© Material para uso exclusivo de los asistentes al 6to. Simposio y Exposición Manufactura de Autopartes, Querétaro, México,

Agosto 22 a 24 de 2017. Prohibida su reproducción, venta, comercialización o difusión, total o parcial, sin autorización expresa

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Procesos de Manufactura para nuevos materiales

en la fabricación de autopartes

6. Simposio y Exposición MANUFACTURA DE AUTOPARTES

Dr.-Ing. Miguel Garzón

Director de Manufactura

PM Tec Engineering – Colombia

24 de Agosto de 2017

Querétaro, México

Diapositiva 3

Es complejo alcanzar avances en reducción de peso

Requerimientos en leyes, seguridad, confort, calidad, equipamiento para

aumentar eficiencia en realidad generan aumento de peso en los

componentes entre un modelo y el siguiente.

Existe gran presión sobre los materiales y los procesos de manufactura

para lograr mejor desempeño mecánico, bajar el costo de ciclo de vida,

aumentar reciclabilidad, reducir emisiones desde el pozo hasta los

neumáticos (well to wheel), etc.

En el caso de autos conducidos por motor de combustión interna, cerca

del 80% de las emisiones de CO2 se consumen en la generación del

combustible y en el uso del vehículo. En este último es donde el peso

de los componentes cobra un valor fundamental.

Diapositiva 4

Aceros de muy alta y ultra alta resistencia

Excelente potencial para reducción de peso en estructuras críticas

VHSS: Refuerzo de un Pilar-B en acero Dual

Phase 980 LCE Y600 Extragal (Izquierda)

– Bajo Carbono, laminado en frío

– Fase dual: Fase martensítica o bainítica dura

dispersa en una matriz ferrítica ductil:

– Alta Resistencia al impacto y a la fatiga: capaz de

absorber grandes cantidades de energía.

UHSS: Refuerzos para puertas, laterales, etc.

en acero MartiNsite

– Bajo Carbono, laminado en frío

– Buena capacidad de formado

a pesar de su muy alto σy

– Formas simplesFuentes: Acelor Mittal

600 - 750 980 - 1100

σy (MPa) σt (MPa)

1200 - 1500 1500 - 1700

σy (MPa) σt (MPa)

Diapositiva 5

Presencia inminente de lámina de magnesio en la producción en serie de partes

automotrices

Lámina Al

Perfil Al

Fundición Al

Acero UHSS (Laminado caliente)

Acero Convencional

Magnesio

CFRP

Fuentes: Audi

Diapositiva 6

Contenido

Motivación e Introducción

Colada contínua de láminas de magnesio

Manufactura Aditiva + Optimización Topológica

Conclusiones

Diapositiva 7

Por qué el magnesio?

Ventajas

– 30 a 35% menos denso que el

Aluminio

– Mayor resistencia específica

– Buena maquinabilidad

– Alta disponibilidad

– Reciclable

Fuentes: Edag, Dr. Bohlen - Prof. K.Kainer: MagIC, Helmholtz-Zentrum Geesthacht

Acero VHSS Lámina Al

Lámina Mg Fundición Mg

Comparado con Al

Comparado

con Acero

Módulo de

Elasticidad

Densidad

Límite de

fluencia

Tomado de un

estudio de

BMW

Rigidez

Tensión /

CompresiónRigidez

Flexión

Resistencia

Tensión /

Compresión

Requerimientos principales de

piezas laminadas delgadas

Fa

cto

r d

e f

ab

ric

ac

ión

lig

era

(No

rmalizad

oal acero

St1

4)

Desventajas

– Propiedades contra la corrosion

limitadas

– Limitadas propiedades a alta

temperatura

– Deformabilidad plástica limitada

(Estructura cristalina hexagonal)

Diapositiva 8

Aplicaciones y desarrollo hacia la colada contínua

Típicamente se ha usado como

material para fundición de

componentes en arena, coquille,

thixomolding, etc.

Debido a sus ventajas sobre aluminios,

aceros y polímeros hay gran interés en

usarlo como material para fabricación

de lámina.

Se puede laminar por métodos

tradicionales como el rolado, embutido

profundo, forjado, pero requiere gran

gasto energético en tratamientos

térmicos intermedios

Actualmente se enfoca en su

producción en láminas através de un

proceso de rolado de colada continua.

Parte interior tapa techo SLK

Usos

co

nve

ncio

na

les

Desa

rro

llos

actu

ale

s

Carcasas,

bloques de motor

Fuentes: Edag, Dr. Bohlen - Prof. K.Kainer: MagIC, Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Daimler, BMW

Diapositiva 9

Comparación de procesos de laminado de magnesio

Fuentes: Edag, Dr. Bohlen - Prof. K.Kainer: MagIC, Helmholtz-Zentrum Geesthacht

Magnesio

fundido

Magnesio

lingotes

Fundición y

homogenizaciónPasos de tratamiento térmico

y laminado

Laminado final

Laminado final

Colada continuaLaminado por

colada contínua

Ahorro

Laminado convencional

Gran reducción energética durante la fabricación de lámina por colada contínua

debido a eliminación de procesos de tratamiento térmico intermedios

Diapositiva 10

Incluso en la fundición de alta presión hay grandes posibilidades

Fuentes: Dr.-Ing. C. Haberling, AUDI AG

Otras soluciones para las fundiciones

Diapositiva 11

Optimización Topológica - Motivación

La naturaleza lleva haciendo optimización topológica por miles de millones de años

Agregar masa sólo dónde es estrictamente necesario

Diapositiva 12

Contenido

Motivación e Introducción

Colada contínua de láminas de magnesio

Optimización Topológica y Manufactura Aditiva

Conclusiones

Diapositiva 13

Optimización Topológica: Ejemplos de aplicación actual

Fuentes: Concept Laser

Diapositiva 14

Optimización Topológica - Matemática

Variable de diseño o “densidad”

Restricción de área o volumen

Conjunto de ecuaciones de equilibrio

interpoladas que determinan el sistema físico.

Función objetivo

Ejemplo: Minimizar energía de deformación elástica.

Diapositiva 15

Optimización Topológica - Ejemplos

F

Estructural

Térmico

𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙 𝑥 = 𝜌𝑝𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙0

𝜙 =

Ω

𝑘𝜌 𝛻𝑇2𝑑Ω

𝑘𝜌 = 𝜌𝑝𝑘0

Q0T0

Adiabático

Adiabático

Ad

iab

áti

co

𝜙 =

Ω

𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙 𝜖𝑖𝑗 𝑢 𝜖𝑘𝑙 𝑢 𝑑Ω

Diapositiva 17

Optimización Topológica – Ejemplo análisis esfuerzos de Von Mises

alpha=0.5 alpha=0.3

Es posible

optimizar con

respecto a

otros criterios

como fatiga,

vibraciones,

entre otros.

alpha=0.5 alpha=0.3

F

Diapositiva 18

Optimización topológica – Caso estudio PM Tec

Tomado de: Webinfomil.com

19% Reducción de peso

31% Aumento frecuencia de resonancia

25% Aumento esfuerzo máximo (pieza

aún funcional y segura)

OPTIMIZACIÓN TOPOLÓGICA

ANÁLISIS ESTRUCTURAL

Tomado de: Webinfomil.com

Diapositiva 19

Optimización topológica – Caso estudio PM Tec (frecuencia)

OPTIMIZACIÓN

TOPOLÓGICA

Con la ayuda de OBERON podemos validar

la frecuencia de resonancia de las piezas

fabricadas por manufactura aditiva y de la

estructura.

Diapositiva 20

Optimización topológica – Caso estudio PM Tec (frecuencia)

Diapositiva 22

Principio SLM (Selective Laser Melting)

Fuente

Láser

Escáner

Peine dispersador

Material

sinterizadoMesa de

trabajo

Polvo sin

utilizar

- z

Capas > 20 µm

Fuentes: WZL, Autodesk

𝐸𝜌 =𝑃

𝑢𝛿

J

mm2

𝑬𝝆 Densidad de energía láser

𝑃 W Potencia del láser

𝑢 mm s Velocidad de escaneado

𝛿 mm Diámetro del haz láser

Diapositiva 23

Ejemplos de piezas fabricadas por Sinterizado/Fusión Láser Selectiva

Fuentes: GF Machining solutions, Rennteam Uni Stuttgart, SLM, Renishaw, EOS

Industr

ia A

uto

motr

iz

Diapositiva 25

Aspectos Claves:

Características del polvo metálico

Méto

do O

spre

yM

éto

do L

PW

Alta dependencia de la resistencia mecánica

(UTS) de la distribución de formas y tamaños

dependiendo el proceso de fabricación del polvo,

además de los parámetros de procesamiento.

Fuentes: Loughborough University

Diapositiva 26

Aspectos Claves:

Propiedades de los materiales

Dureza Barra SLM

Aluminio HB 75 119

Acero herramientas HRC 55,1 53

Acero inoxidable HRC 15 8

Titanio HRC 36 32

301,5

2214

540

950

460

2050

640

1290

0

500

1000

1500

2000

2500

Esfu

erz

o ú

ltim

o a

tensió

n [

MP

a]

Barra Polvo sinterizado SLM

171

2166

470

880

270

1990

530

1140

0

500

1000

1500

2000

2500

Esfu

erz

o d

e f

luencia

[M

Pa]

Barra Polvo sinterizado SLM

Aluminio - ALSi10Mg

Acero herramientas – Acero Nr.1.2709

Acero inoxidable – 316SSUNS S31673

Titanio - Ti6AI4V

Fuentes: Matweb, atimetals, EOS GmbH, SLM Solutions

Datos para los materiales después de

tratamiento térmico

Diapositiva 27

Aspectos Claves:

Porosidad

Buen proceso: Densidad piezas >99.95%

Post-procesamiento

– Tratamientos térmicos

– Compresión

HIP – Hot Isostatic Pressing

– Calor y presión en un medio de gas inerte

– Es un proceso de formado y de densificación

– Eliminar porosidad

– Post-densificación de piezas sinterizadas

Fuentes: ISSN 0924-0136, thelibraryofmanufacturing.com

Mal proceso: SLM de AlSi10Mg con polvo húmedo.

Alta porcentaje de poros de hidrógeno

Buen proceso: SLM de AlSi10Mg.

Densidad pieza >>99%

Diapositiva 28

Aspectos Claves:

Rugosidad superficial

25-35 µm Rz

Postproceso: dejar material adicional por al menos

0.5mm

Acabado: con fresado, rectificado, pulido manual,

EDM, etc.

Mínimo: Sandblasting, para retirar completamente

polvo no sinterizado

Fuentes: DMG MORI

Eje

mplo

para

LM

D

Fresado

5-Ejes

Diapositiva 29

Aspectos Claves:

Alabeo: Deformación por esfuerzos residuales térmicos

Deformación de la pieza después del proceso o después de retirar patas de soporte

Posición patas de soporte para transferencia de calor

Fuentes: University of Pittsburgh, Autodesk

Diapositiva 30

Aspectos Claves:

Costos de materia prima

Por lo general, polvo es varias veces más costosos que material en barra o placa:

¡Sólo hay que usar lo que uno necesita!

Costos promedio en Euro/kg entre material en barra o placa y polvo certificado

2 24 28 3362

92

400

120 110 120

0

100

200

300

400

500

Costo

[E

uro

/kg]

Barra Polvo

Fuentes: 3ders.org, zauba.com, EOS, SLM

Diapositiva 31

Aplicación: Combinación de Diseño Artístico e Ingeniería

Fuentes: Hakaday

Diapositiva 32

Aplicaciones

Eje vehicular innovador: Combinación Titanio + Fibra de Carbono

Aplicación

– Eje para carros de carreras de la

formula Student

– Acoples finales con doble muro

sinterizados por láser

– Sin ninguna falla durante la

temporada

Detalles del product

– Peso: 350 g

– Longitud: 50 cm

– Material: Fibra de carbono y titanio

Ventajas

– Reducción de peso del 73%

comparado con un eje de acero

(1300 kg)Acero (Izquierda)

Fibra de carbono y Titanio (Derecha)

Fuentes: EOS GmbH

Diapositiva 33

Contenido

Motivación e Introducción

Colada contínua de láminas de magnesio

Manufactura Aditiva + Optimización Topológica

Conclusiones

Diapositiva 34

Conclusiones

La colada continua de láminas de magnesio permite reducir

drásticamente el peso de ciertos components automotrices,

mientras se reduce la energía consumida durante su

fabricación

La manufactura aditiva de metales permite la fabricación de

piezas de geometrías complejas que no podrían ser fabricadas

por métodos tradicionales.

Es necesario continuar con el desarrollo de tecnologías para

mejorar la predicción de propiedades mecánicas y ópticas de

las piezas fabricadas por manufactura aditiva.

La manufactura aditiva ya no es tan solo un método “innovador”

para fabricar piezas de prueba. Hoy en día es un método más

dentro de la cadena de manufactura moderna.

Se debe comenzar a pensar en una nueva forma de diseñar

para manufactura aditiva, teniendo en cuenta sus capacidades

y restricciones.

Diapositiva 35

Contacto

Dr.-Ing. Miguel Garzón

mgarzon@pm-tec.co

Cll114A No.47A-48, Bogotá,

Colombia

Tel. +57-1-6750705

Cel. +57-318-7178401

Muchas gracias

por su atención