Reforzaments estructurals automotrius mitjançant estampació: La guia d'enginyeria

TL;DR

L'estampació de reforços estructurals automotrius és una disciplina de fabricació d'alt risc que equilibra dues forces oposades: maximitzar la resistència en cas d'accident i minimitzar el pes del vehicle (llevetació). L'estàndard industrial per a components crítics de seguretat com els pilars A i els anells de porta s'ha desplaçat cap a Estampació en calent (durabilització per premsa) d'acers de bor, que assolixen resistències a la tracció superiors als 1.500 MPa sense el problema del retorn elàstic. Tanmateix, Estampació freda continua sent vital per a les carcasses de bateries d'alumini per a vehicles elèctrics i geometries menys complexes on l'eficiència de costos és fonamental. L'èxit en aquest sector requereix dominar materials avançats, gestionar toleràncies ajustades i seleccionar la tonelada adequada de premsa per a la producció massiva.

El repte d'enginyeria: per què els reforços estructurals són únics

En el context de la carroceria blanca (BIW) del vehicle, les reforços estructurals són l'esquelet que protegeix als ocupants durant una col·lisió. A diferència dels panells carroceria purament estètics (la pell), aquests components —inclosos els pilars A, pilars B, llantes, rails de sostre i travessers— han d'absorbir i redirigir una immensa energia cinètica. El desafiament tècnic fonamental rau en la "necessitat de lleugeresa". A mesura que les normatives d'emissions s'estrenyen i els vehicles elèctrics (EV) exigeixen maximitzar l'autonomia, els enginyers no poden simplement afegir acer més gruixut per augmentar la seguretat.

En canvi, la indústria recorre a Aços d'Alta Resistència Avançats (AHSS) aliatges d'acer avançats i d'alumini. Tot i que l'acer suau sol oferir una resistència a la fluència d'uns 200 MPa, els acers moderns premsorevetits utilitzats en reforços poden superar els 1.500 MPa (aprox. 217 ksi). Això permet utilitzar gruixos més fins que redueixen el pes mantenint o millorant la integritat estructural.

Tanmateix, empremtar aquests materials d'alt rendiment introdueix importants dificultats de fabricació. L'enemic principal en l'embutició a fred de materials d'alta resistència és retorn elàstic —la tendència del metall a tornar a la seva forma original un cop s'ha eliminat la força d'formació. Això fa que sigui notòriament difícil assolir toleràncies estretes en geometries complexes, sovint requerint programari sofisticat de simulació i tecnologia de premses servo per compensar-ho.

Comparativa de processos: Embutició a calent (enduriment per premsat) vs. Embutició a fred

L'elecció entre l'embutició a calent i a fred és la decisió central del procés per als reforços estructurals. Cada mètode té mecàniques, costos i implicacions materials diferents.

Estampació en calent (durabilització per premsa)

L'embutició a calent, o enduriment per premsat, és el mètode dominant per a components de cabina crítics per a la seguretat. El procés consisteix a escalfar xapes d'acer borat fins a aproximadament 900°C (1.650°F) fins que arribin a un estat austenític. La xapa incandescent es trasllada llavors ràpidament a una matriu refrigerada per aigua on es forma i es templa simultàniament.

Aquest refredament ràpid transforma la microestructura de l'acer d'austenita a martensita, bloquejant-ne la geometria i eliminant completament el retroces. Segons dades del sector, aquest procés pot elevar la resistència a la tracció de l'acer de bor de 50 ksi inicial a més de 200 ksi (aproximadament 1.380 MPa). Per això el conformant tèrmic produeix peces essencials per a la seguretat com reforços de portes i bigues de paragolsos que són alhora ultraresistents i dimensionalment precises.

Estampació freda

El conformant en fred es realitza a temperatura ambient i depèn de la plasticitat del material. Tot i que és més ràpid i eficient energèticament (no requereix escalfament), té limitacions amb materials d'ultraalta resistència degut a l'enduriment per deformació i al retroces. Tanmateix, els avenços en la tecnologia de premses servo, que permeten un control precís de la velocitat del pistó i de la força d'aturada, han ampliat les capacitats del conformant en fred. Continua sent el mètode preferit per a components d'alumini i peces estructurals amb geometries més senzilles o requisits de resistència més baixos.

Ciència dels materials: AHSS, Acer Bor, i Alumini

El rendiment d'un reforç estampat ve determinat pel seu material. El sector automobilístic ha anat molt més enllà de l'acer suau bàsic.

Acer de bor (22MnB5)

L'acer de bor és l'eix de l'estampació a caldat. L'addició de bor augmenta significativament la capacitat de revenat. En estat inicial, és relativament tou i formable, però després del procés d'enduriment a la premsa esdevé excepcionalment dur. Aquesta doble naturalesa permet crear formes complexes que s'endureixen en estructures de seguretat irrompibles.

Aliatges d'alumini (sèries 5xxx i 6xxx)

Amb el creixement dels EV, l'alumini guanya popularitat per a envoltant de bateries i torres d'absorció d'impactes per compensar els grans pesos dels paquets de bateries. L'estampació metàl·lica té un paper fonamental en la fabricació de EV en formar aquests aliatges lleugers. Tanmateix, l'alumini és propens a esquerdes i trencaments durant l'estirat profund, cosa que requereix lubricants especialitzats i sovint diversos passos d'estirat en comparació amb l'acer.

Acer galvanitzat

Per als components estructurals de la carroceria exposats a sal de carretera i humitat, la resistència a la corrosió no és negociable. L'acer galvanizat, que té un recobrament de zinc, s'utilitza àmpliament per a components de xassís i rails. L'estampatge de material galvanizat requereix un cuidat manteniment de la matriu, ja que el recobrament de zinc pot escampar (galling) i acumular-se a la herramienta, afectant la qualitat de la part.

Tancant la bretxa: del prototipatge a la producció en massa

Seleccionar un soci d'estampatge per a reforços estructurals no és només trobar el preu més baix de la peça; es tracta de trobar un proveïdor amb la versatilitat per manejar tot el cicle de vida del producte. Els programes automotoris solen passar de la prototipatge ràpida a la validació de baix volum i finalment a la producció en massa d'alt volum. Una cadena de subministrament fragmentada on els prototips són fets per una botiga i les parts de producció per una altra pot conduir a "error de traducció" crítics en el disseny de la eina i la realització de la tolerància.

Idealment, un proveïdor OEM o Tier 1 hauria de contractar amb un soci capaç d'escalament sense problemes. Les capacitats essencials inclouen una àmplia gamma de tonelages de premsa (per exemple, de 100 a 600 tones) per acomodar diferents mides de peces i calibres de materials, així com l'experiència en eines internes per gestionar la transició de les eines suaus a les matrices dures progressives.

Per als fabricants que busquen aquest nivell d'integració, Shaoyi Metal Technology exemplifica la competència necessària. Certificat per IATF 16949:2016 normes, que sobreposa la bretxa entre la validació d'enginyeria i la fabricació en volum. Les seves capacitats van des de lliurar 50 peces de prototips en tan sols cinc dies fins a produir milions de components crítics com els braços de control i els subframes anualment. Apropant preses de fins a 600 tones i oferint processos secundaris completes com la soldadura i el recobriment electrònic, proporcionen una solució racionalitzada per a necessitats estructurals complexes de l'automòbil.

Aplicacions crítiques: Components estructurals clau

Les diferents zones del vehicle requereixen diferents estratègies d'estampatge basades en les vies de càrrega i escenaris d'accidents.

• La gàbia de seguretat (pilars i anells de la porta): El pilar A i el pilar B són els principals suports verticals que eviten l'aplaçament del sostre durant un tirant. La fabricació moderna sovint utilitza "blancs soldats amb làser"unint fulles de diferents gruixos abans de l'estampatgeper crear un sol pilar B que és gruix en la part superior (per a la força) i més prim en la part inferior (per gestionar els modes de deformació).
• Clausers de bateries d'EV: El tauler de bateries és l'element estructural més crític en un vehicle elèctric. Ha de protegir els mòduls de bateria de les restes de la carretera i la intrusió d'impactes laterals. Aquests són típicament grans, components de tirada poc profunda sovint estampats d'alumini d'alta resistència per mantenir el pes baix. La precisió és vital aquí; la superfície d'encisament ha de ser perfectament plana per evitar que l'aigua entri.
• Components de reducció de NVH: No totes les parts estructurals són per a la seguretat en col·lisions. Els suportes i membres transversals sovint serveixen per endurecer el xassís per reduir el soroll, la vibració i la duresa (NVH). Els processos d'estampatge de precisió produeixen suportes de reducció NVH que amorteixen el soroll de la carretera, contribuint a la sensació de primera classe de la cabina del vehicle.

Conclusió: El futur de la multimaterialitat

El futur de l'estampació de reforços estructurals d'automòbils està en "el material correcte en el lloc correcte". Ens estem allunyant dels cossos d'acer monolítics cap a híbrids de múltiples materials on els pilars d'acer de boro estampats a calent estan units a torres d'alumini i barrancs de sostre de composite. Per als enginyers i equips de compres, això significa que la definició d'un soci de estampatge capaç està evolucionant. Ja no és suficient simplement estampar l'acer; la capacitat de simular, formar i unir diversos materials d'alt rendiment és el nou punt de referència per a l'excel·lència de fabricació estructural.

Preguntes freqüents

1.- El seu nom. Quins són els principals avantatges de l'estampa calenta sobre l'estampa en fred?

L'estampa a calor (endureixement per premsa) pràcticament elimina el repunt, que és un problema important en l'estampa a fred d'acer d'alta resistència. Permet la creació de formes geomètriques complexes amb resistències a la tracció superiors a 1.500 MPa, el que el fa ideal per a peces crítiques per a la seguretat com els pilars B i els anells de la porta on es requereixen precisió dimensional i màxima resistència.

2. Com afecta l'ascens dels vehicles elèctrics a l'estampatge automòbil?

Els vehicles elèctrics requereixen un important lleugerament per compensar els pesats paquets de bateries, el que condueix a un canvi cap a l'estampatge d'alumini per a parts estructurals com les carcases de les bateries i els subframes. A més, les arquitectures de VE requereixen nous tipus de reforços per protegir el paquet de bateries durant els impactes laterals, el que porta a components estampats més grans i més integrats.

3. Quin és el paper de la certificació IATF 16949 en l'estampatge?

IATF 16949 és l'estàndard tècnic mundial per als sistemes de gestió de qualitat en la indústria automotriz. Per a un proveïdor d'estampatge, aquesta certificació demostra que tenen processos rigorosos per a la prevenció de defectes, la reducció de la variació de la cadena de subministrament i la millora contínua, que és obligatòria per subministrar parts estructurals crítiques per a la seguretat als fabricants d'OEM.