminas de acero de un solo espesor. Las placas de acero soldadas con láser lo reducen a aproximadamente 17 libras, es decir, 20 % de ahorro por puerta, por carro.

El simple cambio de acero a aluminio genera un gran ahorro en peso. Con el aluminio, los paneles de las puertas internas hechas de metal de un solo espesor, agregan alrededor de 9 libras al vehículo, casi la mitad de lo que añade una puerta interna de acero hecha con placas soldadas por láser. Sin embargo, el aluminio es tres veces más caro que el acero, por lo que la reducción de peso se traduce en un incremento en el costo.

Shiloh ha empleado su tecnología de soldadura con láser en paneles de aluminio para puertas de prueba, lo que ha traído consigo una reducción de peso de hasta 7,6 libras por puerta interior, lo que significa 16,2 % menos que una parte de aluminio con espesor uniforme. Hoffmann explica que “debido a que el aluminio es más caro, esta tecnología resulta más valiosa para considerarla como una opción”.

Por otro lado, no todo el metal está en el panel final de la puerta del carro. Alguno se corta de las hojas durante las fases de troquelado, estampado y formado. Al cambiar de estampados de un solo espesor a placas soldadas con láser, se disminuye del total de 17 libras de material empleado de aluminio a alrededor de 15 libras, una reducción de 17,7 %. Las ocho libras de material cortado en un vehículo de cuatro puertas pueden agregar ahorros significativos si consideramos una producción de más de 100.000 autos o camiones.

Conforme los fabricantes hacen un balance de sus costos en peso, en relación con sus costos en materiales, las tecnologías para minimizar la cantidad de aluminio requerido por parte, son en verdad bienvenidas. Hoffmann añade que “si observamos los ahorros en el costo por libra (la soldadura con láser) se convertirá en una opción más viable que los estampados monolíticos”.
 
Precisión con aluminio

El problema con la creación de placas de aluminio formadas a la medida, radica en que este metal no resulta tan amigable para los procesos, como el acero. Tanto en la soldadura como en el estampado, el melindroso aluminio requiere nuevos procesos de manufactura.

“Las diferencias principales entre el trabajo con acero y con aluminio, indican que cuando se suelda con acero, este se hace martensítico, lo que incrementa su dureza de manera sustancial ―explica Hoffmann―. Cuando se suelda aluminio, se cambia el tamaño del grano y se hace mucho más suave”.

Para Shiloh, el reto era doble: soldar hojas de aluminio juntas y crear soldaduras lo suficientemente duras para resistir los procesos de estampado después de haber sido unidas. Hoffmann advierte que ambos problemas requieren investigación, ingeniería y una cantidad decente de prueba y error. Inicialmente, al aplicar la tecnología de soldadura con láser empleada en los paneles de acero, parecía que iba a ser fácil. Los ingenieros unieron varios paneles y dieron esperanza a Shiloh de que podría utilizar equipo y procesos ya existentes, en nuevos materiales. Pero las soldaduras en aquellas hojas de aluminio de varios espesores se dividían en el proceso de estampado.

Técnicas alternativas

Los clientes de la industria automotriz exigen resultados consistentes y predecibles de las partes, por lo cual los ingenieros de Shiloh consideraron métodos alternativos de unión. Uno de los primeros fue el de soldadura por fricción. “Es una transferencia fría si se agitan los dos metales juntos de manera efectiva”, apunta Hoffmann. En la soldadura por fricción, una herramienta giratoria se frota a lo largo de la superficie de una hoja de metal, creando así la fricción que ablanda pero no funde por completo los paneles que serán unidos, lo que permite llevar el metal a un estado plástico. Hoffmann indica que esta tecnología junta los paneles de aluminio muy bien, pero sin lograr resultados consistentes.

“Al tratar de formarlos y doblarlos en varias direcciones, vemos muchos problemas ―sostiene el director de ingeniería―. Se hizo una buena parte, pero dos días después apareció una grieta”. Las grietas intermitentes no fueron aceptables tampoco, por lo que Shiloh volvió al tema de los láser, donde el equipo de Hoffmann encontró de manera eventual la combinación correcta de procesos para controlar la soldadura. La clave fue entender las propiedades metalúrgicas del aluminio y usarlas para crear procesos de trabajo confiable.

“Se necesita un estricto control del crecimiento del grano y de las zonas afectadas en esa área para no enfrentar problemas de continuidad ―apunta el directivo de Shiloh―. Gran parte del conocimiento viene de lado del estampado, donde entendemos cómo se funde el aluminio y las propiedades para controlarlo”.

Los fabricantes de placas prueban sus productos al sujetarlos a pruebas de tortura de doblado y estirado, que simulan de esta manera los ambientes industriales de las prensas de estampado automotor. Las partes son probadas hasta que fallan. Se considera exitosa una prueba cuando la pieza se quiebra donde el metal es más delgado, donde de manera lógica, las partes deberían ser más débiles. Pero se considera una falla cuando la pieza se rompe en la unión que se ha soldado. “Hemos corrido miles de partes y miles de muestras de prueba y nunca han fallado en el interior de la soldadura ―asegura Hoffmann―. Pensamos que tenemos este proceso bien medido”.

Manufactura simplificada

Las placas de aluminio soldadas con láser pueden reducir la complejidad de la fabricación de una parte de automóvil. Con el acero, las placas formadas han permitido a las empresas reemplazar el ensamble de dos y tres partes por una sola pieza. Con el aluminio, algunos diseñadores han dado un paso hacia atrás, al reemplazar estructuras de una pieza en ensambles de múltiples piezas, las cuales tienen que ser unidas después del estampado. La baja masa del aluminio provee ahorros en peso comparado con el acero, pero los costos del material y los tiempos de ciclo son más elevados.

“Cuando las personas empezaron a pedir partes de aluminio, pensaron que tendríamos que hacer ensambles de dos piezas, y esto agrega peso, mano de obra y tiempo de proceso ―advierte Hoffmann―. Al usar estas placas soldadas con láser, los fabricantes de autos y los Tier 1 se ahorran un paso más en el ensamble”.

Con la búsqueda de nuevos materiales por parte de la industria, él agrega que las empresas van a estar a la expectativa de tecnologías que cumplan con la precisión que ellos ya han logrado en el acero, tanto en lo que respecta al uso del metal como en los tiempos de manufactura. Los productores ya se están moviendo hacia el empleo de materiales más caros. Si el tiempo de construcción de sus vehículos también crece, los costos de fabricación de vehículos ligeros podrían eclipsar sus beneficios.

“Hacemos placas y estampamos partes, por lo que realmente estamos atentos a ambos lados de la moneda ―indica el experto―. Puesto que estampamos nuestras propias partes, estamos conscientes de los tiempos de ciclo y de la necesidad de soportar ensambles de una sola pieza en el piso de producción”.

Oportunidad de mercado

Desarrollar tecnología de soldadura de aluminio para las partes de automóvil, antes de que los clientes lo pidan, es un movimiento estratégico de Shiloh. Para alcanzar el estándar de 54.5 mpg del Promedio Corporativo de Economía de Combustibles 2025, la reducción de peso se ha hecho crucial para cualquier fabricante de autos. Y los líderes de Shiloh creen que van a ver un flujo de solicitudes de estas partes en el futuro próximo.

“Los mayores ahorros se verán, sobre todo, en las camionetas pick-up y en los SUV del segmento E, que tienen puertas de un cuerpo completo, donde el ahorro en tiempo y peso hará el costo más competitivo”, asegura Hoffmann, quien agrega que él espera que más puertas y compartimientos sean hechos de aluminio en los próximos tres años.

La industria se ha movido en esa dirección desde hace ya algunos años. Casi todos los cofres de camionetas pick-up son de aluminio, así como muchas tapas de maleteros. Los fabricantes de automóviles comenzaron con estas partes porque son sencillas y sirven principalmente como protección contra los elementos. Los paneles de las puertas resultan más difíciles porque tienen que absorber más daño durante los accidentes automovilísticos.

“Las compuertas son paneles colgados. No cambian en todo el cuerpo de la carrocería”, concluye Hoffmann. Hacer puertas de aluminio es menos costoso que cambiar todos los paneles exteriores de la carrocería a metales ligeros. “No tienes que hacer un cambio completo como lo está haciendo Ford en su planta de camionetas de Dearborn (Michigan) para cambar todo, desde los puntos de soldadura hasta el procesamiento de aluminio”.

Desde que Shiloh comenzó a mostrar sus pruebas de paneles de puertas a principios de 2014, Hoffmann advierte una reacción sorprendentemente positiva. Los fabricantes de vehículos quieren reducir el peso de sus automóviles, pero quieren hacerlo a partir de tecnologías que conocen y entienden. Los proveedores que puedan familiarizarse con los nuevos materiales acapararán la atención de los fabricantes durante los próximos años.

 

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