Campos electromagnéticos en automoción
2007/10/01 Kortabitarte Egiguren, Irati - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
En la Comunidad Autónoma del País Vasco existen más de 800 empresas relacionadas con la industria del conformado de metales. Es un sector que crece día a día. En la actualidad, este sector también se centra en el desarrollo sostenible, los componentes y estructuras ligeras, la reducción del consumo de combustible y las emisiones a la atmósfera de gases. En este sentido, en el sector de automoción se está trabajando en el desarrollo de materiales y procesos que reduzcan el peso de los automóviles, manteniendo siempre la seguridad de los mismos y maximizando el confort. Esto se debe a que cuanto más ligeros sean los automóviles, menos consumirán combustibles y, por tanto, emitirán a la atmósfera menos CO 2. Se ha calculado que una reducción del 10% en la masa del automóvil supone una reducción del 7% en el consumo de combustible.
El Departamento de Automoción del Centro de Investigación Labein-Tecnalia trabaja en ello. Se están desarrollando nuevos materiales para reducir el peso de los automóviles. En particular, se están estudiando nuevos procesos de elaboración de estos materiales.
Entre otras cosas, han comprobado que la masa de los automóviles se aligeraría entre un 15 y un 25% utilizando aceros avanzados de alta resistencia --Ultra High Strength Steels (UHSS)- y optimizando los procesos de fabricación.
El problema es que los aceros UHSS son muy resistentes y difíciles de deformar. Al igual que el acero, el aluminio y el magnesio presentan otros inconvenientes con las técnicas de conformado convencionales. Por ejemplo, si el magnesio no se calienta a unos 200ºC, no se pueden obtener deformaciones aceptables.
Para hacer frente a todos estos problemas se propone, sobre todo, la técnica de deformación electromagnética de los metales, por las posibilidades que añade a las técnicas de deformación convencionales.
A altas velocidades
En la técnica de deformación electromagnética de metales se utiliza la fuerza del campo electromagnético para dar forma a la pieza. La pieza debe ser conductora. Es un tipo de conformado que se produce a altas velocidades. El material se conforma a muy alta velocidad y, en general, se consigue alargar más de lo normal los metales. Por ejemplo, si el aluminio se alarga en un 20%, normalmente se puede conseguir un aumento del 40% mediante la aplicación de ciertos campos electromagnéticos.
Los componentes básicos de este proceso son el banco de condensadores, la bobina electromagnética y la chapa metálica.
La energía extraída de la red eléctrica general es captada por un sistema paralelo de condensadores, dirigiendo la energía descargada a la bobina mediante un circuito conductor. Esta última genera un campo electromagnético. Las bobinas son generalmente de cobre y pueden tener once geometrías construidas con materiales conductores, dependiendo del tipo de deformación. Es decir, dependiendo del conformado que se quiera conseguir, la forma de la bobina es diferente.
Los condensadores se cargan con energía captada de la red y liberan una energía acumulada en microsegundos. Para ello se integran en el sistema interruptores de acción rápida, siendo los ignitrois de vapor de mercurio los más conocidos o utilizados.
En definitiva, cuando la bobina se coloca cerca de un conductor metálico y recibe energía del banco de condensadores, se crea un campo electromagnético entre la pieza metálica y la bobina. Este campo electromagnético genera una corriente eléctrica en la pieza metálica que genera un campo electromagnético en sentido contrario al anterior. La interacción entre ambas zonas genera una fuerza o impulso. Y todo un impulso. La pieza se deforma a toda velocidad de 50 a 200 m/s.
En la prensa hidráulica, una de las técnicas habituales de deformación de metales, la pieza alcanza normalmente una velocidad de deformación de 1-5 m/s. ¡De ahí sacamos las cuentas! El empuje inicial proyecta la pieza a gran velocidad y la inercia que adopta consigue que el material se deforme más que con los métodos convencionales.
Al trabajar a velocidades increíbles utilizan una cámara fotográfica de alta velocidad para recoger lo que ocurre en este proceso. Si no, la visión humana no es capaz de ver lo que ocurre a esas velocidades.
Este proceso permite la deformación de piezas para once usos. Los usos se pueden clasificar en función del formato del material. De hecho, las aplicaciones de las chapas y los tubos son muy diferentes.
La única aplicación industrial que se ha dado a conocer en automoción es el enlace de tubos metálicos. Los ejes y elementos asociados son las piezas idóneas para llevar a cabo esta aplicación. Esta tecnología ofrece una gran ventaja para el desarrollo de uniones de materiales que evitan problemas derivados de la soldadura. La aplicación de Txap sigue siendo una aplicación en investigación.
En cuanto a las desventajas, los investigadores tienen el mayor problema con la bobina generadora de campos electromagnéticos. Y es que toda esta fuerza que se da a la pieza la recibe la propia bobina. El golpe que provoca esta fuerza violenta hace que la bobina se rompa y las chispas hagan que la bobina se explote. Los investigadores de Labein-Tecnalia intentan producir bobinas capaces de superar este problema. Con el campo electromagnético se realizan multitud de estudios y simulaciones para predecir la respuesta de la bobina y desarrollar experimentalmente nuevas aplicaciones.
Por otro lado, se ha comprobado que el proceso funciona mejor para conformar metales como el aluminio o el cobre que son buenos conductores de la electricidad. No obstante, también se puede adaptar a conductores más escasos como el acero. A mayor capacidad de transporte eléctrico del material, mejor. El aluminio es mejor conductor de electricidad que el acero, por lo que se puede deformar con menos energía. En cuanto a la deformación del acero, se requiere mucha energía, por lo que el riesgo de rotura de la bobina es mayor.
A pesar de que el centro de investigación Labein-Tecnalia está desarrollando trabajos de investigación dirigidos a la automoción, esta tecnología ofrece una aplicabilidad destacada en otros campos como la aeronáutica, la ingeniería aeroespacial y la fabricación de envases metálicos.
Otras técnicas
Además de la deformación electromagnética, el Departamento de Automoción de Labein-Tecnalia trabaja con otras dos líneas de investigación principales. Por un lado, utilizan calor para la deformación de metales (tubo y chapa) y, por otro, la forja giratoria (Rotary Forging).
Por ejemplo, los aceros UHSS los calientan hasta aproximadamente 1000 ºC y luego los meten en la prensa. A estas temperaturas, el material es mucho más blando y se deforma mucho más. No obstante, para ello se necesita un horno --calentar, alegia--, para posteriormente manipular la pieza a estas temperaturas se necesita otro dispositivo.
Por otra parte, con la forja giratoria se obtienen, sobre todo, deformaciones espectaculares. Se pueden obtener diferentes tipos de piezas a partir de una lámina de metal normal. En definitiva, se coge la pieza de metal y se conforma, al igual que se utiliza el torno para fabricar objetos cilíndricos en la cerámica. En el caso de los metales, la pieza se empuja de alguna manera con dos herramientas hasta conseguir la longitud o deformación requerida en cada caso. En algunos casos la pieza gira, en otros las herramientas... Se puede hacer tanto en frío como en caliente.
Con esta técnica se consigue un excelente acabado superficial de la pieza. Esto se debe a que existe una gran fricción entre la pieza y la herramienta. Asimismo, esta tecnología permite alargar considerablemente los materiales. Sin embargo, su principal desventaja es el tiempo. Es una técnica que tarda bastante en tomarse con paciencia. Todo ello se refleja en el proceso productivo de las piezas. De hecho, si en la prensa hidráulica se producen 10 piezas por minuto, es posible que con la forja giratoria se obtenga una sola pieza por minuto.
Estas cuentas de tiempo sobrepasan la técnica de deformación electromagnética antes mencionada. Las empresas de este sector buscan constantemente la optimización de los procesos, lo que implica mejorar la calidad del producto final, aumentar la productividad y reducir las cantidades de productos rotos. Por tanto, una de las alternativas de futuro podría ser la deformación electromagnética.
En la antigua Unión Soviética se dieron a conocer los primeros estudios de la deformación electromagnética de los metales en los años 50. Se puede afirmar que en la actualidad se han retomado las investigaciones, ya que existen razones importantes para ello, como son los objetivos ambientales y de seguridad de los pasajeros de la automoción.
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