Procesos de hidro-conformado (hidroforming). Actualidad y perspectivas (página 2)

A continuación se puede ver una breve muestra del proceso de hidroconformado de una botella:

Fig. 1

Otra de las aplicaciones es el hidroconformado de chapa. Uno de los métodos es el de membrana. Este método está centrado en la deformación de placas simples o dobles usando para ello un medio fluido. La ventaja de usar membranas es que el sellado que debemos realizar para que no se escape el fluido es relativamente sencillo. Realmente no hay necesidad de sellar el borde de la pieza contra la parte presurizada. Además la fuerza de cierre es fácil de controlar.

Una gran ventaja de estos métodos es la flexibilidad en cuanto al cambio de herramientas que se produce rápidamente y permiten realizar la embutición, el recorte y el calibrado (proceso de hidroconformado sin un considerable flujo axial de material) en un solo paso.

El hidroconformado también es una excelente técnica de fabricación para construcciones ligeras (aluminio, aleaciones de magnesio,..). Estos materiales tienen normalmente unas capacidades de conformabilidad menores que las que poseen los aceros, pero el proceso de hidroconformado ofrece una oportunidad única de influenciar y controlar las tensiones, deformaciones y la temperatura en la pieza para incrementar los límites de conformabilidad.

Las siguientes fotografías se corresponden con el proceso de hidroconformado de chapa, donde la primera fotografía corresponde al mallado de la matriz junto con la chapa:

Fig. 2

Desarrollo

Aspectos del proceso

Un proceso básico para el hidro-conformado de tubos (Fig. 3) se puede describir de esta manera: (1) tubos rectos o pre-deformados se introducen primero en la matriz, (2) luego la matriz se cierra por un proceso hidráulico que puede conformar de manera mecánica el tubo durante el cierre; los punzones de sellado cierran las extremidades del tubo y se inicia el llenado. Durante el conformado, el material se expande por el incremento de presión del liquido que se realiza conjuntamente con el avance simultaneo de los punzones de sellado. El material fluye hacia el interior de las zonas de conformado y da la configuración final de la pieza (3).

Un proceso típico de hidro-conformado mecánico (Fig. 4) se puede describir como sigue: (1) la chapa no deformada se sitúa en la matriz conjuntamente con la lámina y se cierra la prensa, (2) se aplica una presión inicial de pre-conformado para colocar bien la chapa, (3) el punzón se mueve en dirección contraria a la presión para deformar la chapa durante la primera etapa de conformado, (4) la chapa se retira de la prensa y se le aplica un tratamiento térmico para quitar las tensiones mecánicas del material, (5) la segunda etapa del proceso produce la forma final de la pieza.

Fig. 3

Fig. 4

Principales problemas

Los problemas se representan en el mapa "Safety zones" (Fig. 1): demasiada presión provoca rotura, tal y como indican las zonas en azul oscuro (4), mientras que el avance excesivo de los punzones induce a la aparición de arrugas (5).

Uso de la modelación y simulación en la mejora del proceso.

Sin embargo se trata de procesos complejos, siendo ésta una de las razones por las cuales la simulación es esencial en este sector. En el hidro-conformado de tubos una definición correcta de la forma pre-deformada es vital. Otro aspecto crítico viene dado por la combinación de la presión interna con el avance de los punzones de sellado que se encuentran en las extremidades del tubo: demasiada presión causará rotura mientras que un avance demasiado rápido de los punzones provocará arrugas. El uso de CAE ayuda por lo tanto a definir el proceso completo incluso antes de que los primeros troqueles se hayan fabricado.

Aplicaciones

Un área especializada del hidro-conformado es la embutición profunda de chapa para la industria aeronáutica/aeroespacial. En tales aplicaciones una chapa inicial, hecha generalmente de aleaciones de aluminio o titanio, se conforma con la presión del fluido en una serie de etapas, a veces incluso con alguna etapa intermedia de tratamiento térmico. Hay dos técnicas fundamentales en este campo: el conformado en cavidad, donde la presión del fluido obliga a la chapa a meterse en la cavidad de la matriz y el hidro-conformado mecánico, donde se utiliza la acción de un punzón en movimiento. En ambos casos es muy importante el uso de una lámina de poliuretano que se sitúa sobre la superficie de la chapa en la zona de aplicación de la presión hidráulica. La función de esta lámina es eliminar arrugas y controlar el flujo de material durante el conformado.

Actualidad y perspectivas

Para mejorar la eficiencia en cuanto a trabajo y ahorro de combustible de los vehículos de hoy, las empresas productoras de automóviles continúan buscando nuevas medidas en el diseño y fabricación para reducir el peso del vehículo y la calidad del mismo. Los chasis y sus componentes ofrecen grandes oportunidades para la reducción considerable de su peso, con el proceso de hidroconformado se puede alcanzar la máxima rigidez, repetibilidad dimensional, reducción de las fatigas, y el costo mínimo por disminución de rebabas.(3)

Hidroconformado vs. Conformado Convencional

Algunas de las ventajas del hidroconformado sobre el conformado convencional incluyen la reducción de peso, repetibilidad dimensional, y mejora de la dureza y la rigidez estructural.1 El hidroconformado parece ofrecer al chasis lo que exactamente se esta buscando. Sin embargo, a pesar de los beneficios del hidroconformado, estampar es todavía el método más común para la obtención del chasis y las partes estructurales en la industria automotriz.

Comparado con el conformado convencional, el hidroconformado es una tecnología relativamente nueva y de alto riesgo. El conocimiento limitado y falta de experiencia en los componentes industriales del hidroconformado entorpecen la adopción de esta nueva tecnología. Por otra parte, en el interior del proceso se utilizan altas presiones lo que requiere controles de calidad severos así como herramientas endurecidas, también los ensayos y pruebas tradicionales para desarrollar y perfeccionar los procesos de hidroconformado de tubo pueden ser muy caros y tienden a consumir mucho tiempo (aunque prediciendo los problemas con el análisis mediante la técnica de elementos finitos (FEA) las simulaciones pueden ayudar a reducir estos riesgos grandemente).

Importancia de la simulación mediante elementos finitos.

Pueden simularse los procesos industriales de fabricación, de chasis y partes mediante el proceso del hidroconformado, usando los elementos finitos con precisión. La simulación puede usarse para diseñar, desarrollar, y perfeccionar el proceso del hidroconformado. Aplicando la tecnología de la simulación, pueden identificarse problemas potenciales, como dobladuras o arrugas, antes de la construcción de la herramienta, lográndose así una reducción del costo y el tiempo de fabricación.(6)

La simulación puede usarse para desarrollar y perfeccionar la relación entre la alimentacion final y la presión en el proceso del hidroconformado.

Fig. 5

Conclusiones

El método para la conformación de chapas y tubos mediante la utilización de un líquido llamado hidroconformado o hydroforming, es hoy un método que se va imponiendo en la industria del conformado, si todavía es verdad que existen detractores también es verdad que muchos ya valoran sus múltiples ventajas frente al estampado convencional.

Bibliografía

3. Boletín trimestral de Quantech ATZ. Numero 4, Invierno 2002
4. S.-D. Liu, D. Meuleman, and K. Thompson; "Analytical and Experimental Examination of Tubular Hydroforming Limits," SAE Technical Paper 980449, 1998.
5. K. Hertell, "Six Steps to Hydroforming Production," Tube & Pipe Journal, Vol. 13, No. 4, June 2002, p. 54-57.
6. J. Liu and D. Hahan, "Optimization of Process and Tool Development for Hydroformed Frame Rail Using FEM Simulation," SAE Technical Paper 2000-01-0408, 2000.
7. J. Liu, "Tube Hydroforming Process Development with the Aid of Computer Simulation," SAE Technical Paper 2001-01-1134, 2001.
8. A. Boehm, C. Hartl, and T. Abbey; "Process and Tool Technology for Hydroforming: Case Studies & Technical & Economical Considerations"; Innovations in Tube Hydroforming Technology; Troy, MI, USA; June 13-14, 2000.

Datos del Autor:

Lázaro Humberto Suárez Lisca

Pais: Cuba

Profesion: Profesor Universitario

Estudios realizados:

• Ingeniero Mecanico graduado en la Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas, Santa Clara, Cuba
• Asignaturas del programa de la Maestría: Ingeniería Mecánica
• Otros.

Publicaciones:

• Procedimientos e instrucciones para garantizar la calidad de la producción de las camisas de motores de combustión interna. Conferencia Internacional de IM 2002
• La contaminación en la industria de la fundición y métodos para el control de la misma. Evento Medio Ambiente Siglo XXI 2003
• Factibilidad de Producción de hierro fundido con el grafito esferoidal en las condiciones de una fabrica cubana. XX CONGRESO COPIMERA 2005
• Mezclas del moldeo aglutinadas con silicato modificados y soplados con CO2. 2002
• Influencia de las propiedades termo físicas en la solidificación de una pieza fundida.2002
• Monografía "Producciones de aleaciones fundidas".2002

Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas

Santa Clara, Cuba

Julio-2006