TL;DR

El mortero estructural, especialment mitjançant un procés conegut com a mortero gegant, està transformant la fabricació automotriu en permetre que grans seccions complexes de la carroceria en blanc (BIW) d'un vehicle es fabriquin com una única peça. Aquesta innovació redueix dràsticament el nombre de components, cosa que simplifica les línies de muntatge, disminueix els costos de producció i millora la rigidesa estructural del vehicle. En consolidar nombrosos components més petits, els fabricants poden construir vehicles més lleugers, més resistents i més sostenibles, i a més velocitat que mai abans.

El canvi de paradigma en la fabricació automotriu: de muntatges estampats a morteros gegants

Durant dècades, la base d’un vehicle, la seva estructura blanca (Body-in-White o BIW), era un trencaclosques intrincat compost de centenars de peces metàl·liques estampades individuals. La BIW és l’estructura central d’un cotxe abans d’afegir-hi components mòbils com les portes, el motor o els acabats. Aquest mètode tradicional comporta cadenes d’aprovisionament complexes, línies d’assemblatge robòtiques extenses i inversions significatives en eines per a cada component petit. Tanmateix, el sector està experimentant un canvi fonamental, allunyant-se d’aquest enfocament fragmentat cap a un mètode més consolidat i molt més eficient: la col·locació estructural per injecció, sovint anomenada col·locació mega o giga.

Aquest procés transformador substitueix una multitud de peces estampades per una única peça d'alumini gran i complexa. L'avantatge estratègic d'aquest enfocament és profund. Els fabricants d'automòbils poden eliminar etapes senceres de logística, soldadura i muntatge, cosa que comporta una petjada de fabricació més esmorteïda. Un exemple destacat d'aquesta evolució és la transició estratègica de Volvo Cars cap al mega-matrici per als seus dissenys futurs de vehicles. Tal com es detalla en un estudi de cas realitzat per ESI Group , Volvo va aconseguir substituir un marc posterior del cos format per aproximadament 100 peces individuals per un únic component mega-matriciat. Per assolir-ho, l'empresa va instal·lar enormes màquines de matrici de 8400 tones, anomenades sovint Giga Presses, directament dins les seves instal·lacions de muntatge per optimitzar la producció.

Aquesta no és una tendència aïllada. Altres fabricants d'automòbils destacats han adoptat aquesta tecnologia per a components estructurals claus. Per exemple, el marc espacial de l'Audi A8 utilitza un gran membre lateral posterior emmotllat per pressió, una peça de connexió crucial que proporciona resistència i rigidesa. Segons GF Casting Solutions , aquesta única peça substitueix una multitud de components que d'altra manera formarien un muntatge complex, reduint tant el pes del vehicle com el temps de muntatge. El pas a la colada gegant representa un canvi de paradigma clar, impulsat per la recerca d'eficiència, rendiment i sostenibilitat en la producció moderna de vehicles.

Les diferències entre aquestes dues filosofies de fabricació són evidents. Tot i que el premsatge tradicional ofereix flexibilitat per a canvis de disseny menors, la seva complexitat a gran escala crea reptes importants en cost, temps i control de qualitat. La col·locació estructural, per contra, exigeix una inversió inicial més elevada en eines i disseny, però ofereix estalvis exponencials i millores de rendiment en la producció massiva. La taula següent il·lustra les principals diferències.

Tecnologies i processos clau en la fundició estructural moderna

Assolir l'escala i la precisió necessàries per a la colada massiva es basa en un conjunt de tecnologies avançades, des de maquinària colossal fins a ciències dels materials especialitzades. El procés és molt més sofisticat que la colada tradicional, ja que exigeix una pressió immensa, condicions de buit i un control meticulós del procés per crear components grans que compleixin els rigorosos estàndards d’automoció en seguretat i prestacions. Aquestes innovacions són les que permeten als fabricants d’automòbils colar sossols sencers de vehicles en una sola peça.

Al centre d’aquesta tecnologia hi ha màquines de colada per motlles de gran mida i processos de colada específics. Empreses com Bühler han desenvolupat solucions com la sèrie Carat, capaços de generar forces de tancament de 84.000 quilonewtons (kN) o superiors. Aquesta força immensa és necessària per mantenir units els motlles massius mentre s'injecta al·lumini fos a alta pressió, assegurant una precisió dimensional en peces molt grans. A més, el propi procés de colada és altament especialitzat. Tal com s'explica per Magna International , un mètode clau és la col·locació sota buit a alta pressió, que elimina l'aire de la cambra del motlle abans d'injectar el metall. Això evita la porositat i permet que l'aliatge fos es col·loqui en cada detall d'un motlle complex, resultant en una peça final més resistent i fiable.

La ciència dels materials juga un paper igualment fonamental. Els aliatges d'alumini utilitzats no són de graus estàndard; són formulacions avançades dissenyades per assolir una gran resistència, ductilitat i una excel·lent absorció d'energia durant un xoc. Per al membre lateral posterior de l'Audi A8, es va desenvolupar un aliatge específic anomenat Castasil-37 (AlSi9MnMoZr) per complir amb propietats mecàniques exigents. Tanmateix, hi ha compensacions. Per exemple, l'alumini A360 és conegut per la seva resistència excepcional a altes temperatures, però és més difícil de colar. La selecció de l'aliatge adequat és un equilibri cuidados entre els requisits de rendiment, la facilitat de colada i el cost.

Tot i que la col·locació estructural a gran escala és revolucionària per a aplicacions BIW, altres processos de fabricació com la forja de precisió continuen sent essencials per a diferents components automotrius. Per a peces que requereixen la màxima resistència a la fatiga i resistència, com en sistemes de transmissió i suspensió, la forja calenta avançada sovint és el mètode superior. Els especialistes del sector com Shaoyi (Ningbo) Metal Technology proveeixen aquestes peces de forja automotriu certificades segons IATF16949, demostrant com diferents tècniques avançades de fabricació es complementen entre si en la construcció d’un vehicle modern.

La implementació amb èxit de la fundició estructural no és possible sense una base digital. El simple cost de les eines—sovint superior al milió d'euros—fa inviable l'assaig i error físic. Per tant, la simulació predictiva és un pas essencial i ineludible. Programari avançat, com el ProCAST del grup ESI, permet als enginyers modelar virtualment tot el procés, des del preescalfament del motlle i el flux del metall fos fins a la solidificació i possibles deformacions de la peça. Aquest prototipatge virtual redueix els riscos de la inversió, optimitza el disseny per facilitar-ne la fabricació i assegura que el component final funcionarà segons el previst.

Avantatges estratègics de les estructures BIW de fosa

L'adopció ràpida de la col·locació estructural per part de la indústria automobilística ve motivada per un conjunt convincent d'avantatges estratègics que afecten tot, des de la planta de producció fins al rendiment del vehicle a la carretera. Aquests beneficis van molt més enllà de simplement reduir el nombre de peces; creen un efecte en cascada d'eficiència, estalvi de costos i innovació tècnica que proporciona als fabricants automobilístics una avantatge competitiu significativa. En repensar fonamentalment com s'estructura el cos d'un vehicle, els fabricants estan desbloquejant noves possibilitats en disseny i producció.

El benefici més immediat és la simplificació radical del procés de fabricació. En consolidar gairebé 100 peces en un sol component, com en l'exemple de Volvo, els fabricants d'automòbils poden reduir dràsticament la complexitat dels seus tallers de carroceria. Això es tradueix en guanys operatius tangibles. Segons el líder del sector Bühler, aquest enfocament pot eliminar la necessitat de fins a 300 robots en una línia d’muntatge i reduir l’espai necessari a la planta de producció en un 30%. Això no només redueix la despesa de capital, sinó que també disminueix el consum energètic continu i els costos de manteniment, contribuint a un entorn de producció més sostenible.

Des d'una perspectiva de rendiment del vehicle, les fosa estructurals ofereixen característiques superiors. La construcció d'una sola peça elimina les inconsistències i els possibles punts de fallada de centenars de soldadures i unions, resultant en un xassís més rígid i resistent. Aquesta rigidesa estructural millorada augmenta la maniobrabilitat, la seguretat i la durabilitat del vehicle. A més, les foses fabricades amb aliatges avançats d'alumini ofereixen una relació pes-absorció d'energia excepcional, essencial per a les normes actuals de seguretat en col·lisions. La reducció del pes total del vehicle és una altra avantatge clau, especialment per als vehicles elèctrics (EV), on cada quilogram estalviat pot allargar l'autonomia de la bateria i millorar l'eficiència.

Finalment, aquests avantatges tècnics i de producció es tradueixen en guanys econòmics i estratègics significatius. Un resum de les principals avantatges inclou:

• Consolidació de peces: Substituir desenes o fins i tot centenars de peces estampades més petites per una sola peça fosa integrada.
• Simplificació de la producció: Reduir el nombre de passos de muntatge, robots de soldadura i la complexitat logística, cosa que permet una producció de vehicles més ràpida.
• Reducció de costos: Reduir despeses relacionades amb eines, mà d'obra d'assemblatge, gestió de la cadena d'aprovisionament i superfície de fàbrica.
• Millora del rendiment estructural: Assolir una major rigidesa torsional i precisió dimensional per a una millor dinàmica i seguretat del vehicle.
• Estalvi de pes: Utilitzar aliatges d'alumini lleugers per reduir la massa total del vehicle, cosa essencial per millorar l'abast i l'eficiència dels EV.
• Guanys en sostenibilitat: Disminuir el consum d'energia a la secció de carroceria i permetre un reciclatge més fàcil del component de material únic al final de la vida útil del vehicle.

Superació d'inconvenients i el futur del disseny de carroceria blanca

Malgrat el seu potencial transformador, el camí per implementar la fundició estructural no està exempt de reptes significatius. L'escala i la complexitat de produir fundicions gegants introdueixen dificultats d'enginyeria que requereixen un nou nivell de precisió, planificació i inversió. Aquests no són simples millores dels processos existents, sinó una reenginyeria fonamental del disseny i la fabricació de vehicles. Navegar amb èxit per aquestes complexitats és la clau per desbloquejar tots els beneficis d'aquesta tecnologia.

El repte principal resideix en la fase inicial de disseny i validació. Amb eines físiques per a una única biga de gran format que costen més d'1 milió d'euros, pràcticament no hi ha marge d'error. El disseny s'ha de perfeccionar en l'àmbit digital molt abans que es talli cap metall. Això converteix la simulació avançada en una eina indispensable. Els enginyers han de predir i mitigar virtualment possibles problemes com l'escalfament desigual del motlle, el flux turbulent del metall durant l'ompliment o la deformació de la peça després del refredament. Aquesta dependència de la prototipació virtual representa un canvi important, que exigeix nous conjunts de competències i una gran confiança en la precisió del programari de simulació per reduir els riscos d'inversions de capital massives.

Un altre repte important és assegurar una qualitat i propietats mecàniques consistents durant la producció en sèrie. Mantenir toleràncies dimensionals estretes en una peça molt gran i complexa, peça rere peça, és un avenç tècnic important. Ajustar amb precisió els paràmetres del procés —des de la temperatura de l'aliatge fins a la velocitat d'injecció i les velocitats de refredament— és fonamental per evitar defectes i assegurar que cada component compleixi els requisits d'estrència i durabilitat. Això requereix una integració profunda del control de procés, la tecnologia de sensors i l'assegurament de la qualitat en tot el cicle de producció.

El futur del disseny de la carroceria blanca està íntimament lligat a l'evolució d'aquestes eines digitals. El proper repte és crear un fil digital continu que connecti la simulació inicial de la colada amb les simulacions finals del rendiment del vehicle. Això vol dir que les dades sobre les propietats 'tal com s'han fabricat' d'un component emmotllat —incloent-hi qualsevol tensió residual o variacions microscòpiques— es poden introduir directament en models de xoc, fatiga i soroll, vibració i incomoditat (NVH). Aquest flux de treball virtualitzat i holístic permetrà als enginyers optimitzar el disseny del vehicle amb un nivell d'exactitud sense precedents, assegurant que els beneficis teòrics de la megaemmotlladora es materialitzin plenament en vehicles més segurs i eficients a la carretera.

Preguntes freqüents

1. Què és BIW carroceria blanca?

La carroceria blanca (BIW) fa referència a l'etapa de la fabricació automobilística en què el bastidor del vehicle i els components de xapa metàl·lica ja han estat muntats, però abans d'afegir les parts mòbils (portes, capó, tapa del maleter), els acabats, els components del xassís i el grup motopropulsor. Representa l'estructura bàsica del vehicle, formant la base per a tots els altres sistemes.

2. Què és la fundició estructural?

La fundició estructural és un procés de fabricació utilitzat per crear components grans, complexos i portants mitjançant la injecció de metall fos, normalment una aliatge d'alumini, dins d'un motlle a alta pressió. A la indústria automobilística, s'utilitza per produir peces clau de la BIW i del xassís que requereixen una gran resistència, rigidesa i precisió dimensional, sovint substituint conjunts formats per moltes peces més petites.

3. Quin és l'alumini més resistent per a la fundició a pressió?

L'aliatge d'alumini més 'fort' sovint depèn dels requisits específics de l'aplicació, com la resistència a la temperatura, la ductilitat i la resistència a la corrosió. Els aliatges com l'A360 destaquen per la seva excel·lent resistència, especialment a temperatures elevades, i per una bona resistència a la corrosió. Tanmateix, aquests aliatges d'alta resistència també poden ser més difícils de fundir, cosa que representa un compromís entre el rendiment del material i la fabricabilitat que els enginyers han de tenir en compte.