Campos electromagnéticos en automoción
2007/10/01 Kortabitarte Egiguren, Irati - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
Na Comunidade Autónoma do País Vasco existen máis de 800 empresas relacionadas coa industria do conformado de metais. É un sector que crece día a día. Na actualidade, este sector tamén se centra no desenvolvemento sustentable, os compoñentes e estruturas lixeiras, a redución do consumo de combustible e as emisións á atmosfera de gases. Neste sentido, no sector de automoción está a traballarse no desenvolvemento de materiais e procesos que reduzan o peso dos automóbiles, mantendo sempre a seguridade dos mesmos e maximizando o confort. Isto débese a que canto máis lixeiros sexan os automóbiles, menos consumirán combustibles e, por tanto, emitirán á atmosfera menos CO 2. Calculouse que una redución do 10% na masa do automóbil supón una redución do 7% no consumo de combustible.
O Departamento de Automoción do Centro de Investigación Labein-Tecnalia traballa niso. Están a desenvolverse novos materiais paira reducir o peso dos automóbiles. En particular, están a estudarse novos procesos de elaboración destes materiais.
Entre outras cousas, comprobaron que a masa dos automóbiles alixeiraríase entre un 15 e un 25% utilizando aceiros avanzados de alta resistencia --Ultra High Strength Steels (UHSS)- e optimizando os procesos de fabricación.
O problema é que os aceiros UHSS son moi resistentes e difíciles de deformar. Do mesmo xeito que o aceiro, o aluminio e o magnesio presentan outros inconvenientes coas técnicas de conformado convencionais. Por exemplo, se o magnesio non se quenta a uns 200ºC, non se poden obter deformacións aceptables.
Paira facer fronte a todos estes problemas proponse, sobre todo, a técnica de deformación electromagnética dos metais, polas posibilidades que engade ás técnicas de deformación convencionais.
A altas velocidades
Na técnica de deformación electromagnética de metais utilízase a forza do campo electromagnético paira dar forma á peza. A peza debe ser condutora. É un tipo de conformado que se produce a altas velocidades. O material confórmase a moi alta velocidade e, en xeral, conséguese alargar máis do normal os metais. Por exemplo, se o aluminio alárgase nun 20%, normalmente pódese conseguir un aumento do 40% mediante a aplicación de certos campos electromagnéticos.
Os compoñentes básicos deste proceso son o banco de condensadores, a bobina electromagnética e a chapa metálica.
A enerxía extraída da rede eléctrica xeral é captada por un sistema paralelo de condensadores, dirixindo a enerxía descargada á bobina mediante un circuíto condutor. Esta última xera un campo electromagnético. As bobinas son xeralmente de cobre e poden ter once xeometrías construídas con materiais condutores, dependendo do tipo de deformación. É dicir, dependendo do conformado que se queira conseguir, a forma da bobina é diferente.
Os condensadores cárganse con enerxía captada da rede e liberan una enerxía acumulada en microsegundos. Paira iso intégranse no sistema interruptores de acción rápida, sendo os ignitrois de vapor de mercurio os máis coñecidos ou utilizados.
En definitiva, cando a bobina colócase preto dun condutor metálico e recibe enerxía do banco de condensadores, créase un campo electromagnético entre a peza metálica e a bobina. Este campo electromagnético xera una corrente eléctrica na peza metálica que xera un campo electromagnético en sentido contrario ao anterior. A interacción entre ambas as zonas xera una forza ou impulso. E todo un impulso. A peza se deforma a toda velocidade de 50 a 200 m/s.
Na prensa hidráulica, una das técnicas habituais de deformación de metais, a peza alcanza normalmente una velocidade de deformación de 1-5 m/s. De aí sacamos as contas! O empuxe inicial proxecta a peza a gran velocidade e a inercia que adopta consegue que o material se deforme máis que cos métodos convencionais.
Ao traballar a velocidades incribles utilizan una cámara fotográfica de alta velocidade paira recoller o que ocorre neste proceso. Se non, a visión humana non é capaz de ver o que ocorre a esas velocidades.
Este proceso permite a deformación de pezas paira once usos. Os usos pódense clasificar en función do formato do material. De feito, as aplicacións das chapas e os tubos son moi diferentes.
A única aplicación industrial que se deu a coñecer en automoción é o enlace de tubos metálicos. Os eixos e elementos asociados son as pezas idóneas paira levar a cabo esta aplicación. Esta tecnoloxía ofrece una gran vantaxe paira o desenvolvemento de unións de materiais que evitan problemas derivados da soldadura. A aplicación de Txap sigue sendo una aplicación en investigación.
En canto ás desvantaxes, os investigadores teñen o maior problema coa bobina xeradora de campos electromagnéticos. E é que toda esta forza que se dá á peza recíbea a propia bobina. O golpe que provoca esta forza violenta fai que a bobina rompa e as faíscas fagan que a bobina se explote. Os investigadores de Labein-Tecnalia tentan producir bobinas capaces de superar este problema. Co campo electromagnético realízanse multitude de estudos e simulacións paira predicir a resposta da bobina e desenvolver experimentalmente novas aplicacións.
Doutra banda, comprobouse que o proceso funciona mellor paira conformar metais como o aluminio ou o cobre que son bos condutores da electricidade. No entanto, tamén se pode adaptar a condutores máis escasos como o aceiro. A maior capacidade de transporte eléctrico do material, mellor. O aluminio é mellor condutor de electricidade que o aceiro, polo que se pode deformar con menos enerxía. En canto á deformación do aceiro, requírese moita enerxía, polo que o risco de rotura da bobina é maior.
A pesar de que o centro de investigación Labein-Tecnalia está a desenvolver traballos de investigación dirixidos á automoción, esta tecnoloxía ofrece una aplicabilidad destacada noutros campos como a aeronáutica, a enxeñaría aeroespacial e a fabricación de envases metálicos.
Outras técnicas
Ademais da deformación electromagnética, o Departamento de Automoción de Labein-Tecnalia traballa con outras dúas liñas de investigación principais. Por unha banda, utilizan calor paira a deformación de metais (tubo e chapa) e, por outro, fórxaa giratoria (Rotary Forging).
Por exemplo, os aceiros UHSS quéntanos até aproximadamente 1000 ºC e logo métenos na prensa. A estas temperaturas, o material é moito máis brando e se deforma moito máis. No entanto, paira iso necesítase un forno --quentar, alegia--, paira posteriormente manipular a peza a estas temperaturas necesítase outro dispositivo.
Por outra banda, con fórxaa giratoria obtéñense, sobre todo, deformacións espectaculares. Pódense obter diferentes tipos de pezas a partir de una lámina de metal normal. En definitiva, cóllese a peza de metal e confórmase, do mesmo xeito que se utiliza o torno paira fabricar obxectos cilíndricos na cerámica. No caso dos metais, a peza empúxase dalgunha maneira con dúas ferramentas até conseguir a lonxitude ou deformación requirida en cada caso. Nalgúns casos a peza vira, noutros as ferramentas... Pódese facer tanto en frío como en quente.
Con esta técnica conséguese un excelente acabado superficial da peza. Isto débese a que existe una gran fricción entre a peza e a ferramenta. Así mesmo, esta tecnoloxía permite alargar considerablemente os materiais. Con todo, a súa principal desvantaxe é o tempo. É una técnica que tarda bastante en tomarse con paciencia. Todo iso reflíctese no proceso produtivo das pezas. De feito, si na prensa hidráulica prodúcense 10 pezas por minuto, é posible que coa forxa giratoria obtéñase una soa peza por minuto.
Estas contas de tempo exceden a técnica de deformación electromagnética antes mencionada. As empresas deste sector buscan constantemente a optimización dos procesos, o que implica mellorar a calidade do produto final, aumentar a produtividade e reducir as cantidades de produtos rotos. Por tanto, una das alternativas de futuro podería ser a deformación electromagnética.
Na antiga Unión Soviética déronse a coñecer os primeiros estudos da deformación electromagnética dos metais nos anos 50. Pódese afirmar que na actualidade retomáronse as investigacións, xa que existen razóns importantes paira iso, como son os obxectivos ambientais e de seguridade dos pasaxeiros da automoción.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
