Avances en uno mismo

Según un nuevo estudio de P&S Market Research, las ventas globales de tecnología de remaches autoperforantes (SPR) crecerán a una tasa anual acumulativa del 26 por ciento entre 2016 y 2022. P&S predice que los fabricantes de todo el mundo consumirán 45 mil millones de sujetadores en 2022.

Son muchos remaches. Anthony A. Salisbury, director comercial de remaches autoperforantes del Grupo Atlas Copco, se toma estas previsiones optimistas con reservas, pero aun así está de acuerdo en que las perspectivas para SPR son buenas. La razón, afirma, se puede resumir en una frase: aligerar el peso del automóvil. Para reducir el peso de los vehículos, los fabricantes de automóviles utilizan cada vez más materiales “exóticos”, como el aluminio y el acero de alta resistencia, en los componentes de la carrocería.

"La industria automotriz ha estado fabricando automóviles con aluminio y acero durante décadas, por supuesto, pero no con el tipo de aleaciones de aluminio y acero que hay en el mercado ahora", dice Salisbury. “A estos materiales no les gusta que los suelden. El aluminio se vuelve bastante quebradizo cuando se suelda. El acero de alta resistencia obtiene su resistencia del tratamiento térmico y perderá parte de esa resistencia si se suelda. Y, si desea utilizar ambos materiales en la carrocería de un vehículo, simplemente no puede soldar aluminio con acero de alta resistencia. Debes utilizar un sujetador mecánico y ahí es donde entra en juego el SPR”.

SPR es un proceso de unión en frío para sujetar dos o más láminas de material. Durante el montaje, el remache se introduce en la pila de material con una fuerza controlada, perforando la capa o capas superiores. El remache se expande radialmente hacia la capa o lámina inferior, bajo la influencia de una matriz, formando un fuerte bloqueo mecánico. El remache no atraviesa el último material. De principio a fin, la instalación tarda entre 1,3 y 3 segundos.

SPR se puede utilizar para sujetar una variedad de materiales, incluidos acero, aluminio, correas de nailon, plástico y caucho. También puede unir materiales galvanizados o prepintados sin dañar el revestimiento.

Dependiendo del material, con este proceso se pueden fijar espesores de material combinados de 1,6 a 8 milímetros. Idealmente, la capa inferior debería tener al menos 1 milímetro de espesor y la capa superior debería tener al menos 0,5 milímetros de espesor.

En comparación con otros métodos de unión, SPR tiene muchas ventajas. No se requieren orificios pretaladrados ni tratamientos superficiales. Es silencioso, fácilmente automatizable y no produce humos ni chispas. Puede unir múltiples capas de material y materiales mixtos. Produce uniones con alta resistencia estática y a la fatiga, y puede producir uniones estancas. También tolera la presencia de lubricantes o adhesivos en la zona de la articulación.

"Al unir acero con aluminio, siempre se coloca una capa de adhesivo entre los dos materiales", explica Salisbury. "El adhesivo previene la corrosión y mejora la resistencia a las vibraciones de la junta".

La SPR también tiene desventajas. Los remaches añaden costo y peso al ensamblaje. El proceso requiere acceso a ambos lados del conjunto y se requieren fuerzas de inserción relativamente altas. Mientras que la cabeza del remache puede quedar al ras con la superficie superior del conjunto, se produce un botón de unión en la parte inferior. No se pueden utilizar materiales frágiles, como el acero endurecido a presión, en el lado del troquel del conjunto.

Los SPR tubulares y semitubulares suelen estar fabricados de acero o acero inoxidable. Los diámetros varían de 3 a 7 milímetros y la longitud del cuerpo varía de 3 a 14 milímetros. Los estilos de cabeza estándar incluyen avellanada, plana, panorámica y abovedada. También se encuentran disponibles cabezales especiales, como pernos roscados, de hojalata, de doble cabeza y pasadores de separación.

Los remaches se pueden revestir con zinc; zinc y estaño; y AlMac (una combinación de zinc, estaño y aluminio).

Durante los últimos años, los fabricantes de remaches han tenido que adaptar sus diseños para incorporarlos a los nuevos materiales que están utilizando los fabricantes de automóviles.

“Cuando comencé a diseñar juntas SPR para vehículos en 1999, la industria automotriz utilizaba aluminio de la serie 5000. Era bastante suave”, recuerda Salisbury. “Las aleaciones que se utilizan ahora se parecen más al aluminio de calidad aeronáutica. Son mucho más duros y fuertes.

“Los SPR tradicionales no son lo suficientemente fuertes como para perforar y ensanchar estos aluminios de mayor resistencia. Las fuerzas que hay que aplicar para instalar estos remaches son mucho mayores que antes. A principios de la década de 2000, usábamos entre 60 y 65 kilonewtons para insertar un remache. Hoy en día utilizamos más de 85 kilonewtons para insertar el mismo remache en estas nuevas aleaciones de aluminio. Eso significa herramientas más grandes, más fuertes y más caras”.

La historia es la misma con el acero de alta resistencia. "A finales de los años 1990, trabajábamos con aceros que tenían una resistencia a la tracción de 250 a 350 megapascales", dice Salisbury. “Ahora estamos trabajando con aceros que tienen una resistencia a la tracción de 1.500 megapascales. Los remaches tradicionales simplemente no funcionan con estos materiales”.

Para resolver ese problema, Atlas Copco y otros fabricantes de SPR han trabajado mucho en el diseño de remaches. Los SPR actuales no sólo pueden perforar estos materiales más resistentes, sino que también pueden hacerlo con el mismo nivel de fuerza que los OEM necesitaban para la generación anterior de materiales. Eso significa que los OEM no necesitan invertir en herramientas y robots más grandes. Menos fuerza también reduce el riesgo de agrietar materiales menos dúctiles.

Los ensambladores tienen una variedad de opciones para instalar SPR. Para aplicaciones de bajo volumen, existen herramientas hidráulicas de acción rápida operadas manualmente y herramientas portátiles que funcionan con baterías.

Para aplicaciones de mayor volumen, el equipo de remachado puede ser estacionario, robótico o estar integrado en una celda de ensamblaje. De cualquier manera, el remachador y la matriz se montan en un marco en C, que debe ser lo suficientemente grande como para permitir el acceso a las áreas a remachar. La fuerza utilizada para instalar el remache puede provenir de un cilindro hidráulico o de un servomotor.

"La mayor diferencia en los últimos 10 años ha sido el uso cada vez menor de actuadores hidráulicos", dice Salisbury. “La mayoría de los fabricantes ahora prefieren la tecnología servo para instalar sus remaches. Con la tecnología servo, puede utilizar codificadores muy precisos que le indiquen si ha colocado el remache correcto en el lugar correcto y en el momento correcto. Estos sistemas pueden avisarle instantáneamente cuando algo sale mal. La servotecnología también es más eficiente energéticamente”.

Los ensambladores también tienen varias opciones para alimentar sujetadores al remachador. La alimentación de cinta es rápida, rentable y requiere poco mantenimiento. Con un sistema de alimentación por soplado, los remaches se suministran desde una tolva remota y se soplan a través de un tubo hasta el remachador. Los sistemas de alimentación simple y doble son ideales para aplicaciones de gran volumen. Los alimentadores de revistas están ubicados directamente en el equipo de remachado. Los remaches se suministran a las herramientas por gravedad. Estos sistemas proporcionan tiempos de ciclo rápidos y mayor libertad de movimiento para el remachador.

Cuál usar depende de la aplicación. "Se reduce a la flexibilidad", dice Salisbury. “Los tiempos reales de alimentación son más o menos los mismos. Un alimentador de cinta tiene menos piezas móviles. Es más robusto y más fácil de mantener. Sin embargo, cuando se acaba la cinta, alguien tiene que entrar a la celda para cambiar las bobinas. Los alimentadores de soplado y cargadores se pueden llenar desde fuera de la celda”.

Aunque SPR ofrece muchas ventajas para unir materiales ligeros pero resistentes, el proceso tiene tres limitaciones principales.

Primero, debido a la severa deformación localizada en las juntas SPR, pueden ocurrir grietas tanto dentro de la junta como en la superficie inferior de la junta cuando se unen materiales de baja ductilidad, como la aleación de magnesio o el aluminio fundido. Estas grietas pueden afectar negativamente al rendimiento mecánico y a la vida a fatiga de la junta.

Otra desventaja del proceso es que requiere acceso a ambos lados del conjunto. Como resultado, la técnica no se puede utilizar en estructuras cerradas o semicerradas, como las extrusiones de aluminio.

Finalmente, el SPR puede tener dificultades para sujetar acero de alta resistencia cuando se utiliza como material inferior en una pila. Debido a la gran resistencia a la deformación del acero de alta resistencia, es posible que el SPR no pueda formar un corte eficaz para bloquear mecánicamente todos los materiales.

Ahora, investigadores de la Universidad Jiao Tong de Shanghai han desarrollado una variación del proceso SPR (remachado autoperforante por fricción) que promete superar estas limitaciones. El nuevo proceso combina el mecanismo de unión mecánica de SPR con el mecanismo de unión de estado sólido de la soldadura por puntos por fricción y agitación.

El SPR por fricción se realiza de la misma manera que el SPR estándar, excepto que el remache gira a alta velocidad a medida que se empuja hacia la pila de material. Un proceso termomecánico, la SPR por fricción se puede realizar con o sin un troquel para soportar la parte inferior de la pila. Para materiales de baja ductilidad, se utiliza una matriz de puntas. Para apilamientos con materiales livianos en la parte superior y acero de alta resistencia en la parte inferior, se utiliza una matriz plana.

La fricción entre el remache y los materiales crea suficiente calor para ablandar los materiales y ayudar a formar el entrelazado, pero no tanto calor como para que los materiales se suelden entre sí en lugar de unirse mecánicamente.

La cantidad de calor que se genera depende de los materiales, el diseño del sujetador, la velocidad de rotación y la fuerza y ​​velocidad con la que se empuja el sujetador hacia la pila. Por ejemplo, para unir aluminio con magnesio se utiliza un proceso de dos etapas. En la primera etapa, el remache avanza lentamente (4 milímetros por segundo) mientras gira a alta velocidad (3600 rpm) para generar suficiente calor para ablandar los materiales. En la segunda etapa, el remache avanza a alta velocidad (11 milímetros por segundo), pero gira más lentamente (600 rpm) para lograr un gran ensanchamiento del vástago bajo la guía de la matriz.

Dirigidos por Li Yongbing, Ph.D., profesor de ingeniería mecánica en la universidad, los investigadores probaron con éxito su nuevo proceso en tres apilamientos de muestras: aleación de aluminio con aleación de magnesio; aleaciones de aluminio con acceso por un solo lado; y aleación de aluminio hasta acero de alta resistencia.

Otra variación del proceso es la SPR asistida por láser. Desarrollado por investigadores de la Universidad Tecnológica de Swinburne en Hawthorn, Australia, el SPR asistido por láser permite remachar magnesio y otros materiales de baja ductilidad sin agrietarse.

El craqueo del magnesio se debe a su escasa ductilidad y baja formabilidad a temperatura ambiente. Estas propiedades están inherentemente relacionadas con la estructura reticular hexagonal del metal. Sin embargo, el agrietamiento se puede prevenir calentando el magnesio y aumentando su plasticidad activando sistemas de deslizamiento adicionales en la estructura cristalina, según Yvonne Durandet, Ph.D., profesora titular de fabricación avanzada en Swinburne y líder del proyecto.

Un láser era una elección natural como fuente de calor debido a su capacidad para transferir calor de forma rápida y local. Ubicado junto al marco en C de la remachadora, el láser ataca cada ubicación de sujeción inmediatamente antes de instalar un remache. El tiempo total del ciclo es inferior a 5 segundos con una modificación mínima del equipo SPR existente.

Para su proceso, los investigadores utilizaron un láser Nd:YAG de 2,5 kilovatios y un sistema hidráulico de remachado. El remache se insertó a través de la capa superior, mientras que el rayo láser se centró en la capa inferior. La potencia media total entregada a la pieza de trabajo osciló entre 800 y 1700 vatios. El tiempo de permanencia del láser fue de 2,5 a 3,5 segundos, dependiendo del espesor de la pila y de la preparación de la superficie. Las superficies brillantes necesitaban más tiempo para calentarse que las opacas.

El proceso arrojó valores de resistencia de hasta 5.720 y 7.340 newtons, respectivamente, para juntas de aleación de magnesio con un espesor total de 4,7 y 6,4 milímetros. La resistencia de las uniones estuvo influenciada por la longitud y dureza del remache. Además, el modelado térmico indicó que todavía se pueden utilizar adhesivos junto con SPR asistido por láser, lo que mejoraría las propiedades de las juntas.