Hoy en día, la industria del conformado de metales hace un uso cada vez mayor de la simulación para evaluar el desempeño de matrices, procesos y espacios en blanco antes de construir herramientas de prueba. El análisis de elementos finitos (FEA) es el método más común de simulación de operaciones de conformado de chapa para determinar si un diseño propuesto producirá piezas libres de defectos como fracturas o arrugas. [1]
Desafíos del conformado de chapa
El conformado de chapa, que a menudo se denomina estampado , es un proceso en el que una pieza de chapa, denominada pieza en bruto, se forma estirándola entre un punzón y una matriz. [ cita requerida ]
La deformación de la pieza en bruto está típicamente limitada por pandeo, arrugamiento, desgarro y otras características negativas que hacen que sea imposible cumplir con los requisitos de calidad o que sea necesario correr a una velocidad más lenta de lo deseable. [ cita requerida ]
El springback es un aspecto particularmente crítico del conformado de chapa. Incluso cantidades relativamente pequeñas de recuperación elástica en estructuras que se forman a una profundidad significativa pueden hacer que la pieza en bruto 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 a la recuperación elástica. [2]
El conformado de chapa es más un arte que una ciencia. El diseño de las herramientas, el proceso de estampado y los materiales y la geometría en bruto se realizan principalmente mediante prueba y error. [ cita requerida ]
El enfoque tradicional para diseñar el punzón y la matriz para producir piezas con éxito es construir herramientas de prueba para comprobar la capacidad de un determinado diseño de herramienta para producir piezas de la calidad requerida. Las herramientas de prueba suelen estar hechas de materiales menos costosos para reducir los costos de prueba, pero este método sigue siendo costoso y requiere mucho tiempo. [3]
Historia de la simulación de conformado de chapa
El primer esfuerzo para simular el conformado 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 posteriormente mediante la aplicación de 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 de las últimas décadas en el hardware informático 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 de cálculo 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 masas 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 de las computadoras han evolucionado, se han superado las limitaciones de memoria que impedían el uso práctico de los métodos implícitos de elementos finitos. [4] Utilizando el método implícito, los pasos de tiempo se calculan en función de la cantidad prevista de deformación que ocurre en un momento dado de la simulación, evitando así la ineficiencia computacional innecesaria causada por el cálculo de pasos de tiempo demasiado pequeños cuando no sucede nada o un paso de tiempo demasiado grande cuando se están produciendo grandes cantidades de deformación.
Métodos de análisis de elementos finitos
Dos grandes divisiones en la aplicación del método de Análisis de Elementos Finitos para el conformado de chapa se pueden identificar como Inverso de un paso e Incremental.
Los métodos inversos de un paso calculan el potencial de deformación de la geometría de una pieza terminada en la pieza en bruto aplanada. 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 conformación inversa se invierte luego para predecir el potencial de deformación de la pieza en bruto plana que se deforma en la forma de la pieza final. Se supone que toda la deformación ocurre en un incremento o paso y es la inversa del proceso que la simulación debe representar, de ahí el nombre Inverse One-Step.
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 un número de incrementos de tiempo de principio a fin. Los incrementos de tiempo pueden definirse explícita o implícitamente según el software de elementos finitos que se esté aplicando. 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 comprobaciones de viabilidad basadas en la geometría. [5]
El análisis incremental ha cumplido el rol previamente completado mediante el uso de herramientas de prueba o herramientas de prototipos. Las herramientas de prueba en el pasado eran matrices de tiradas cortas hechas de un material más blando de lo normal, que se usaban para planificar y probar las operaciones de conformado del metal. 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 este antiguo método. La simulación utilizada como prueba virtual es una simulación de formación de metal 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 considera un "resultado pasajero", la fabricación de la herramienta a menudo comienza 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 en sus procesos una capacidad de repetición que podría no encontrarse si utilizan conjuntos únicos de simulaciones como "prueba virtual". [6]
Usos de la simulación de conformado de chapa
Los modelos de material tipo Chaboche se utilizan a veces para simular efectos de recuperación elástica en el conformado de chapa. Estos y otros modelos de plasticidad avanzada requieren la determinación experimental de curvas de tensión-deformación cíclicas. Se han utilizado equipos de prueba para medir las propiedades de los materiales que, cuando se utilizan en simulaciones, proporcionan una excelente correlación entre el springback medido y calculado. [7]
Muchas operaciones de conformado de metales requieren demasiada deformación de la pieza en bruto para realizarlas en un solo paso. Las operaciones de estampado progresivo o de varios pasos se utilizan para dar forma incremental a la pieza en bruto 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 paso que simulan el proceso de conformado paso a paso. [8]
Otro objetivo común en el diseño de operaciones de conformado de metales es diseñar la forma de la pieza en bruto inicial de modo que la pieza formada final requiera pocas o ninguna operación de corte para que coincida con la geometría del 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 conformada resultante de la geometría ideal del producto. 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 de la pieza final coincide con la geometría de la pieza diseñada. [9]
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 mientras se mantiene la seguridad del vehículo en caso de colisión. Los materiales tienen mayor rendimiento y resistencia a la tracción que el acero convencional, por lo que el troquel sufre una mayor deformación durante el proceso de conformado, lo que a su vez aumenta la dificultad de diseñar el troquel. La simulación de chapa metálica que considera la deformación no solo de la pieza en bruto sino también del troquel se puede utilizar para diseñar herramientas para formar con éxito estos materiales. [10]
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 cerrados coincidieron con la predicción de la simulación. [11]
Nissan Motor Company utilizó la simulación de conformado de metal para abordar un problema de desgarro en una operación de estampado de metal. Se creó un modelo de simulación simple para determinar el efecto del radio del borde en blanco sobre la altura a la que se podría formar el material sin rasgarse. En base a esta información se diseñó un nuevo dado que resolvió el problema. [12]
Hay muchos programas de chapa disponibles en la industria como SolidWorks y LITIO. [13]
Referencias
- ^ Taylan Altan, Erman Tekkaya, "Conformado de chapa: procesos y aplicaciones ", Capítulo 3: Simulación de procesos, "Manan Shah, Partchapol Sartkulvanich, 31 de agosto de 2012.
- ^ Winfried Schmitt, Oleg Benevolenski, Tom Walde, Andriy Krasowsky, “ Caracterización de materiales para simulación de conformado de chapa ”, VIII Congreso Internacional de Plasticidad Computacional (COMPLAS VIII), Barcelona, 2005.
- ^ A. Anderssson, " Comparación de herramientas de simulación y prueba de conformado de chapa en el diseño de una herramienta de conformado ", Journal of Engineering Design , vol. 15, N ° 3, 2004.
- ^ W. Kubli, J. Reissner, " Optimización de procesos de conformado de chapa mediante el programa especial AUTOFORM ",
- ^ D. Banabic et al "Procesos de formación de chapa, modelado constitutivo y simulación numérica", 2010, páginas 218-230.
- ^ Anders Skogsgårdh, http://www.autoform.com/en/products/solution-tryout-part-production/application-examples-tryout-part-production/ Volvo Cars Manufacturing Engineering
- ^ Winfried Schmitt, Oleg Benevolenski, Tom Walde, Andriy Krasowsky, “ Caracterización de materiales para simulación de conformado de chapa ”, VIII Congreso Internacional de Plasticidad Computacional (COMPLAS VIII), Barcelona, 2005.
- ^ Tim Stephens, " Software de simulación de formación incremental ", Revista de formación de metales , junio de 2013.
- ^ Nikolaj Mole, Gasper Cafuta, Boris Stok, " Un método para la determinación óptima de la forma del blanco en el conformado de chapa basado en simulación numérica ", Journal of Mechanical Engineering , volumen 59, número 4, páginas 237-250, 2013.
- ^ KY Choi, MG Lee, HY Kim, “ Simulación de conformado de chapa metálica considerando la deformación del troquel ”, International Journal of Automotive Technology , diciembre de 2013, volumen 14, número 6, páginas 935–940.
- ^ " Simulación para estampado de acero ", diseño y producción de automóviles , 30 de marzo de 2011.
- ^ A. Makinouchi, " Simulación de formación de chapa en la industria ", Revista de tecnología de procesamiento de materiales , número 60, 1996, páginas 19-26.
- ^ Lisa Iwamoto, Fabricaciones digitales: Técnicas arquitectónicas y materiales " [1] ".