Estampación en frío de aceros para automoción de 1500 y 1700 MPa

Los vehículos eléctricos (VE) y la clasificación de 5 estrellas en ensayos de colisiones impulsan la actualización a aceros más resistentes

Para cumplir los objetivos de la industria automotriz, en cuanto a estructuras de carrocería ligeras y de alta resistencia que permitan obtener una clasificación de 5 estrellas en ensayos de colisiones, queda bastante claro que los OEM de automóviles planean aumentar aún más el uso que hacen de aceros AHSS/UHSS de mayor resistencia. Los vehículos eléctricos, en particular, requieren materiales de mayor resistencia utilizados de nuevas maneras, especialmente para transportar y proteger sus pesados paquetes de baterías.

Desde hace años, se crean perfiles relativamente sencillos con acero laminado de 1,5 GPa para aplicaciones de carrocerías de automóviles. Pero ahora, los avances sistemáticos en tecnología de estampación ofrecen a los diseñadores e ingenieros de producción de carrocerías la oportunidad de estampar en frío aceros de 1,5 GPa para crear perfiles moderadamente complejos, en lugar de depender únicamente de la estampación en caliente

Ventajas del conformado en frío de los aceros gigapascal

Ventajas del conformado en frío:

1. Reducción de costes de hasta el 28%: el proceso de conformado en frío es considerablemente menos costoso que el conformado en caliente debido a los costes operativos significativamente más altos de la estampación en caliente.
2. Consumo de energía mucho menor que la estampación en caliente, lo que ofrece como resultado menores costes energéticos y menos emisiones de CO₂ .
3. Los aceros martensíticos están disponibles con una gama más amplia de propiedades mecánicas que los aceros endurecidos por presión (PHS).
4. Las piezas de acero martensítico conformadas en frío ofrecen una mejor calidad de superficie final que las piezas estampadas en caliente.
5. Las piezas estampadas en frío no requieren limpieza adicional (granallado).
6. Las piezas de acero estampadas en frío se pueden perforar y recortar mecánicamente, mientras que las piezas de acero endurecido por presión requieren operaciones láser más costosas para evitar la fragilización por hidrógeno.
7. Los aceros martensíticos están disponibles con protección catódica contra la corrosión.
8. Las calidades de acero martensítico tienen mejores propiedades de soldadura que el acero endurecido por presión por su menor contenido de carbono equivalente (CO2eq o C.E.).

Consideraciones sobre el conformado en frío

1. No es posible conformar en frío formas muy complejas.
2. El efecto de recuperación elástica y las medidas para contrarrestarlo deben planificarse, aspectos que los japoneses y otros están demostrando que se puede hacer: consulte a continuación la siguiente sección y Gestión del efecto de recuperación elástica.

Fuente: SSAB.

Líder en Japón en estampación en frío de acero de 1,5 GPa

"En comparación con el resto del mundo, los fabricantes japoneses de troqueles, han desarrollado aún más sus troqueles y herramientas para las fuerzas más altas necesarias para los aceros de 1500 MPa, controlando al mismo tiempo el efecto de recuperación elástica", señala Hiroshi Kondo, asesor japonés de acero para automoción desde hace más de 30 años. "Todos los OEM japoneses de la industria automotriz están evaluando ahora la estampación en frío de aceros de 1500 MPa".

"Tradicionalmente, los OEM japoneses y sus proveedores de primer nivel siempre se han sentido más cómodos con la estampación en frío que con la laminación o estampación en caliente", continúa Kondo. "Una ventaja de la estampación en frío frente a la laminación es que la estampación ofrece más libertad con la geometría de la pieza".

"Y después están todas las ventajas que ofrece este proceso frente a la estampación en caliente. Para los fabricantes japoneses de automóviles resultan esenciales un bajo consumo energético y un rápido tiempo de ciclo —y, ahora, por supuesto, la reducción de la huella de CO₂—, todo lo cual favorece la estampación en frío frente a la estampación en caliente".

¿Qué componentes del automóvil se pueden estampar en frío a 1,5 GPa?

Para las aplicaciones de 1500M, entre los posibles candidatos para la estampación en frío se incluyen vigas laterales para impactos, vigas de parachoques, vigas transversales y sus refuerzos.

"La mayoría de los paneles oscilantes, los refuerzos de paneles oscilantes, las vigas transversales del suelo y algunas vigas del techo se pueden laminar", declara Kenneth Olsson, especialista en desarrollo empresarial para la industria automotriz de SSAB. "Pero hay muchas piezas que, debido a su forma, sOn imposibles de laminar".

"Aunque la estampación en caliente siempre es una opción" —continúa Olsson—, "es más caro, es más lento y, si calientas los hornos con combustibles fósiles, como hacen la mayoría de los fabricantes, se producen emisiones de CO₂ que van en contra de los objetivos de sostenibilidad de los OEM de la industria automotriz. Por lo tanto, la estampación en frío a niveles de resistencia de 1500 MPa es un desarrollo emocionante y relativamente nuevo".

Kenneth Olsson.

Ensayos impresionantes de estampación en frío de aceros de 1,5 GPa y 1,7 GPa

KIRCHHOFF Automotive ha estampado en frío con éxito este prototipo de viga contra impactos laterales usando acero Docol^® 1500M y 1700M. En las fotografías de la parte superior se muestran las piezas conformadas, mientras que en las fotografías de la parte inferior se muestran las piezas después de un ensayo de plegado de 3 puntos.

Para algunas piezas de automóviles, aumentar su resistencia es sencillo

Esta viga contra impactos laterales, estampada en frío en acero Docol^® CR1150Y1400-MS-EG, fue sometida a ensayos con éxito en un troquel de producción en serie diseñado para CR950Y1200T-MS-EG. Los expertos en conformado de SSAB creen que la pieza podría estamparse en frío con éxito utilizando CR1220Y1500T-MS-EG.

El conformado en frío evita los problemas de fragilización por hidrógeno

Después de la estampación en caliente, los fabricantes deben ser extremadamente cuidadosos con la operación de corte y perforación, ya que podrían causar fracturas retardadas. Por ello, suelen ser necesarios láseres para perforar o cortar piezas estampadas en caliente, y estos láseres son más complicados y costosos que las herramientas mecánicas convencionales.

Con el conformado en frío, los estampadores pueden utilizar herramientas de perforación y corte mecánicas convencionales sin riesgo de que se produzcan fracturas retardadas, incluso con aceros de 1,5 GPa. Además, los procesos de corte y perforación mecánicos en línea son conocidos, rápidos y rentables para los estampadores.

Gestión del efecto de recuperación elástica de la estampación en frío en aceros de ultra alta resistencia

Las dos ventajas clave de la estampación en caliente son su capacidad para formar formas muy complejas y la eliminación del efecto de recuperación elástica. Pero los estampadores japoneses y otros han desarrollado una serie de estrategias para controlar el efecto de recuperación elástica en piezas estampadas en frío:

1. Simulaciones las simulaciones de conformado permiten a los diseñadores optimizar la geometría de la pieza para controlar el efecto de recuperación elástica y mejorar la precisión final de los componentes estampados en frío.
2. Optimización: incluye el uso de líneas de plegado recto y configuraciones de esquina (radio) especiales.
3. Cordones: la forma y colocación de los cordones para mejorar el control del efecto de recuperación elástica.
4. Geometría del troquel: pasar de un acero con un límite elástico inferior a uno superior, como el CR1220Y1500T-MS, puede requerir algunos cambios en la geometría del troquel para compensar un mayor efecto de recuperación elástica.
5. Herramientas: materiales de herramientas mejorados, incluida la resistencia al desgaste y los recubrimientos, para poder hacer frente a las fuerzas más altas del troquel.

Lo que otros expertos declaran sobre la estampación en frío de UHSS

Los aceros martensíticos ofrecen una alternativa conformable en frío a los aceros endurecidos por presión y conformados en caliente, tal y como se explica en la página web de World Auto Steel en la sección de aceros martensíticos.

El uso de la estampación en frío ofrece flexibilidad para considerar diferentes estrategias durante el procesamiento con el troquel, lo que puede resultar en una reducción del efecto de recuperación elástica o en la incorporación de características de la pieza que no se pueden lograr con la laminación. La estampación en frío de aceros martensíticos no se limita a formas más sencillas con curvas suaves.

A continuación, World Auto Steel muestra una fotografía de un pilar exterior central estampado en frío con una pieza en bruto soldada a medida de acero CR1200Y1470T-MS en la parte superior y de acero CR320Y590T-DP en la parte inferior. A continuación cita:

Un estudio que determinó que existía una correlación entre el límite elástico de la chapa de acero y la deformación por el plegado de 3 puntos de las piezas con forma de sombrero. Basándose en una comparación del límite elástico...El acero CR12001470T-MS tiene un rendimiento similar al de los aceros PHS-CR1800T-MB y PHS-CR1900T-MB estampados en caliente con el mismo espesor y supera al del acero PHS-CR1500T-MB utilizado con frecuencia. Por esta razón, es posible que haya potencial para reducir costes e incluso peso con un enfoque de estampación en frío, siempre que se utilicen los diseños de prensa, proceso y troquel adecuados.

En el artículo se muestra un refuerzo de travesaño estampado en frío, en producción comercial, fabricado en acero martensítico de 1500 MPa:

la elevación variable de esta pieza, combinada con una sección transversal no uniforme en los bordes más exteriores, ayuda a controlar el efecto de recuperación elástica, pero dificulta en gran medida la laminación si fuera ese el enfoque de conformado en frío [en lugar del proceso de estampación en frío].

El artículo concluye con un ejemplo de un refuerzo de techo central de acero 1500T-MS conformado en frío en el que se emplea el proceso patentado Stress Reverse Forming™ para mejorar la precisión dimensional mediante la reducción de la sensibilidad al afecto de recuperación elástica.

Comparación de estampación en frío de acero de 1,5 GPa con estampación en caliente de acero de 1,5 GPa

Precisión: sin efecto de recuperación elástica, las piezas endurecidas por presión pueden ser muy precisas. Con la estampación en frío, la gestión integral del efecto de recuperación elástica resulta esencial para la precisión de las piezas.
Forma de la pieza: la estampación en caliente es ideal para formas de piezas muy complejas, aunque la estampación en frío ofrece ventajas impresionantes para la complejidad de las piezas.
Tiempo de ciclo: la estampación en frío es un proceso mucho más rápido que el endurecimiento por presión.
Consumo de energía: la estampación en caliente requiere un calentamiento rápido (hasta 900°C) y un enfriamiento rápido, mientras que la estampación en frío no, lo que supone un ahorro de dinero y emisiones.
Corte/perforación: las piezas de acero endurecido por presión de 1.5 GPa requieren corte y perforación láser para evitar la fragilización por hidrógeno. Por otro lado, las piezas de acero de 1500 MPa estampadas en frío se pueden cortar y perforar mecánicamente en línea.

Fotografías cortesía de KIRCHHOFF Automotive.

Estampación en frío correcta de una viga contra colisiones laterales de 1400M en un troquel diseñado para 1200M.

Laminación: todavía sigue siendo popular

Mientras que la estampación en frío de piezas de acero de 1,5 GPa es un proceso relativamente nuevo, la laminación (en frío) de los aceros UHSS ha sido algo común desde años (en lugares distintos a Japón). Y los diseñadores y proveedores de primer nivel han elevado cada vez más el nivel de sofisticación de sus aplicaciones de laminación, ampliando los límites de las formas que se pueden conseguir.

Por ejemplo, Shape Corp. diseñó la laminación del acero Docol^® CR1350Y1700-MS-UC y luego el plegado 3D para fabricar este riel de techo para la producción en serie de modelos de Ford. El resultado es un componente de bajo peso, rentable y energéticamente eficiente que, gracias a sus paredes más finas, mejora la visibilidad para los ocupantes del automóvil.

Laminación 3D: ¿una solución que busca problemas?

La laminación 3D se ha propuesto como una alternativa para realizar algunas geometrías ligeramente más complejas en aceros UHSS.

Los expertos en resistencia a colisiones de SSAB propusieron el uso de la laminación 3D en acero 1700M para la protección de las baterías en su Concepto de diseño de VE con Docol^®. En este caso, el diseño aprovecha las vigas laminadas 3D ("onduladas"), tejidas formando un patrón de malla, para crear la base de una caja de baterías excepcionalmente resistente para vehículos eléctricos reduciendo la altura convencional de dichas estructuras a la mitad.

Las vigas azules que hay por debajo del suelo del coche son la estructura de "malla" de la caja de baterías. Su diseño entrecruzado de vigas laminadas 3D de acero Docol 1700M reduce la altura de la malla a la mitad.

¿Qué capacidad de conformado en frío tiene Docol^® CR1220Y1500T-MS?

Docol^® Martensitic de 1500 MPa ofrece capacidades mejoradas para conformado en frío, tal y como demuestra:

• Relación de embutición profunda de 2.0
• Coeficiente de expansión de agujeros típico del 40%
• Plegado garantizado de 4.0*t
• Laminación garantizada de 3.5*t

¿Cuál es el siguiente paso para el conformado en frío de aceros UHSS?

SSAB sigue cuidadosamente la presentación e implementación de nuevas tecnologías de conformado en frío, sabiendo que la eficiencia del conformado en frío —con un menor tiempo de producción, prensas más sencillas y menor consumo de energía— está en consonancia con los objetivos de simplificar la producción, reducir costes y sostenibilidad de los fabricantes de automóviles.

Animamos a los diseñadores de componentes de carrocerías a implicar a nuestros expertos en conformado en las primeras etapas del desarrollo de su producto para obtener los mejores resultados. Póngase en contacto con el representante local de Docol^® para describir los objetivos y ambiciones de su proyecto.