Campos electromagnètics en automoció
2007/10/01 Kortabitarte Egiguren, Irati - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
En la Comunitat Autònoma del País Basc existeixen més de 800 empreses relacionades amb la indústria del conformat de metalls. És un sector que creix dia a dia. En l'actualitat, aquest sector també se centra en el desenvolupament sostenible, els components i estructures lleugeres, la reducció del consum de combustible i les emissions a l'atmosfera de gasos. En aquest sentit, en el sector d'automoció s'està treballant en el desenvolupament de materials i processos que redueixin el pes dels automòbils, mantenint sempre la seguretat dels mateixos i maximitzant el confort. Això es deu al fet que com més lleugers siguin els automòbils, menys consumiran combustibles i, per tant, emetran a l'atmosfera menys CO 2. S'ha calculat que una reducció del 10% en la massa de l'automòbil suposa una reducció del 7% en el consum de combustible.
El Departament d'Automoció del Centre de Recerca Labein-Tecnalia treballa en això. S'estan desenvolupant nous materials per a reduir el pes dels automòbils. En particular, s'estan estudiant nous processos d'elaboració d'aquests materials.
Entre altres coses, han comprovat que la massa dels automòbils s'alleugeriria entre un 15 i un 25% utilitzant acers avançats d'alta resistència --Ultra High Strength Steels (UHSS)- i optimitzant els processos de fabricació.
El problema és que els acers UHSS són molt resistents i difícils de deformar. Igual que l'acer, l'alumini i el magnesi presenten altres inconvenients amb les tècniques de conformat convencionals. Per exemple, si el magnesi no s'escalfa a uns 200 °C, no es poden obtenir deformacions acceptables.
Per a fer front a tots aquests problemes es proposa, sobretot, la tècnica de deformació electromagnètica dels metalls, per les possibilitats que afegeix a les tècniques de deformació convencionals.
A altes velocitats
En la tècnica de deformació electromagnètica de metalls s'utilitza la força del camp electromagnètic per a donar forma a la peça. La peça ha de ser conductora. És un tipus de conformat que es produeix a altes velocitats. El material es conforma a molt alta velocitat i, en general, s'aconsegueix allargar més del normal els metalls. Per exemple, si l'alumini s'allarga en un 20%, normalment es pot aconseguir un augment del 40% mitjançant l'aplicació de certs camps electromagnètics.
Els components bàsics d'aquest procés són el banc de condensadors, la bobina electromagnètica i la xapa metàl·lica.
L'energia extreta de la xarxa elèctrica general és captada per un sistema paral·lel de condensadors, dirigint l'energia descarregada a la bobina mitjançant un circuit conductor. Aquesta última genera un camp electromagnètic. Les bobines són generalment de coure i poden tenir onze geometries construïdes amb materials conductors, depenent de la mena de deformació. És a dir, depenent del conformat que es vulgui aconseguir, la forma de la bobina és diferent.
Els condensadors es carreguen amb energia captada de la xarxa i alliberen una energia acumulada en microsegons. Per a això s'integren en el sistema interruptors d'acció ràpida, sent els ignitrois de vapor de mercuri els més coneguts o utilitzats.
En definitiva, quan la bobina es col·loca prop d'un conductor metàl·lic i rep energia del banc de condensadors, es crea un camp electromagnètic entre la peça metàl·lica i la bobina. Aquest camp electromagnètic genera un corrent elèctric en la peça metàl·lica que genera un camp electromagnètic en sentit contrari a l'anterior. La interacció entre totes dues zones genera una força o impuls. I tot un impuls. La peça es deforma a tota velocitat de 50 a 200 m/s.
En la premsa hidràulica, una de les tècniques habituals de deformació de metalls, la peça aconsegueix normalment una velocitat de deformació de 1-5 m/s. D'aquí traiem els comptes! L'embranzida inicial projecta la peça a gran velocitat i la inèrcia que adopta aconsegueix que el material es deformi més que amb els mètodes convencionals.
En treballar a velocitats increïbles utilitzen una càmera fotogràfica d'alta velocitat per a recollir el que ocorre en aquest procés. Si no, la visió humana no és capaç de veure el que ocorre a aquestes velocitats.
Aquest procés permet la deformació de peces per a onze usos. Els usos es poden classificar en funció del format del material. De fet, les aplicacions de les xapes i els tubs són molt diferents.
L'única aplicació industrial que s'ha donat a conèixer en automoció és l'enllaç de tubs metàl·lics. Els eixos i elements associats són les peces idònies per a dur a terme aquesta aplicació. Aquesta tecnologia ofereix un gran avantatge per al desenvolupament d'unions de materials que eviten problemes derivats de la soldadura. L'aplicació de Txap continua sent una aplicació en recerca.
Quant als desavantatges, els investigadors tenen el major problema amb la bobina generadora de camps electromagnètics. I és que tota aquesta força que es dóna a la peça la rep la pròpia bobina. El cop que provoca aquesta força violenta fa que la bobina es trenqui i les espurnes facin que la bobina s'exploti. Els investigadors de Labein-Tecnalia intenten produir bobines capaces de superar aquest problema. Amb el camp electromagnètic es realitzen multitud d'estudis i simulacions per a predir la resposta de la bobina i desenvolupar experimentalment noves aplicacions.
D'altra banda, s'ha comprovat que el procés funciona millor per a conformar metalls com l'alumini o el coure que són bons conductors de l'electricitat. No obstant això, també es pot adaptar a conductors més escassos com l'acer. A major capacitat de transport elèctric del material, millor. L'alumini és més ben conductor d'electricitat que l'acer, per la qual cosa es pot deformar amb menys energia. Quant a la deformació de l'acer, es requereix molta energia, per la qual cosa el risc de trencament de la bobina és major.
A pesar que el centre de recerca Labein-Tecnalia està desenvolupant treballs de recerca dirigits a l'automoció, aquesta tecnologia ofereix una aplicabilitat destacada en altres camps com l'aeronàutica, l'enginyeria aeroespacial i la fabricació d'envasos metàl·lics.
Altres tècniques
A més de la deformació electromagnètica, el Departament d'Automoció de Labein-Tecnalia treballa amb altres dues línies de recerca principals. D'una banda, utilitzen calor per a la deformació de metalls (tub i xapa) i, per un altre, la forja giratòria (Rotary Forging).
Per exemple, els acers UHSS els escalfen fins aproximadament 1000 °C i després els fiquen en la premsa. A aquestes temperatures, el material és molt més tou i es deforma molt més. No obstant això, per a això es necessita un forn --escalfar, alegia--, per a posteriorment manipular la peça a aquestes temperatures es necessita un altre dispositiu.
D'altra banda, amb la forja giratòria s'obtenen, sobretot, deformacions espectaculars. Es poden obtenir diferents tipus de peces a partir d'una làmina de metall normal. En definitiva, s'agafa la peça de metall i es conforma, igual que s'utilitza el torn per a fabricar objectes cilíndrics en la ceràmica. En el cas dels metalls, la peça s'empeny d'alguna manera amb dues eines fins a aconseguir la longitud o deformació requerida en cada cas. En alguns casos la peça gira, en uns altres les eines... Es pot fer tant en fred com en calent.
Amb aquesta tècnica s'aconsegueix un excel·lent acabat superficial de la peça. Això es deu al fet que existeix una gran fricció entre la peça i l'eina. Així mateix, aquesta tecnologia permet allargar considerablement els materials. No obstant això, el seu principal desavantatge és el temps. És una tècnica que triga bastant a prendre's amb paciència. Tot això es reflecteix en el procés productiu de les peces. De fet, si en la premsa hidràulica es produeixen 10 peces per minut, és possible que amb la forja giratòria s'obtingui una sola peça per minut.
Aquests comptes de temps sobrepassen la tècnica de deformació electromagnètica abans esmentada. Les empreses d'aquest sector busquen constantment l'optimització dels processos, la qual cosa implica millorar la qualitat del producte final, augmentar la productivitat i reduir les quantitats de productes trencats. Per tant, una de les alternatives de futur podria ser la deformació electromagnètica.
En l'antiga Unió Soviètica es van donar a conèixer els primers estudis de la deformació electromagnètica dels metalls en els anys 50. Es pot afirmar que en l'actualitat s'han reprès les recerques, ja que existeixen raons importants per a això, com són els objectius ambientals i de seguretat dels passatgers de l'automoció.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
