Aspectos esenciales del estampado incremental por punto simple

Resumen

La aplicación de los procesos de estampado incremental se presenta como una técnica innovadora en los procesos de conformación de materiales en todo el mundo desarrollándose distintas variantes tecnológicas del mismo. El presente trabajo tiene como objetivo exponer las principales características del proceso de estampado incremental, sus aplicaciones, ventajas y limitaciones. De la revisión bibliográfica realizada se demostró que este proceso puede ser aplicado en la industria en la fase de desarrollo de los productos o para la producción de pequeños lotes de piezas. Se propone un modelo teórico para la determinación de la fuerza de conformación. Se realizó una comparación económica entre el proceso de estampado incremental y el convencional, comprobándose que el estampado incremental es un proceso más económico para pequeños lotes de piezas.

Palabras claves: Estampado Incremental por Punto Simple. Conformación de chapas de metal.

Abstract

The application of the incremental forming process presents is presented an innovative technique in the material forming process worldwide, developed different technological variants out of it. Among them, it is the single point incremental forming (SPIF). This paper aims to present the main features of the incremental forming process, its applications, its advantages and its limitations. The literature reviewed showed that the process can be applied in industry in the products development phase or for the production of small amounts of pieces. A theoretical model is propose to determine of the forming force. It was also carried out an economical comparison between the incremental forming and the conventional forming process, resulting the first are as the more economical for small amounts of pieces.

Key words: single point incremental forming, sheet metal forming.

Introducción

Actualmente la industria de conformación de chapa está bajo gran presión, debido a la globalización del mercado, al corto ciclo de vida de los productos, la alta demanda de calidad y los cortos plazos de entrega. [15]

Las tecnologías tradicionales resultan costosas debido al alto coste de equipos, punzones, y matrices que han de ser fabricados con un perfil muy parecido al de la pieza final, y debido también al tiempo de set-up de las máquinas. Por tanto, estas tecnologías sólo resultan rentables para grandes lotes de producción. Por otro lado, las tecnologías tradicionales permiten alcanzar un alto nivel de automatización renunciando, sin embargo, a la flexibilidad.

En las últimas décadas las industrias metalúrgicas tienen que hacer frente a nuevas necesidades como la producción de lotes más pequeños y la constante demanda de procesos más flexibles. Todas estas nuevas necesidades se contradicen con las tradicionales tecnologías de fabricación por conformado y han dado lugar a la aparición de las tecnologías que utilizan el conformado incremental (Incremental Sheet Forming – ISF). [11]. La tecnología de ISF es un enfoque de conformado que utiliza la tecnología de control numérico para fabricar una pieza a partir del material en chapa. Se compone de una serie de operaciones locales de conformado que conducen a la geometría final de la pieza sin la necesidad de herramientas costosas o matrices, implica el uso de una única herramienta de punta redondeada para realizar deformaciones locales progresivamente en chapas metálicas. Este proceso ofrece ventajas como: reducción del tiempo de entrega de la pieza finalizada, alta fiabilidad y bajo coste para aplicaciones de lotes pequeños.

Aplicaciones y características generales de los procesos de estampado incremental de chapas

El estampado incremental de chapas, es un proceso de conformación innovador, el cual es capaz de producir piezas de geometrías complejas, utilizando la tecnología por control numérico (CNC) ya ampliamente difundida en los procesos de manufactura de metales. Presenta como principales ventajas: a) bajos costos de preparación de la máquina herramienta, b) utilización de máquinas CNC de tres ejes comunes, c) gran flexibilidad, ya que nuevos productos se obtienen al cambiar solo el modelo de diseño (CAD – Computer Assisted Design) , permitiendo así la producción de pequeños lotes de piezas. [10]

Uno de los principales obstáculos para la aplicación industrial de la tecnología ISF está relacionado con la exactitud entre el modelo CAD y la pieza real debido a las deformaciones elásticas que se producen en el proceso [8]. Existen recursos que compensan este efecto, pero que pueden variar mucho, dependiendo de la complejidad geométrica del producto, requiriendo su corrección y ajuste.

Estudios recientes han analizado la viabilidad técnica-comercial, demostrando que la precisión dimensional del producto final es un factor importante que limita tecnología de conformado [5]. La idea básica de las operaciones de conformado incremental es la obtención de una pieza con la forma deseada mediante una herramienta de pequeñas dimensiones cuyo movimiento sigue una trayectoria determinada por el usuario. Por tanto, ya no son necesarios punzones y matrices convencionales ya que la forma final de la pieza sólo depende de la trayectoria asignada a la herramienta [11] y es obtenida al sumarse localmente las deformaciones plásticas inducidas por la herramienta a lo largo de su trayectoria.

La realización de diferentes experimentos para este proceso de conformado incremental han podido ser clasificados ampliamente en dos categorías: con matriz y sin matriz, teniendo cada uno dos variaciones, conformado incremental negativo y conformado incremental positivo [2]. Estas cuatro configuraciones se muestran en la figura 1.

El conformado incremental negativo sin matriz, también conocido como estampado incremental por punto simple, es el método más reciente del estampado incremental. El conformado incremental positivo sin matriz es llamado también como estampado incremental de dos puntos. Otra variante de este proceso es un conformado incremental negativo en el cual se utiliza una matriz de forma parcial en uno de los lados de la chapa metálica a conformar.

Figura 1: Variantes del proceso de estampado incremental. (a) Conformado negativo sin matriz, también conocido como estampado incremental por punto simple. (b) Conformado positivo sin matriz, también conocido como estampado incremental de dos punto. (c) Conformado negativo con matriz. (d) Confomado positivo con matriz. [16]

El proceso de estampado incremental se puede utilizar para conformar todo tipo de metales, siempre y cuando sean lo suficientemente dúctiles. Es aplicable potencialmente en cualquier sector: automoción, aeronáutica, bienes de equipo, arte, etc. [15]. Hasta el momento, se han realizado piezas en aluminio, cobre, acero, acero inoxidable y titanio, siendo también posible su aplicación en aleaciones especiales.

Justificativas de aplicación de los procesos de estampado incremental para la fabricación de piezas en determinados sectores industriales del país

La mayor ventaja que presenta el EIPS es la capacidad de ser utilizado para fabricar piezas asimétricas de una manera fácil y económica sin el uso de matrices. Los costos de conformación por este proceso son de un 5 – 10 % de los costos de los métodos tradicionales, aunque la velocidad de proceso de conformación también es menor. A pesar de esta desventaja, según [9] el método es más eficiente cuando se desea producir una sola pieza o series cortas de piezas.

Además de lo relativamente económico de este método de conformación con respecto a otros procesos de estampado convencional, los ejemplos de aplicación en diferentes sectores justifican aún más su uso y lo hace extensivo a las condiciones de nuestro país, lo cual justificaría su uso. Ejemplos de esto son en la industria aeronáutica, industria automovilística, prototipos de piezas, en la medicina, utensilios domésticos, entre otras aplicaciones.

En el sector automovilístico en ocasiones es común el deterioro o la rotura de algún componente del vehículo ya sea por el tiempo de explotación o accidentes. Las compañías de conformación de piezas para autos normalmente no fabrican pequeños lotes de piezas. En este caso el EIPS es una solución para el reemplazo de partes del vehículo ante situaciones como las descritas anteriormente.

Figura 3: Partes de un ómnibus obtenidas por EIPS [14]

En el área de la medicina los productos son comúnmente fabricados según las necesidades de cada paciente. Un ejemplo de ello es en el área de la medicina ortopédica. En esta rama de la medicina las lesiones causadas por fracturas, luxaciones, sub luxaciones o esguinces en miembros inferiores son comunes. En estos casos es común el uso de prótesis de manera temporal fijadas externamente y que no sustituyen partes del cuerpo. Pero hay situaciones en que si son utilizadas de forma permanente y su función es la de sustituir partes del cuerpo perdidas por amputaciones de miembros (manos, brazos, piernas) o destrucción de partes óseas de cráneo, complicaciones que ocurren con frecuencia en accidentes de tránsito.

En cualquiera de los ejemplos descritos anteriormente, la finalidad del proceso de EIPS, es generar piezas que se adecuen perfectamente a cada paciente, considerando las diferencias que puedan existir entre ellos, por lo que cada pieza es única. Además el proceso de fabricación de la prótesis debe ser rápido y tener bajos costos según la urgencia del problema médico [4], para su aplicación a un mayor número de personas.

Ejemplos similares se pueden encontrar en otras áreas de la medicina como la neurocirugía o la estomatología tal como se muestra en las siguientes figuras.

Figura 4: Aplicación del proceso de estampado incremental en la medicina. (a) – Prótesis craneal. (b) – Prótesis dental. [3, 12]

Tomando en cuenta todo lo relacionado sobre esta tecnología se puede plantear que es posible introducir la misma en nuestro país. Para eso se deben de cumplir una serie de requisitos que son de suma importancia, entre ellos:

• a) Debe existir un debido conocimiento tanto científico como técnico del proceso (conocer sus ventajas, desventajas, alcance, etc.).

• b) Existir una adecuada preparación del personal técnico debido a la novedad del proceso en nuestro país.

• c) La tecnología tiene la necesidad de un equipamiento en lo referente a máquina para su implementación. Esta requiere de una Maquina-Herramienta CNC, ya sea una fresadora o alguna máquina en específico, vale aclarar que no todos los talleres de las industrias cubana cuentan con Maquinas – Herramienta de este tipo.

• d) Se debe tener en cuenta el diseño de una herramienta adecuada (punzón) capaz de llevar a cabo este proceso.

• e) Se deben contar con softwares capaces de diseñar la pieza y de generar la trayectoria de la herramienta de conformación (Tecnología CAD/CAM).

• f) Hay que tener en cuenta el tipo de producción, ya que tecnología es rentable en producción de pequeños lotes de piezas y prototipos.

Principales ventajas y desventajas del proceso

Debido a un grupo de ventajas que presenta el proceso EIPS, este representa una potente alternativa en la industria del conformado de metales. La velocidad de producción de este nuevo proceso no es tan alta como la de los ya existentes; sin embargo, las ventajas que ofrece, como la alta flexibilidad, el bajo coste de las herramientas y el alto grado de deformación alcanzado en el estado de deformación plana lo hace rentable para la fabricación de pequeños lotes para varias aplicaciones. Según [12], se pueden citar las siguientes ventajas concretas:

1. Producciones de partes directamente de ficheros CAD

2. Incrementos en la conformabilidad del material.

3. Línea de producción flexible, sujeto a constantes cambios.

4. Rapid prototyping: utilizando SPIF resulta un proceso económico.

5. Este método produce grandes regiones con una deformación homogénea y evita grandes gradientes de tensión y de deformación.

6. Pueden ser realizados en maquinas convencionales de CNC.

7. Debido a la naturaleza incremental del proceso las fuerzas son menores.

8. Las dimensiones de las partes son solamente limitadas por la herramienta de conformar.

9. Se alcanza una elevada calidad superficial de la pieza.

Se alcanza una reducción de los tiempos de preparación de la máquina ya que para diferentes piezas es posible utilizar las mismas herramientas o los mismos dispositivos prensa – chapa. La flexibilidad del proceso esta en la adaptación de este a diferentes diseños de piezas, una alteración en la geometría de la pieza diseñada es cambiado en el modelo CAD, inmediatamente es reprogramado en el software CAM y enviado los códigos a la máquina CNC. La obtención de mayores valores de conformabilidad del material con respectos a otros procesos convencionales están dado porque las fuerzas de conformación son menores [4, 6], debido a que solo se deforman plásticamente una pequeña zona de la pieza haciendo más fácil la deformación.

Sin embargo, aun teniendo en cuenta todas estas ventajas, sigue siendo un proceso que necesita ser estudiado con mayor detenimiento. Existen varios estudios relacionados con este tipo de procesos, pero aun no se ha alcanzado su completo entendimiento. Por lo que también presenta una serie de limitaciones las cuales se relacionan a continuación:

1. Gran tiempo de conformación comparado con los procesos convencionales de estampado.

2. El procesos esta limitado a producciones pequeñas.

3. La conformación de grandes ángulos tiene que ser realizado en múltiples pasos.

4. Menos exactitud geométrica, particularmente en radios convexos y áreas de superficies curvas.

Esta última desventaja puede ser reducida utilizando diferentes estrategias en el recorrido de la herramienta o alterando otros parámetros del proceso como el tamaño o la velocidad de la herramienta, variando el incremento vertical o variando el lubricante utilizado.

Máquinas herramientas empleadas para el proceso

El principal requisito para la ejecución del estampado incremental es que debe ser controlado numéricamente y tener al mínimo tres ejes de comandos. Aunque existan fabricantes de equipamiento específico para este proceso, como presenta la figura 5, la utilización del centro de maquinado o fresadoras CNC posibilitan el empleo de esta técnica en la mayoría de las industrias actualizadas tecnológicamente. [15]

Figura 5: Máquina especialmente construida para EIPS. [1]

• Determinación de la fuerza de conformación.

Las fuerzas originadas en el proceso de conformado incremental por punto simple pueden medirse experimentalmente o determinarse empleando algún modelo teórico. Los instrumentos para medir dichas fuerzas no se encuentran estandarizados, o sea, que cada investigador ha desarrollado sus propios métodos de medición. Debido a esto solo se describirá un modelo teórico aproximado referenciado en la literatura.

El modelo expuesto fue desarrollado por Iseki. En el mismo se hacen una serie de consideraciones entre las que se encuentran un comportamiento de anisotropía normal y condiciones de deformación plana del material, por tanto se asume el criterio de (Hill, 1979) para describir el comportamiento del material. Las resultantes de las componentes de la fuerza de conformado originada en el proceso se determinan mediante las siguientes expresiones: [13]

Figura 6: Proceso de estampado incremental por punto simple y algunos de sus parámetros [12]

Conociendo como determinar el ángulo de contacto el siguiente paso consiste en determinar la fuerza de tensión Ft, la cual depende fundamentalmente de las propiedades del material. Despreciando las tensiones de doblado (bending stress), las fuerzas de fricción, la componente de la tensión en la dirección del espesor st y la componente de deformación ey (el eje "y" es perpendicular a la dirección del movimiento de la herramienta) la fuerza de tensión es determinada aproximadamente como:

Con el propósito de determinar las componentes de tensión es asumido el criterio de (Hill, 1979), tal como se planteó anteriormente.

Consideraciones económicas en el proceso de estampado incremental de chapas

Algunos investigadores como Hirt, Ames and Bambach [7] han realizado estimaciones con respecto a aspectos económicos y ecológicos entre estos dos procesos de conformación. Acorde a sus cálculos el proceso de estampado incremental tiene un costo efectivo por encima de las 700 piezas para producciones seriadas y 250 piezas para series cortas con respecto al proceso de embutido. Esta consideración puede verse en la figura 7, donde se puede observar y afirmar la eficiencia del estampado incremental para producciones cortas, unitarias o diseño de prototipos.

Figura 7: Estimación del costo por pieza en el EIPS y el embutido profundo [7]

Según Syrjälä [7], en la comparación de los costos entre los procesos de conformado convencional y los procesos de conformado incremental influyen los cambios en la forma geométrica del producto, el uso de la herramienta y los defectos o desgaste de la misma, lo que puede ocasionar la existencia de otros puntos de intersección en las curvas de costos. Un ejemplo de este caso puede ser observado en la siguiente figura.

Figura 8: Comparación de los costo del EIPS y el proceso de estampado convencional. [7]

Conclusiones

La utilización de herramientas de pequeño diámetro en el EIPS permite lograr altas concentraciones de las deformaciones en la zona conformada, obteniéndose grandes deformaciones lo que favorece la conformabilidad del material.

El EIPS es un proceso menos costoso para producciones de series cortas, principalmente por las herramientas utilizadas y la flexibilidad del mismo aunque presenta un mayor tiempo de conformado.

El EIPS es una tecnología que puede ser implementada en el país, las máquinas – herramienta, las herramientas de conformación, así como los softwares necesarios existen en algunas de nuestras empresas.

Bibliografía

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Autor:

Yunier Valdés Reinoso,

José R. Marty-Delgado1a,

Yudiesky Bernal-Aguilar1b,

Alexis Alonso Martínez1c,

Yaidel Muñiz-Acosta1d

1 Facultad de Ingeniería Mecánica. Departamento de Ingeniería Mecánica. Carretera a. Camajuaní Km 5 ½. Santa Clara Villa Clara. Cuba. C.P 54830