hidroconformado

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Hidroconformado, una Alternativa para el Modelado de MetalJos Luis Ordoez Jimnez Periodista Metal Actual

Foto: www.europeancarweb.com

Fuerza del fluido, principio esencial en conformado metlico.

El hidroconformado es un proceso que permite la expansin controlada de chapas y tubos metlicos, mediante la presin de lquidos en troqueles cerrados, con l se obtienen piezas ms finas, ligeras y complejas, con un grado de resistencia ptimo que no se pueden obtener con los procesos de manufactura tradicionales. El conformado con fluidos es adoptado principalmente en la industria automotriz.

La industria metalrgica ha focalizado sus esfuerzos en introducir nuevos y mejores procesos de calidad, en bus-ca de una mejora continua en la comprensin de las pro-piedades fsicas y qumicas de materiales como el cobre, acero y aluminio, componentes principales en cada uno de los productos demandados por la industria.

De igual manera, evaluar procesos tradicionales como el doblado, embutido y corte de metal, para encaminarlos a un objetivo comn como lo es, la optimizacin de la manufactura y la mayor calidad.

Bajo estas premisas, la industria metalmecnica, en la bsqueda incansable de nuevos desarrollos tecnolgicos, que aporten valor agregado, encontr en los lquidos un element clave, no slo en procesos de corte, refrige-racin y regulacin trmica, sino como complemento

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PROCESOS

perfecto en el proceso de moldea-do de metal, debido a que utiliza su fuerza y manejabilidad, sumndo-la a la precisin de las matrices de diseo, dando como resultado una tcnica de conformado de metal con altos grados de precisin, llamada hidroconformado.

El hidroconformado o hydroforming (en ingls) utiliza la presin de los fluidos para expandir lminas de co-bre, acero y aluminio, transformn-dolos en elementos de geometra compleja; como por ejemplo, en el caso de los marcos de bicicleta, que requieren altos grados de deforma-cin o formabilidad, mayor resisten-cia, confiabilidad y acabados finos; adicionalmente, menos pasos en el proceso de fabricacin y disminucin en el nmero de piezas ensambladas y soldadas, comparado al proceso de conformado de chapa tradicional.

La adopcin de este sistema de con-formado en la industria metalme-cnica, ha permitido el desarrollo de dos clases de hidroconformado conocidos como, tube hidroforming (hidroconformado para piezas tubu-lares), y sheet hydroforming (hidro-conformado de chapas), adems, se adelantan estudios para la imple-mentacin de fluidos calientes y pul-saciones en el hidroconformado, con el propsito de optimizar y extender esta tcnica a otras industrias.

Este proceso se aplica en la actualidad en bicicletas, cerraduras y diversos

componentes para automviles como, motores, chasis, suspensin y tubos de escape.

Tube Hydroforming, Hidroconformado en TubosEl hidroconformado en tubos, co-nocido en Europa y Estados Unidos como tube hydroforming, inicia co-locando una pieza metlica tubu-lar en la cavidad de la semi-matriz inferior, posteriormente una semi-matriz superior desciende para com-pletar el sistema. Dos punzones de sellado, los cuales tienen como ob-jetivo evitar la deformacin el tubo,

la prdida de fluidos y el adelgaza-miento de la pieza durante el proce-so, cierran las extremidades de esta matriz.

Los fluidos que provocan la expan-sin controlada del metal, conforme a las superficies de la cavidad de la matriz, se suministran a travs de un puerto o pistn, ubicado al extremo de la matriz, con una presin cons-tante que efecta la expansin pre-cisa de la pieza metlica. (Figura 1)

A medida que el material se expan-de, gracias a la presin del lquido y la compresin simultnea de los pun-zones, las zonas de la pieza se some-ten a presiones de hasta 30.000 psi,

El hidroconformado est presente en procesos de fabricacin en artculos deportivos, de fontanera, bicicletas y automviles, ya que permite una mayor resistencia de sus componentes.

Foto: dabombbike.blogspot.com

Las cerraduras de pomo hidroconformadas, son cuerpos huecos de una sola pieza, con geometras finas, ahorrando pasos de produccin, comparadas con mtodos de tratamiento convencionales, que producan componentes soldados o ensamblados los cuales requeran mayor tiempo de fabricacin.

Foto: Schlage Lock de Colombia

Resultado del proceso de hidroconformado en tubos de acero, (Tube hydroforming, THF).

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Figura 1

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estas fuerzas dependen directamen-te del componente que est siendo moldeado dentro de la plantilla, para as conservar el mismo espesor y resistencia, con un mejor equilibrio entre rendimiento, calidad y costo.

El hidroconformado para piezas me-tlicas tubulares, que en principio se utiliz para el conformado de tube-ras de cobre, ahora es recurrente en la construccin de componentes tu-bulares de uno a tres metros de largo

y 25 a 150 milmetros de dimetro, bicicletas de alto desempeo con cuadros de aluminio, y componentes para camiones utilizados en multina-cionales como la General Motors.

Sheet Hydroforming, Hidroconformado de LminaEl proceso de sheet hydroforming requiere la utilizacin de una prensa y una lmina de metal, de la misma

Algunas autopartes fabricadas con el proceso de hidroconformadoCarrocera Chasis Direccin y suspensin Motor y Transmisin

Hidroconformado de tubosControl de mando de luces

y direccionales Soporte del motor Brazos de suspensinTubos de escape

(mltiple de escape)

Base del radiador Rel de Soporte Enlaces nales con la suspensin rboles de levas

Estructura de las sillas Marcos escalonados Columnas de direccin Funda del Eje

Rieles laterales del techo Barras de enganche

Arcos del techo Soporte de luces

carriles laterales (bocel)

Barras anti vuelco

Hidroconformado de chapasTechos Tanques de combustible

Defensas (guarda fango) Crter de aceite

Paneles laterales Cubiertas del motor

Cajas de cilindros

Pieza con esquinas agudas creadas, por el proceso de hidroconformado en lmina de acero, (Sheet hydroforming).

Anlisis comparativo de piezas de conformado convencional, frente al proceso de hidroconformado.

Estampado y soldado Hidroconformado AhorroMateria prima 3.25 kg 2.90 kg 11%Peso por pieza 2.65 kg 2.39 kg 10%N de piezas 1 2 50%N procesos 10 4 60%Soldadura 600 mm Ninguna 100%Tiempo de ciclos 5 min. 2 min. 60%Ahorro de costes - - 20%

El hidroconformado permite la reduccin de costos, consumo de metal y tiempo de produccin, sin sacrificar la resistencia de los metales, en comparacin a los tradicionales procesos de conformado de metal.

Componentes para automviles como el chasis, sistemas de escape, paneles, depsitos de combustible y sumideros, ente otros, se fabrican mediante los procesos de hidroconformado de tubos y chapa, con ventajas que se extiende directamente al consumidor, debido al aumento en las distancias recorridas, gracias a un menor consumo de combustible, generado por el diseo de vehculos ms ligeros.

manera que se utiliza en el formado tradicional de chapa, la cual es so-metida a una presin de 100 a 350 toneladas para calcar la forma de-terminada del molde. El fluido que presiona la chapa sobre el molde, se encuentra en la cavidad de una de las matrices, las cuales mediante una fuerza mecnica, presionan el metal para su conformado final.

La friccin que se presenta comn-mente al momento de la presin ejer-cida por el punzn sobre la chapa en cualquier proceso de conformado, ge-nera tensin y desgaste en el metal, esta friccin desaparece con el hidro-conformado de lmina, puesto que permite remplazar el punzn metli-co, por un fluido que moldea el metal y genera formas ms finas y menos desgaste entre las piezas. (Figura 2).

Conformado de chapa tradicional

Rozamiento entre chapa y punzn que desaparece con el Hidroconformado.

Punzn metlico reemplazado por el uido en el proceso de hidroconformando

Acero de alta resistencia AHSS (Advanced High Strenght Steels)

Matriz Superior

Hidroconformado de lmina

Matriz Superior

Fluido

Acero de alta resistencia AHSS (Advanced High Strenght Steels)

Figura 2

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Autopartes como: el chasis, sistemas de escape con sec-ciones delgadas y curvas aerodinmicas, soportes de motor y ejes, son modelados mediante el hidroconfor-mado de lmina; con este proceso se obtienen piezas de mayor rigidez, con menos nmero de aberturas y puntos de soldadura y en una o dos etapas de proceso, optimizando los tiempos de produccin. Componentes

Para construccin del Mercedes-Benz SL modelo 2013, se utiliz el hidroconformado, como modelo de produccin de alta tecnologa.

Fotos: www.km77.com - http://pursuitist.com

hidroconformados, que por ejemplo, son utilizados para la fabricacin de los ms recientes modelos SL de Mercedes Benz.

Actualmente los aceros de alta resistencia conocidos como AHSS (Advanced High Strenght Steels), son nece-sarios en la produccin de automviles, ya que permite usar menores espesores, comparados con los aceros tra-dicionales, con una alta capacidad para no deformarse y son ms resistentes.

La implementacin de AHSS en la actualidad, trae bene-ficios en cuanto al aumento en el rendimiento del veh-culo gracias a la reduccin de peso y optimizando el con-sumo de combustible; desafortunadamente los AHSS, presenta menores grados de estiramiento que inciden directamente en el proceso de fabricacin.

Es por ello que el hidroconformado en lmina, se utiliza cada vez ms en la fabricacin de vehculos con aceros de alta resistencia, debido a que este proceso permite una mejor distribucin de estiramiento del metal, du-rante el proceso de conformado.

Hidroconformado con Fluidos Calientes Si bien el proceso de Hidroconformado en chapas o pie-zas metlicas tubulares trae beneficios para la industria,

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PROCESOS

con el hidroconformado en caliente las ventajas aumentan.

Este proceso se adelanta de manera experimental en el taller de confor-mado de la en la universidad Mon-dragon Unibertsitatea en Espaa, sobre la base del hidroconformado, con la variante de impulsar el fluido a la semi-matriz inferior, antes de colocar la chapa, esto con el prop-sito de expulsar del molde el aire en su totalidad, puesto que si queda al-guna burbuja la pieza final quedara defectuosa; posteriormente, se cie-rra el sistema con el troquel superior sobre la chapa, se calienta todo el sistema y se presuriza el fluido que presiona y deforma la chapa contra el molde del troquel superior.

Uno de los puntos principales en el hidroconformado en caliente, es el comportamiento de los metales en altas temperaturas. El aluminio, so-bre el cual se adelantan experimen-tos en esta modalidad, se presenta

ebullicin e ignicin, para poder tra-bajar en temperaturas superiores a los 250C.

Presin por Pulsos en el HidroconformadoEl inventor Teruaki Yogo, en su ar-tculo Hammering parts with hy-droforming, publicado en la revista estadounidense, The Fabricator, ex-plic como el hidroconformado se puede llevar a un nuevo punto de optimizacin, si en este proceso se aplica un sistema de presin que uti-liza una accin pulsante o de vibra-cin conocida como martilleo.

Dicha accin pulsante presiona el lquido de conformado desde 725 libras por pulgada cuadrada (psi), sobre la lmina para lograr que sta se acople a la forma del molde. Para este desarrollo, Yogo utiliz una prensa provista con un sistema de tres bombas DDV o servo-hidruli-cas, que remplazan la fuerza hidru-lica convencional.

Y es que, cada vez ms, la tecnolo-ga servo-hidrulica tiene acogida en el conformado de lmina, pues optimiza la operacin y el impacto, mejora la velocidad de las prensas, al tiempo que reduce el ruido y los gastos en aceites hidrulicos. Al combinar la tecnol oga servo junto a la fuerza hidrulica, las prensas y plegadoras para hidroconformado requieren bombas cuyo consumo de aceite y electricidad es menor y,

en consecuencia, tambin producen menos ruido y desechos residuales.

Adems, en el punzonado o estam-pado convencional, las bombas ne-tamente hidrulicas se ven limitadas al enfocar la fuerza en los extremos de la mquina, directamente bajo los pistones, y no a lo largo del pun-zn, en contraste el sistema combi-nado servo-hidrulico, emplea una red de cadenas que distribuye la carga equitativamente en toda la herramienta. En el caso particular del hidroconformado, desarrollado por Teruaki Yogo, el martilleo, efec-tuado por la bomba servo DDV, tam-bin distribuye uniformemente la fuerza en el fluido de conformacin.

Aplicacin del HidroconformadoLa demanda de componentes lige-ros, precisos y flexibles llev a que esta tcnica, de hidroconformado en chapas y piezas tubulares fue-ra adoptada en industrias como la automotriz, grifera y aditamentos deportivos, a mediados de los 90. En nuestro pas la empresa Schlage Lock de Colombia, dedicada a la pro-duccin de cerraduras, candados y productos de seguridad, implemen-t dentro de sus procesos de produc-cin el hidroconformado de metales a mediados del ao 2002.

En sus inicios, Schlage Lock de Co-lombia utiliz como materia prima para este proceso el latn por ser

Las condiciones requeridas por los aceites utilizados en los sistemas de

hidroconformado metlico son:1. Contener aditivos que permitan asegurar

caractersticas anti desgaste.2. Viscosidad adecuada para mantener las

caractersticas de refrigerante y moldeador.3. Inhibidor de oxidacin y corrosin.4. Componentes antiespumantes.

como un metal muy blando que no tolera las deformaciones fcilmente; para hacer de este un material ms duro y resistente, por lo general, los investigadores crean aleaciones de aluminio y magnesio, que a tempe-raturas entre 260 C y 280 C, tienen nivel de conformabilidad alto y fcil de trabajar.

Si bien en altas temperaturas las aleaciones de aluminio son malea-bles, lquidos como el agua no po-dran pasar de los 100C debido a su punto de ebullicin, de esta manera el agua en el proceso de hidrocon-formado en caliente, es sustitui-da por fluidos con alto punto de

Las bombas hidrulicas tradicionales, producen mayores decibeles por segundo, en comparacin a las que trabajan bajo el sistema servo DDV, utilizadas en el proceso de hidroconformado de metal.

Dec

ibel

es

Segundos

Bombas hidrulicas tradicionales

Bombas hidrulicas Servo DDV

908580757065605550

0 5 10 15 20 25


uno de los materiales ms maleables de la industria, de la mano de las exigencias actuales de produccin, esta empresa perfeccion la tcnica de hidroconformado en chapas desde hace tres aos, optimizando los procesos de calidad al utilizar hierro y aluminio, con fluidos mez-clados entre agua y aceite, que cumplen con las caracte-rsticas de refrigerador y conformador.

La maquinaria mecnica utilizada por esta empresa para el hidroconformado, requiere una prensa con 120 to-neladas de presin, pero la relacin de presin ejercida por las mquinas de hidroconformado en las chapas uti-lizadas por Schlage Lock de Colombia, son directamente proporcional al espesor de la chapa a utilizar.

Oscar Mauricio Forero Pava, gerente de produccin de Schlage Lock de Colombia, confirma que las ventajas en la adopcin del hidroconformado, estn en el resultado de piezas uniformes, ms resistentes, con mejores acaba-dos, y menor desperdicio de material. Schlage Lock fa-brica diariamente alrededor de 5.000 pomos, utilizados para las cerraduras, haciendo del hidroconformado un proceso de modelado de metal acorde a las exigencias propias de un mercado que demanda cada da ms y me-jores resultados.

En los ltimos aos, el hidroconformado ha tenido una amplia aceptacin en diversas industrias, debido a que lo consideran un proceso de fabricacin de alta preci-sin con caractersticas de produccin viables, en cuanto a reduccin en costos de produccin se refiere. Sectores como el aeroespacial y aeronutico adelantan estudios en prototipos que requieren largos periodos de prueba y error, realizados con la ayuda de software de simulacin, para implementar el hidroconformado dentro de sus procesos, haciendo de este uno de los nicos puntos de desventaja en la implementacin de este sistema. (Para mayor informacin sobre las herramientas informticas de simulacin, para conformado consultar el artculo: Si-mulacin para Matricera: Predecir Fallas y Evitar Sobre-costos de Fabricacin. pag 44)

Fuentes

Oscar Mauricio Forero Pava. Gerente de produccin de Sahlage Lock de Colombia. produccin@ schlage.com.co

David Mazuera R. Ingeniero Mecnico. Coordinador de investigacin, Corporacin Eco-eficiente. [email protected]

Aproximacin a tecnologas emergentes. 2009. AIMME - Instituto Tecnolgico Metalmecnico. www.aimme.es

Conjunto de matrices de hidroformado y mtodo para conformar tubos sin estrechamiento. 2003 -www.espatentes.com

Inspeccin de cuadros de mountain-bike. Asociacin Argentina de Ensayos No Destructivos y estructurales. http://www.aaende.org.ar

Enhanced Formability through Hydroforming. 2005 - www.altair.com/c2r

www.thefabricator.com - www.americanhydroformers.com - www.interempresas.net

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