Conformado de chapa mediante deformación incremental asimétrica

Hasta la fecha, la obtención de prototipos y pequeñas series de piezas de chapa metálica contaba, únicamente, con alternativas artesanales de fabricación manual o bien con la utilización de matrices prototipo de diseño simplificado. El proceso de AISF responde a las necesidades de este tipo de producción, donde los procesos convencionales no son rentables.

· La deformación incremental, tecnología en la cual la pieza es conformada como resultado de pequeñas deformaciones aplicadas sucesivamente y de forma localizada. El proceso de deformación incremental más extendido a nivel industrial es el repulsado, que sólo permite fabricar piezas con simetrías axiales.

· El ‘Rapid manufacturing’: la pieza se puede fabricar directamente desde un diseño 3D sin necesidad de fabricar una herramienta, y la fabricación se desarrolla por capas, concepto clave en las nuevas tecnologías de fabricación rápida.

Para ilustrar estos dos conceptos, es útil comparar lo que ocurre en un proceso convencional de embutición y durante el proceso de deformación incremental asimétrica.

En una embutición convencional, una multitud de puntos del punzón entran en contacto simultáneamente con el material a deformar que 'fluye' dentro de la matriz hasta conseguir la forma deseada. Las deformaciones son generadas de forma simultánea en toda la geometría y se pueden utilizar elementos geométricos llamado frenos así que el propio pisador para controlar los movimientos de material durante la embutición. Una de las consecuencias de estas deformaciones globalizadas es que las variaciones de espesores son mínimas a lo largo del perfil de la pieza.

En contraste, durante la deformación incremental, la herramienta de conformado actúa de forma localizada siguiendo el perfil exterior de la pieza. Se conforman todos los puntos de la pieza a una cota Z dada, la herramienta de conformado baja de un incremento en Z, vuelve a conformar todos los puntos de la nueva cota Z, baja de un nuevo incremento en Z, y así hasta haber conformado todas las 'capas' de la pieza. Al ser los esfuerzos, y consecuentes deformaciones, localizados donde actúa la herramienta de conformado, no hay aporte de material durante el proceso. La deformación plástica localizada puntualmente en el contacto con la herramienta se traduce por una reducción de espesor a su vez localizada.

Existen tres tipos de variantes del proceso:

• Sin soporte: es la variante más flexible, ya que cualquier cambio de geometría se puede realizar sin ningún impacto sobre herramientas.
• Con soporte parcial, reflejará los aspectos geométricos más significativos como pequeñas embuticiones, nervados y radios y cuya función es soportar la zona más alta de la pieza.
• Con soporte completo: es la variante que permite llegar a mejores tolerancias pero necesita mecanizar, en un material de simple mecanizado (Aluminio, DM, resina PU, etc) un negativo de la pieza.

Hoy en día sólo hay un fabricante de máquinas específicas para la deformación incremental asimétrica: Amino Corporation. Disponen de una gama variada de máquinas, desde las destinadas a laboratorios, de tamaño reducido, hasta máquinas mucho más grandes. Ascamm adquirió un centro de conformado incremental DLNC-PC en 2004, entonces la de mayor capacidad. Tiene un volumen de trabajo de 2.000, 1.300 y 500 milímetros, y permite conformar chapas de hasta 4 milímetros según el material.

Introducción a Flexform

El centro tecnológico Ascamm participa y coordina técnicamente un proyecto europeo del 6º Programa Marco de la Comisión Europea en torno a esta tecnología: el proyecto Flexform.

Se trata de un proyecto ‘Collective research’ en el cual participan 19 socios de 7 países europeos: asociaciones de empresas, pymes, centros tecnológicos y universidades. La ejecución del proyecto se realiza bajo la coordinación de ASERM, la Asociación Española de Rapid Manufacturing, para dar nuevas soluciones a los fabricantes de vehículos especiales y en general a la producción de piezas de chapa en series cortas. Los principales objetivos del proyectos son los siguientes:

• La adaptación de la tecnología de AISF a un entorno industrial
• El desarrollo de un software de simulación especifico para AISF
• La transferencia tecnológica hacia la industria

El proyecto se ha estructurado con 3 subproyectos técnicos, que abordan la investigación más básica del proceso, el desarrollo de herramientas y metodologías industriales y la implementación industrial, un subproyecto de difusión y formación y un subproyecto de gestión como suele ser habitual en estos proyectos colaborativos de consorcios grandes.

A continuación, se exponen algunos ejemplos de la investigación y desarrollo que se llevaron a cabo en el marco del proyecto.

- Subproyecto 1: investigación básica de proceso

Se realizó el análisis de propiedades de piezas fabricadas por ISF y la comparativa con piezas embutidas. El ejemplo siguiente muestra el caso de una copa cilíndrica de 80 milímetros de diámetro realizada en RWTH-IBF (Aachen, Alemania).

La figura 4a muestra las deformaciones principales; se puede observar que las deformaciones varían mucho a lo largo de la pieza. En la figura 4b, se compara el espesor final de la pieza con una pieza similar embutida (con 3 direcciones de laminación diferentes: 0º, 45º y 90º). Se concluye que el espesor final de la pieza fabricada por AISF es muy diferente al perfil de espesores de la pieza embutida, resultando en propiedades mecánicas diferentes.

En otra serie de experimentos, se desarrollo nuevas estrategias de conformado con el objetivo de mejorar las desviaciones dimensionales. Estudios previos mostraron que la recuperación elástica en AISF depende de la geometría, del material a conformar y de la trayectoria de la herramienta. Se desarrollaron estrategias multifases, es decir conformando geometrías intermedias antes de conformar la geometría final, que de forma general, permiten mejorar la recuperación elástica por la interacción entre el conformado y el endurecimiento por deformación.

Varios procesos multifases para conformar una pirámide de base cuadrada se desarrollaron y se compararon las piezas obtenidas.

A continuación se detallan dos de estas estrategias, ‘Strategy 1’ y ‘Startegy 2’.

El análisis de las desviaciones por estrategia permite concluir que la estrategia 2 reduce las desviaciones por un factor de 4. También se observa que al aumentar el número de fases con la filosofía de la estrategia 2, se mejoran las desviaciones dimensionales.

- Subproyecto 2: desarrollo de herramientas y metodologías industriales

El subproyecto 2 tiene como objetivo facilitar la industrialización del proceso. En este marco, se desarrollo una aplicación para la gestión del conocimiento en ISF. Se trata de una base de datos programada bajo el software libre Velneo que permite almacenar y consultar datos en base a criterios técnicos o de clientes.

En segundo lugar, cabe destacar que se trabajó en el desarrollo de herramientas avanzadas de conformado:

• Modificación de herramientas de trabajo en frío de Ecoroll AG (Alemania).
• Desarrollo de herramientas no metálicas para conformar materiales reactivos con aceros duros (aleaciones de titanio).
• Investigación sobre herramientas no-estándares para la reducción de la recuperación elástica.

Finalmente, se está desarrollando un software de simulación que integra tecnología implícita e explicita, utilizando el algoritmo del software comercial Stampack. Este desarrollo está actualmente en validación industrial.

- Subproyecto 3: implementación industrial

De cara a realizar una implementación piloto de piezas fabricadas por AISF en una cadena de procesos real de fabricación de vehículos especiales, se escogieron 3 'benchmarks': se trata de un panel de puerta, un capó y un marco de ventana. (figura 7).

Se han fabricado estas tres piezas satisfactoriamente. A continuación se puede ver el capó fabricado en Ascamm para la empresa Landra (Almese, Italia). Se trata de una pieza de acero que se realizó con un soporte completo.

Finalmente, se ha realizado un estudio para la implementación del proceso en una máquina CNC. Se fabricó un dispositivo con tal fin por Puigjaner y se instaló en Edaetech en un centro de mecanizado.

El proceso de deformación incremental asimétrica es un proceso adaptado a la fabricación de pequeñas series y piezas únicas de chapa metálica. Inicialmente un proceso de laboratorio está siendo implementando en el marco del proyecto Flexform en un entorno industrial, gracias a la validación y utilización de piezas así que a la implementación de la propio tecnología por algunas pymes del consorcio.