Endurecimento por prensa está ajudando OEMs a usar materiais inovadores na fabricação de veículos leves
A legislação cada vez mais rigorosa na UE, nos EUA e outros países para reduzir as emissões de gases de efeito estufa, tem criado uma tendência mundial que aumenta a pressão sobre os fabricantes de automóveis para reduzir o peso de seus veículos.A necessidade de equilibrar isso com as exigências de segurança contra acidente, que tendem a aumentar o peso, coloca a indústria em um local apertado.
Estampagem a quente ou endurecimento por prensa .Na última década, estampagem à quente de peças automotivas evoluiu de uma tecnologia de nicho para uma que é agora indispensável para a redução de peso usando aço de alta resistência (HSS). A Volkswagen (VW), por exemplo, está alegando ter iniciado essa tendência com a mais recente encarnação de seu modelo Golf, que foi possível graças a uma estrita adesão aos métodos de construção leves, como endurecimento por prensa.
Então como ela funciona? Jens Aspacher, gerente de vendas da Schuler, um especialista nesta área de tecnologia, oferece uma explicação: "Em primeiro lugar peças pré-formadas ou inacabadas são aquecidas em um forno a uma temperatura de 930°C. As peças são depois aquecidas alimentadas na prensa, tão rapidamente quanto possível para evitar que o ar sofra arrefecimento rápido; há uma janela de tempo de apenas dez a 12 segundos. A prensa permanece fechada durante alguns segundos adicionais no processo de conformação, durante o qual as peças são tanto arrefecidas como endurecidas."
Os tempos de ciclo para a prensa de endurecimento variam de oito a 30 segundos. No entanto, em combinação com uma prensa de dua cubetass e soluções de alimentação rápida da Schuler, a empresa pode oferecer maior produtividade com o seu conceito (endurecimento com pressão controlada) PCH, reduzindo o tempo para seis segundos em alguns casos. Além disso, até mesmo geometrias de peças complicadas e os mais recentes materiais de folha coladas podem ser facilmente fabricadas com esta tecnologia.
Dirk Haller, diretor de desenvolvimento de processo da Schuler, acrescenta: "Os determinantes do período de resfriamento da peça incluem a energia transferida, que depende fortemente da espessura da placa, bem como a transferência de calor entre peça inacabada e matriz."
Ele continua: "Outros fatores são a condutividade e dissipação de energia térmica da matriz, ou seja, o número de canais de arrefecimento, a temperatura do meio de arrefecimento e o fluxo nos canais de arrefecimento."
O trabalho de Haller, até agora, levou à concepção, construção e entrega de cerca de 50 matrizes para o processo de endurecimento de prensa, para clientes como Fiat e VW, SSDT na China e Proton na Malásia.
Fazendo os contatos certos
De acordo com a Schuler, a regra geral com a prensa de endurecimento é: quanto maior a pressão de contato, mais rápida a transferência de calor e menor o tempo de resfriamento - e melhor o desempenho.
"Esta pressão de contato é normalmente produzida por conjuntos de molas, amortecedores a gás nitrogênio ou cilindros hidráulicos na matriz, ou uma almofada na prensa", afirma Haller. "Ao aumentar a pressão de contato usando almofadas PCH e matrizes, otimizando os canais de refrigeração e selecionando o aço matriz de acordo com a peça, conseguimos acelerar ainda mais o processo de transferência de calor e, assim, reduzir os tempos de ciclo."
As peças ainda estão a cerca de 200°C, quando são finalmente retiradas da prensa e prontas para processamento posterior. O escalonamento que se forma sobre a superfície de remate pode ser soprada, ou então totalmente evitada, ao revestir as placas com antecedência.
Depois de terem arrefecido, as peças finais oferecem uma resistência à tração de até 1.500 PM, o que significa que elas têm de ser cortadas usando um laser. No entanto, devido à sua maior rigidez, é necessário menos material por peça para garantir o mesmo grau de estabilidade, reduzindo assim o peso. Schuler também diz que, em contraste com o forjamento a frio HSS, é necessário menos força de prensa: 400-1.200 toneladas, inves de 2.500-3.000 toneladas. Além disso, os efeitos de mola de retorno que são notórios na indústria também são muito reduzidos.
Endurecimento por prensa em alta
Todos esses benefícios têm levado a um aumento dramático no número de peças endurecidas por prensa produzidas em todo o mundo, que agora incluem suportes de choque, vigamentos, soleiras, colunas B e túneis. De em torno de 8 milhões de peças, em 1997, o total subiu para 124 milhões em 2010 e ao longo dos próximos dois anos, até o fim de 2015, a demanda deve chegar a até 450m de peças.
O foco principal foi a peças como pilares B, que precisam ser tão rígidas quanto possível no centro, mas capazes de serem deformadas em suas extremidades, a fim de absorver a energia em situações de colisão. Isto pode ser conseguido usando moldes com diferentes zonas de temperatura: aquecidas, arrefecidas ou isoladas.
O mais recente desenvolvimento da Schuler em prensa de endurecimento, é uma nova linha de corte que combina tecnologia de alimentação de bobina comprovada com tecnologia a laser inovadora, criando, assim, o primeiro processo de corte a laser de bobina contínuo. A empresa diz que a capacidade de programar individualmente vários cabeçotes de corte a laser, trabalhando em conjunto, garantem flexibilidade e oferecem novas perspectivas - com taxas de transferência sem precedentes - para o corte sob medida de peças inacabadas.
Apoiado por aços mais fortes
É justo dizer que o sucesso do endurecimento por prensa é largamente atribuível à resistência extremamente alta dos aços envolvidos, com os esforços de desenvolvimento dos fabricantes de aço na área de aços manganês-boro sendo particularmente importante.
Por exemplo, a Uddeholm com sede na Suécia, diz que os fabricantes utilizam os seus aços propositadamente formulados para estampagem a quente, podendo evitar problemas comuns e atingir ciclos de produção mais longos, mais previsíveis e tempos de ciclo reduzidos. Até recentemente, a formação a frio tem sido o método dominante para a produção de componentes estruturais críticos em HSS, mas ele está sendo rapidamente usurpado pelo método de estampagem a quente para mudar o jogo, que coloca novas exigências para os aços utilizados no processo.
Aço de ferramenta para estampagem a quente requer um conjunto específico de propriedades, a fim de lidar com os mecanismos de falha específicos envolvidos no processo. A seleção de aço com as propriedades certas significa que os fabricantes de automóveis têm uma oportunidade clara para melhorar a qualidade do produto final.
Para funcionar de forma fiável as temperaturas envolvidas, aços de ferramenta precisam demonstrar excelente condutividade térmica e resistência à deformação a quente, bem como alta resistência e ductilidade. Isto é porque o processo acarreta um risco aumentado de falha prematura da ferramenta, que conduz a paragens não planejadas e atrasos de produção. Simplificando, uma ferramenta de aço de ponta minimiza o desgaste em temperaturas elevadas e fornece tolerâncias dimensionais melhoradas e menos peças sucateadas, devido aos riscos de ferramentas.
Outro material Uddenholm para estampagem a quente é o Unimax, que mostra as suas verdadeiras qualidades quando o desgaste excessivo ocorre na matriz. Em uma dureza recomendada de 56 HRC, Unimax resiste ao desgaste por abrasão, tanto fria como quente, e aumenta a vida das matrizes de estampagem a quente significativamente.
A empresa diz que o uso de seus aços em combinação com processos de estampagem a quente podem resultar em menos partes estruturais do veículo, e reduzir o peso do componente individual em 30-35%.
Ajudando o Acura MDX da Honda
Um dos melhores exemplos da utilização de soluções de materiais de estampagem a quente envolve o anel de porta ArcelorMittal Usibor, uma solução inovadora, salva-vidas, que é utilizada na Honda Acura, resultando para redução significativa de peso e maior segurança."Honda veio até nós com uma ideia para melhorar seus veículos, especialmente para o MDX", diz Todd Baker, presidente da ArcelorMittal Tailored Blanks (AMTB) Américas. "Eles queriam atingir uma peça única de anel de porta que realizaria uma série de objetivos."
"O novo MDX é mais leve, mais rápido, mais forte e mais eficiente em termos de combustível", acrescenta Jim Keller, 2014 engenheiro-chefe da Acura MDX. "A estrutura da carroceria é quase completamente nova, mas retirando o peso de um carro para torná-lo mais forte não é uma coisa fácil. Queríamos criar o carro para distribuir as cargas em torno de passageiros - pelo chão, o teto e porta", diz ele. "Nós tivemos que repensar como poderíamos distribuir essas cargas ainda mais concentrada de uma maneira que mantém as pessoas seguras, e uma das maneiras que nós fizemos isto foi com o novo anel de porta com estampagem a quente." Keller afirma que o uso de HSS para toda a estrutura em torno da porta é uma aplicação única de estampagem a quente na indústria.
The hot-stamped door ring in the Honda Acura MDX offers up to five times greater strength than a cold-pressed componentO projeto é um grande exemplo de colaboração dentro da ArcelorMittal. Uma vez que o aço Usibor é produzido, ele é enviado para blanker da ArcelorMittal, um empreendimento conjunto com a Delaco em Dearborn, Michigan.Os anéis de porta inacabados são posteriormente enviados para a instalação de peças inacabadas da empresa na Pioneer, em Ohio, onde ocorre a ablação a laser e solda a laser. As peças são então transferidas para Eagle Bend na fábrica da Magna Cosma em Clinton, Tennessee, onde é estampada a quente antes de ser finalmente entregue à fábrica da Honda em Alabama.
"Esta foi e é o primeiro, anel de porta estampado a quente e soldada a laser Usibor na indústria", conclui Baker. "Nós introduzimos na América do Norte um novo processo da marca chamado ablação a laser apenas para ser capaz de soldar o
material Usibor. Eu acredito que ele cria um padrão da indústria que outras montadoras usarão como ponto de referência para o teste de acidente de pequeno deslocamento".
Fagor Hotteknik tem desenvolvido uma série de células de prensa de endurecimento nos últimos meses, em especial, um novo sistema avançado, que está prestes a ser instalado nos EUA. Este sistema de prensa de endurecimento inovadora oferece 2-4 peças de cada vez, um tempo de ciclo de dez a 15 segundos e uma capacidade de 12,000kN. O sistema também inclui um dispositivo automático de carregador vazio, um forno de aquecimento, um alimentador robotizada rápido e flexível, uma prensa hidráulica, uma prensa de engenharia propositadamente para endurecimento, e um dispositivo de saída.
A empresa também esteve recentemente projetando, fabricando e encomendando outra prensa de endurecimento celular para TQM-Tianjin Motor Dies na China. A instalação inclui um forno, um desempilhador de peças inacabadas, uma prensa hidráulica, uma têmpera especial e robôs de manipulação. Neste caso, a prensa hidráulica tem uma capacidade de 10,000kN e dimensões reforçadas de 3000 x 2200 milímetros. Ele também tem uma almofada hidráulica de 1,000kN na base para a fabricação de peças muito complicadas. A fim de reduzir os tempos de paragem, a prensa possui duas almofadas móveis T-track, enquanto a carga e descarga de forno é feita por robôs Kuka.
