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Hoy en día, la industria del conformado de metales está haciendo un uso cada vez mayor de la simulación para evaluar el rendimiento de matrices, procesos y piezas en bruto antes de construir herramientas de prueba. El análisis de elementos finitos (FEA) es el método más común para simular operaciones de conformado de chapa metálica para determinar si un diseño propuesto producirá piezas libres de defectos como fracturas o arrugas. ^[1]

Desafíos de conformado de chapa metálica

El conformado de chapa, que a menudo se conoce como estampado, es un proceso en el que una pieza de chapa, conocida como el espacio en blanco, se forma estirándose entre un punzón y un troquel.

Los defectos más dolorosos y más frecuentes son arrugas, adelgazamiento, springback y grietas o grietas. Pocos métodos se están utilizando en la industria para hacer frente a los principales defectos, basados en la experiencia de los técnicos. Sin embargo, el proceso correcto es el más vital, ya que implica la geometría correcta seguida de un número de pasos para alcanzar la geometría final. Lo que exige una experiencia específica o un mayor número de iteraciones. ^[2]

La deformación de la pieza en bruto suele estar limitada por pandeo, arrugas, desgarro y otras características negativas que hacen imposible cumplir con los requisitos de calidad o hacen necesario correr a un ritmo más lento de lo deseable.

Las arrugas en un dibujo son una serie de crestas que se forman radialmente en la pared dibujada debido al pandeo compresivo. Prácticamente estos son duo a baja presión de soporte en blanco debido a que el material se desliza y se forman arrugas. La presión óptima de retención en blanco es la clave, sin embargo, en ciertos casos no funciona. Luego, las cuentas de dibujo son las soluciones, la ubicación y la forma de la cuenta de dibujo es el desafío, que se puede analizar con FEA durante la etapa de diseño antes de la fabricación de herramientas. ^[2]

Grieta en la pared vertical debido a altas tensiones de tracción, un pequeño radio bloquea el flujo de material y da como resultado un adelgazamiento excesivo en ese punto, generalmente más del 40% de la lámina thk. resultado en grietas. En algunos casos, puede ocurrir debido a una presión excesiva del soporte en blanco, que restringe el flujo de metal. En algún lugar podría deberse a un diseño de proceso incorrecto, como tratar de hacer un dibujo más profundo en una sola etapa, que de otro modo solo sería factible en dos etapas. ^[2]

El adelgazamiento es un estiramiento excesivo en la pared vertical debido a las altas tensiones de tracción que causan una reducción del espesor específicamente en el radio pequeño en las piezas metálicas, sin embargo, se permite hasta un 20% de adelgazamiento debido a las limitaciones del proceso. ^[2]

El springback es un aspecto particularmente crítico del conformado de chapa metálica. Incluso cantidades relativamente pequeñas de springback en estructuras que se forman a una profundidad significativa pueden hacer que el espacio en blanco se distorsione hasta el punto de que no se puedan mantener las tolerancias. Los nuevos materiales como el acero de alta resistencia, el aluminio y el magnesio son particularmente propensos al springback. ^[3]

El conformado de chapa metálica es más un arte que una ciencia. El diseño de las herramientas, el proceso de estampado y los materiales en blanco y la geometría se realizan principalmente por ensayo y error.

Hoy en día, el software de simulación se incluye en CAE (ingeniería asistida por computadora), utilizando el análisis de elementos finitos para predecir los defectos comunes en la etapa de diseño, antes de la fabricación de troqueles. ^[2]

El enfoque tradicional para diseñar el punzón y la matriz para producir piezas con éxito es construir herramientas de prueba para verificar la capacidad de un determinado diseño de herramienta para producir piezas de la calidad requerida. Las herramientas de prueba generalmente están hechas de materiales menos costosos para reducir los costos de prueba, pero este método sigue siendo costoso y requiere mucho tiempo. ^[4]

Historia de la simulación de conformado de chapa metálica

El primer esfuerzo para simular la formación de metales se realizó utilizando el método de diferencias finitas en la década de 1960 para comprender mejor el proceso de embutición profunda. La precisión de la simulación se incrementó más tarde mediante la aplicación del análisis de elementos finitos no lineales en la década de 1980, pero el tiempo de cálculo era demasiado largo en este momento para aplicar la simulación a problemas industriales. ^{[cita requerida]}

Las rápidas mejoras en las últimas décadas en el hardware de la computadora han hecho que el método de análisis de elementos finitos sea práctico para resolver problemas de formación de metales del mundo real. Se desarrolló una nueva clase de códigos FEA basados en la integración de tiempo explícito que redujo el tiempo computacional y los requisitos de memoria. El enfoque dinámico explícito FEA utiliza un esquema explícito central diferente para integrar las ecuaciones de movimiento. Este enfoque utiliza matrices de masa agrupadas y un paso de tiempo típico del orden de millonésimas de segundo. El método ha demostrado ser robusto y eficiente para problemas industriales típicos. ^{[cita requerida]}

A medida que el hardware y los sistemas operativos han evolucionado, se han superado las limitaciones de memoria que impedían el uso práctico de los métodos de elementos finitos implícitos. ^[5] Usando el método implícito, los pasos de tiempo se calculan en función de la cantidad prevista de deformación que ocurre en un momento dado en la simulación, evitando así la ineficiencia computacional innecesaria causada por calcular pasos de tiempo demasiado pequeños cuando no está sucediendo nada o un paso de tiempo demasiado grande cuando se producen grandes cantidades de deformación.

Métodos de análisis de elementos finitos

Dos divisiones amplias en la aplicación del método de análisis de elementos finitos para el conformado de chapa metálica se pueden identificar como inversas de un paso e incrementales.

Los métodos inversos de un solo paso calculan el potencial de deformación de la geometría de una pieza terminada en el espacio en blanco aplanado. La malla inicialmente con la forma y las características del material de la geometría terminada se deforma al patrón plano en blanco. La deformación calculada en esta operación de conformado inverso se invierte para predecir el potencial de deformación de la pieza en bruto plana que se deforma en la forma final de la pieza. Se supone que toda la deformación ocurre en un incremento o paso y es el inverso del proceso que la simulación debe representar, de ahí el nombre de Paso Inverso.

Los métodos de análisis incremental comienzan con la malla de la pieza en bruto plana y simulan la deformación de la pieza en bruto dentro de las herramientas modeladas para representar un proceso de fabricación propuesto. Esta formación incremental se calcula "hacia adelante" desde la forma inicial hasta la final, y se calcula sobre una serie de incrementos de tiempo de principio a fin. Los incrementos de tiempo se pueden definir explícita o implícitamente dependiendo del software de elementos finitos que se aplique. Como los métodos incrementales incluyen el modelo de las herramientas y permiten la definición de condiciones de contorno que replican más completamente la propuesta de fabricación, los métodos incrementales se utilizan más comúnmente para la validación del proceso. Inverso Un paso con su falta de herramientas y, por lo tanto, una representación deficiente del proceso se limita a las verificaciones de viabilidad basadas en la geometría. ^[6]

El análisis incremental ha cumplido el rol previamente completado mediante el uso de herramientas de prueba o herramientas prototipo. Las herramientas de prueba en el pasado eran matrices de tiradas cortas hechas de material más suave de lo normal, que se usaban para planificar y probar las operaciones de conformado de metales. Este proceso consumía mucho tiempo y no siempre producía resultados beneficiosos, ya que las herramientas blandas eran muy diferentes en su comportamiento que las herramientas de producción de mayor duración. Las lecciones aprendidas sobre las herramientas blandas no se transfirieron a los diseños de herramientas duras. La simulación ha desplazado en su mayor parte a este viejo método. La simulación utilizada como una prueba virtual es una simulación de conformado de metales basada en un conjunto específico de variables de entrada, a veces nominales, en el mejor de los casos, en el peor de los casos, etc. Sin embargo, cualquier simulación es tan buena como los datos utilizados para generar las predicciones. Cuando una simulación se ve como un "resultado pasajero", la fabricación de la herramienta a menudo comenzará en serio. Pero si los resultados de la simulación se basan en un conjunto poco realista de insumos de producción, entonces su valor como herramienta de ingeniería es sospechoso.

Análisis de robustez

Las innovaciones recientes en el análisis estocástico aplicado a las simulaciones de conformado de chapa metálica han permitido a los primeros usuarios diseñar la repetibilidad en sus procesos que podrían no encontrarse si utilizan conjuntos individuales de simulaciones como "prueba virtual". ^[7]

Usos de la simulación de conformado de chapa metálica

Los modelos de materiales tipo Chaboche a veces se utilizan para simular efectos de springback en el conformado de chapa metálica. Estos y otros modelos avanzados de plasticidad requieren la determinación experimental de curvas cíclicas de tensión-deformación. Los bancos de pruebas se han utilizado para medir las propiedades del material que, cuando se utilizan en simulaciones, proporcionan una excelente correlación entre el springback medido y el calculado. ^[8]

Muchas operaciones de conformado de metal requieren demasiada deformación de la pieza en bruto para ser realizada en un solo paso. Las operaciones de estampación progresiva o de varios pasos se utilizan para formar gradualmente el espacio en blanco en la forma deseada a través de una serie de operaciones de estampado. Las plataformas de software de simulación de conformado incremental abordan estas operaciones con una serie de operaciones de estampado de un solo paso que simulan el proceso de conformado paso a paso. ^[9]

Otro objetivo común en el diseño de operaciones de conformado de metal es diseñar la forma de la pieza en bruto inicial para que la pieza formada final requiera pocas o ninguna operación de corte para que coincida con la geometría de diseño. La forma en blanco también se puede optimizar con simulaciones de elementos finitos. Un enfoque se basa en un procedimiento iterativo que comienza con una geometría inicial aproximada, simula el proceso de conformado y luego verifica la desviación de la geometría formada resultante de la geometría del producto ideal. Los puntos de nodo se ajustan de acuerdo con el desplazamiento archivado para corregir la geometría del borde en blanco. Este proceso continúa hasta que la forma en blanco final coincide con la geometría de la pieza tal como se diseñó. ^[10]

La simulación de conformado de metales ofrece ventajas particulares en el caso del acero de alta resistencia y el acero avanzado de alta resistencia que se utilizan en los automóviles actuales para reducir el peso y mantener la seguridad del vehículo. Los materiales tienen mayor rendimiento y resistencia a la tracción que el acero convencional, por lo que la matriz sufre una mayor deformación durante el proceso de conformado, lo que a su vez aumenta la dificultad de diseñar la matriz. La simulación de chapa metálica que considera la deformación no solo de la pieza en bruto sino también de la matriz se puede utilizar para diseñar herramientas para formar con éxito estos materiales. ^[11]

Aplicaciones industriales

Los ingenieros de Tata Motors utilizaron la simulación de conformado de metales para desarrollar herramientas y parámetros de proceso para producir un nuevo diseño de bomba de aceite. Los primeros prototipos que se produjeron cerraron coincidían con la predicción de simulación. ^[12]

Nissan Motor Company utilizó la simulación de conformado de metales para abordar un problema de desgarro en una operación de estampado de metales. Se creó un modelo de simulación simple para determinar el efecto del radio de borde en blanco en la altura a la que se podría formar el material sin desgarrarse. Sobre la base de esta información se diseñó un nuevo dado que resolvió el problema. ^[13]

Hay muchos programas de chapa metálica disponibles en la industria como SolidWorks y LITIO. ^[14]

Hoy en día, los softwares FEA como LS DYNA, AUTOFORM, HYPERFORM, PAMSTAMP son muy buenos para simulaciones de procesos virtuales antes de la fabricación del producto. Los defectos como arrugas, adelgazamiento y grietas se pueden ver en la etapa de diseño justo antes del diseño del proceso, lo que resulta en la selección correcta del proceso y la reducción del tiempo de entrega y ahorra dinero valioso, que de otro modo se invirtió en iteraciones de fabricación agitadas. ^[15]

Referencias