Autopartes para E-Movilidad

Las aleaciones de aluminio son el segundo material más utilizado en la industria automotriz y el de mayor crecimiento en el diseño de autos. Según DuckerFrontier en 2020, el uso de aluminio en automóviles y camiones en Norte América sigue aumentando tras 45 años de crecimiento y se prevé que en 2025 alcance niveles de contenido medio de 229 kg por vehículo (un 10% más que en 2020). La preferencia de los fabricantes de automóviles por el aluminio se debe en gran medida a su ligereza, que hace más eficientes a los vehículos desde el punto de vista energético, independientemente de si se trata de gasolina, diésel o eléctrico. Gracias a su resistencia inherente y a su capacidad para absorber la energía de los choques, las piezas de aluminio pueden llegar a ser más seguras que las de acero y hasta un 50% más ligeras. Las aleaciones de aluminio se han empleado en la construcción de aviones desde 1930, principalmente las de las clases 2xxx, 7xxx y 6xxx.

Estas aleaciones son las responsables de la mayor parte de las actividades de mecanizado en las industrias aeroespacial y automo Por Jesús David Chaux, con información de ISCAR L triz, ya que presentan una elevada relación resistenciapeso y pueden sustituir al acero y a la fundición en la fabricación de piezas. Un ejemplo claro son los bloques del motor de los vehículos, cuya transición ha ido desde los hierros y los aceros, pasando por el CGI (hierro de grafito compactado), hasta la actualidad, donde todos los bloques del motor se fabrican en aluminio. La sustitución de la fundición convencional por aleaciones de aluminio puede reducir el peso del bloque de motor hasta en un 40-55% y alcanzar resistencias mecánicas equivalentes. En los últimos 20 años se han desarrollado cientos de nuevas aleaciones para responder mejor a la demanda de los fabricantes de vehículos. Mayor resistencia, mejor conformabilidad y absorción de energía son algunas áreas en las que la industria se ha centrado. 

ALUMINIO Y SUS ALEACIONES

El aluminio es el material líder en los vehículos eléctricos, sus aleaciones no sólo ayudan a los fabricantes de automóviles a reducir el peso, además brinda proporciona protección a las baterías, conductividad térmica y una producción sostenible mediante el reciclaje. “La combinación de chapas, extrusiones y piezas de fundición de aluminio aporta soluciones perfectas para los vehículos eléctricos. Tanto para proteger las baterías como para reducir el peso del vehículo y aumentar su rendimiento o autonomía”, explica Dieter Höll, presidente del Consejo de Automoción y Transporte de European Aluminium. Mediante el uso de diferentes aleaciones, el aluminio puede utilizarse en los vehículos de diversas maneras, cumpliendo varios requisitos con un solo material, no sólo en la chapa de la carrocería y los componentes estructurales, sino también para la protección de la batería. Las temperaturas de las baterías deben mantenerse en el rango óptimo para proporcionar una mayor autonomía y vida útil. La alta conductividad térmica del aluminio lo hace adecuado para su uso como estructura de refrigeración y, por tanto, ideal para su integración en una carcasa de batería. Por último, el aluminio puede reciclarse repetidamente sin degradar el material. Además, la producción de aluminio secundario requiere un 95% menos de energía que la producción de aluminio primario. Por lo tanto, el aluminio reciclado es eficiente en cuanto a recursos y está alineado con los objetivos de sostenibilidad de la e-movilidad. 

MECANIZADO DE AUTOPARTES 

Varios conocimientos y soluciones desarrollados para el mecanizado de las autopartes tradicionales pueden transferirse y aplicarse en la e-movilidad, principalmente en las áreas de fresado, taladrado y roscado. Sin embargo, el mecanizado de autopartes de vehículos eléctricos e híbridos supone retos adicionales, por lo que la elección correcta de las herramientas de corte, las condiciones de corte y la lubricación, así como los sistemas de refrigeración, son esenciales para el éxito de la operación. Una de las tendencias más notables de la cadena cinemática de los vehículos eléctricos es su simplicidad. Hay menos piezas móviles, por lo que el tiempo de fabricación y los costos se reducen drásticamente. Sin embargo, LAS AUTOPARTES SEGUIRÁN REQUIRIENDO MÚLTIPLES PROCESOS DE MECANIZADO. A CONTINUACIÓN SE DETALLAN AQUELLOS QUE SE DEBEN LLEVAR A CABO EN LA CARCASA DEL MOTOR Y LAS CARCASA DE LA BATERÍA DE UN VEHÍCULO ELÉCTRICO.

Carcasa del motor – escariado, fresado y mandrinado: Se necesita un enfoque especial para conseguir las características clave de esta pieza: ligereza, durabilidad, ductilidad, acabado superficial y precisión, incluidas las tolerancias geométricas. La forma parcialmente hueca representa un reto adicional y el mantenimiento de bajas fuerzas de corte es esencial para los requisitos de rugosidad y cilindricidad. La operación más difícil en el mecanizado de la carcasa del motor es el escariado y mandrinado del diámetro principal. Debido a la tendencia a utilizar máquinas de baja potencia, el gran diámetro de la herramienta y el largo voladizo requieren minimizar el peso y la carga del husillo, manteniendo la rigidez. Por tal motivo, fabricantes de herramientas como ISCAR utilizan materiales como el titanio y la fibra de carbono para el cuerpo de la herramienta, así como un diseño con estructura soldada. 

A diferencia del MCI, el motor eléctrico genera su par máximo a partir de un arranque en parado. Esto significa que no necesita un complejo sistema de transmisión para funcionar. Un simple engranaje reductor es suficiente. Se sitúa entre la carcasa del motor y la tapa del engranaje. Para mantener la concentricidad entre los asientos del rodamiento del motor y la tapa del engranaje, la operación de escariado debe realizarse en la misma secuencia de mecanizado. Para esta operación, ISCAR proporciona una herramienta especial de tipo escariado "push and pull" con insertos de PCD ajustables que consiguen mantener las tolerancias geométricas requeridas en diferentes diámetros interiores en esta pieza. Por último, la zona de ensamble de la carcasa del motor requiere un proceso de fresado frontal. Algunas herramientas especializadas para esta aplicación son la CoroMill de Sandvik Coromant y la línea de fresado PCD de ISCAR.

Carcasa de la batería – Fresado, taladrado y escariado: Los requisitos de tamaño, conductividad térmica y peso ligero hacen que el aluminio sea una opción natural para la fabricación de esta pieza. La carcasa de la batería requiere de herramientas especialmente diseñadas para realizar fresados de acabados y desbaste con una excelente respuesta a las vibraciones, además de herramientas para agujeros con un sistema de eliminación de virutas apropiado y herramientas de escariado que aseguren las tolerancias requeridas de cilindricidad. Algunas herramientas recomendadas son la línea de fresado M5 de Sandvik Coromant y las líneas SUMOCHAM para el taladrado y BAYOT-REAM para el escariado de ISCAR. ROTOR - TORNEADO DE SEMIACABADO Y ACABADO FINAL El rotor consta de muchas placas apiladas de acero eléctrico. Se utilizan hojas de laminación en lugar de un cuerpo sólido para reducir pérdidas de corriente. La superficie debe estar completamente limpia de virutas, no se puede utilizar aceite, agua, polvo o suciedad ni líquido refrigerante, solo aire. Esto es un desafío ya que se genera mucho calor en la zona de corte y las virutas fragmentadas se pegan a la superficie. Con herramientas de tipo Chamturn, se pueden generar acabados de rugosidad superficial Ra de 1.9 μm según el fabricante Iscar. 

CÓMO AUMENTAR LA PRODUCTIVIDAD EN EL MECANIZADO DE ALEACIONES DE ALUMINIO 

Las fuerzas de corte son relativamente bajas, al igual que las temperaturas y la energía consumida, lo que proporciona una alta productividad. Sin embargo, su ductilidad y su tendencia a adherirse a la superficie de las herramientas de corte son responsables del aumento de las fuerzas de mecanizado, de un mal acabado superficial y de un difícil control de la viruta. Para hacer frente a estos y otros retos, existen algunas soluciones. Predicción y control del chatter: Una de las principales limitaciones en la productividad de las operaciones de fresado son las vibraciones autoinducidas, especialmente las vibraciones de chatter regenerativo. Hay dos parámetros clave que están relacionados con estas vibraciones: la profundidad de corte alcanzable sin vibraciones y la frecuencia. Ambos están vinculados a la dinámica de excitación de los componentes de la máquina y a los parámetros de la operación de fresado. Identificar los parámetros en cualquier dirección de corte en las operaciones de fresado requiere complejos modelos analíticos y simulaciones mecatrónicas, que habitualmente sólo se aplican para identificar las peores condiciones de corte en máquinas en funcionamiento. Recientes investigaciones han avanzado en el desarrollo de métodos para predecir y controlar el chatter.

Se han probado modelos de aprendizaje de Machine Learning que han logrado detectar a tiempo el chatter a partir de modelos analíticos de las fuerzas de corte e históricos de los parámetros de mecanizado y su respuesta en relación con la frecuencia de chatter. Además de los modelos que utilizan inteligencia artificial con el monitoreo y la recolección de datos en tiempo real de las fuerzas de corte, es posible predecir las condiciones de vibración en el mecanizado. Esto da cabida a la implementación de tecnologías como el Digital Twin, que a partir de sistemas de monitoreo, modelos de simulación y automatización, logran controlar el chatter en tiempo real.

Simulación con FEM: El uso del método de elementos finitos (FEM por sus siglas en inglés) ayuda a resolver desafíos en el mecanizado de aleaciones de aluminio, como el escariado del diámetro principal de la carcasa del motor, ya que permite tener en cuenta varios parámetros, como las fuerzas de corte, el campo de desplazamiento durante el mecanizado, la frecuencia natural y la deformación máxima. Programas de simulación de gran afinidad y utilidad para este tipo de aplicaciones son los desarrollados por Dassault-Systemes (Abaqus), Autodesk (Autodesk simulation), y Siemens (HEEDS). Sujeción efectiva: Los portaherramientas se han diseñado para montar las herramientas de corte de forma fiable. También facilitan la transmisión del par de torsión desde el husillo de la máquina a la herramienta giratoria. De hecho, los principios de sujeción de herramientas bien establecidos, la necesidad de una amplia intercambiabilidad y unificación, y los diseños normalizados de las adaptaciones de las máquinas herramienta han dado lugar a normas bien definidas, que especifican los parámetros detallados del portaherramientas.

Pero esto no significa que se haya acabado la innovación y el desarrollo. Recientemente ISCAR desarrolló un sistema de sujeción de cambio rápido específicamente para el torneado de ruedas de aluminio. Consta de un cabezal de corte y un soporte. El cabezal se monta en el soporte mediante una conexión de cola de milano. El mecanismo de cola de milano garantiza el contacto total entre el soporte y el cabezal con fuerzas de sujeción muy elevadas y puede resistir las duras condiciones de corte al girar las ruedas. Asimismo, la industria 4.0 ha tenido un gran impacto en el portaherramientas. La fabricación inteligente del futuro exige que los portaherramientas inteligentes intercambien datos. Esto conducirá a la creación de nuevas capacidades de información de los portaherramientas mediante la adición de unidades electrónicas. Incluso hoy en día, los chips incorporados proporcionan varios datos sobre un portaherramientas que se comunica con máquinas herramienta, robots industriales, y dispositivos de almacenamiento. Fresado trocoidal: Para aplicaciones que requieren geometrías difíciles de conseguir con el fresado de avance lineal es conveniente utilizar trayectorias trocoidales. Esto mejora el rendimiento cuando se corta en condiciones inestables: piezas no rígidas, zonas de paredes finas o dispositivos de sujeción deficientes; el fresado trocoidal es muy eficaz en el mecanizado de ranuras profundas, cavidades y bolsillos. Así se minimiza el tiempo de no corte y se optimizan los movimientos de las unidades de la máquina, lo que se traduce en mayor productividad.

En conclusión, la electromovilidad será uno de los principales motores del crecimiento del contenido de aluminio en todas las formas de producto. Las cajas de las baterías, las carcasas de los motores eléctricos, pero también los cierres de la carrocería y las estructuras de esta se destacan como aplicaciones clave para una mayor penetración del aluminio en el futuro. Los procesos de mecanizado seguirán siendo una importante aplicación dentro de la fabricación de autopartes. Por tal motivo, es un imperativo que los procesos de mecanizado evolucionen para suplir las exigencias de productividad y precisión en el mecanizado de aleaciones de aluminio en los vehículos del futuro.

USAR FRESADO TROCOIDAL MEJORA EL RENDIMIENTO CUANDO SE CORTA EN CONDICIONES INESTABLES Y ES MUY EFICAZ EN EL MECANIZADO DE RANURAS PROFUNDAS.