Nuevos materiales, nuevos sujetadores

El acero ha sido, es y seguirá siendo el material predominante para las estructuras de los vehículos y partes de la carrocería, como puertas, capós, portones levadizos y guardabarros. Pero otros materiales, como el aluminio, el magnesio, los plásticos y los compuestos, están adquiriendo cada vez más importancia.

Según el Centro de Investigación Automotriz, diversas aleaciones de acero representaron alrededor del 65 por ciento del peso de la estructura de un vehículo promedio en 2020. Las aleaciones de aluminio representaron el 13 por ciento, mientras que los plásticos y compuestos representaron el 6 por ciento. Sin embargo, para 2040, las aleaciones de acero representarán sólo el 46 por ciento de ese peso, mientras que las aleaciones de aluminio representarán el 26 por ciento y los plásticos y compuestos representarán el 15 por ciento.

Unir estos materiales dispares requerirá algunos sujetadores innovadores. Las propiedades que hacen que estos materiales livianos de la era espacial sean fuertes y rígidos también hacen que sean difíciles de ensamblar con sujetadores convencionales para plásticos y láminas de metal.

A continuación se muestran algunos de los últimos sujetadores para los materiales automotrices livianos de hoy en día.

El tornillo Flowpoint Delta PT de EJOT GmbH & Co. está diseñado para sujetar láminas de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP).

El nuevo tornillo combina dos tecnologías EJOT: el tornillo Delta PT para fijación directa en plástico y el tornillo de perforación por flujo FDS para fijación directa en metal, en un solo sujetador. El tornillo Flowpoint Delta PT es un tornillo autoperforante y autorroscante que penetra tanto en los materiales sujetos como en los materiales acoplados sin un orificio piloto. La punta especial perfora un agujero en los materiales y extruye un saliente. La geometría optimizada de la rosca Delta PT forma una rosca hembra resistente.

El proceso de instalación consta de seis pasos: rotación del tornillo y aplicación de una carga axial; calentamiento y penetración del material; calibración de orificios para tornillos y formación de una extrusión; formación de hilos; compromiso total del hilo; y apretando.

El sujetador produce una unión roscada de alta calidad sin ningún paso de preparación de la pieza. Disponible en acero, acero inoxidable A2 o A4, aluminio y titanio, el sujetador se puede utilizar con muchas variedades de CFRP. También se puede utilizar para unir conjuntos de materiales mixtos, como aluminio y CFRP. Es posible el desmontaje y montaje.

El sujetador se puede producir con una variedad de estilos de cabeza y huecos de accionamiento.

El elemento de fijación moldeado IMTEC HR de Böllhoff Inc. proporciona roscas hembra resistentes para fijar piezas a plástico reforzado con fibra.

El sujetador en forma de disco se coloca en el molde para una estructura compuesta y se integra durante el proceso de moldeo. No es necesario instalarlo en una orientación particular. Es compatible con la mayoría de las fibras y la mayoría de los procesos de moldeo termoestables y termoplásticos, incluido el moldeo por transferencia de resina, el moldeo por compresión y el moldeo por inyección.

Para el moldeo por inyección, el sujetador se coloca sobre un pasador fijado al molde. El pasador ubica el sujetador y protege los hilos en su interior para que no se recubran con resina. A continuación, se coloca la tela en el molde. Se cierra el molde, se inyecta el plástico y se desmolda la pieza con el sujetador integrado en ella.

Para el moldeo por compresión, el proceso es el mismo excepto que el pasador es una tapa de plástico desenroscable que también sirve para empujar las fibras hacia un lado para insertar el sujetador en la tela, eliminando la necesidad de perforar o perforar un agujero. Esto ahorra tiempo y evita cortar las fibras. La tapa también protege las roscas interiores durante el moldeo y se retira después de desmoldar la pieza.

Para resistir la corrosión galvánica, IMTEC HR está disponible en acero cincado y acero inoxidable. Este último se utiliza principalmente para CFRP. También están disponibles diferentes versiones de sujetadores, incluidos pernos, tuercas y espaciadores.

El sujetador presenta ojales y pétalos que están diseñados para incrustarse en el compuesto durante el moldeo. Esto evita que el sujetador gire cuando se instala el tornillo correspondiente. Además, dado que la brida del sujetador está ubicada detrás de la matriz de fibra, no afecta el espesor total de la pieza.

El elemento de fijación está fuertemente anclado en el material compuesto. Incluso bajo altas tensiones mecánicas,

el inserto seguirá la deformación del material compuesto pero no lo perforará, debido a su alta resistencia mecánica y su capacidad de absorción de energía. Los riesgos de agrietamiento se eliminan gracias a una distribución equilibrada de la carga.

El sujetador se recomienda para ensamblar piezas compuestas estructurales y semiestructurales, como puertas, portones traseros, pisos y estructuras de asientos.

EJOT ha desarrollado un proceso de soldadura por fricción, Ejoweld, que utiliza un sujetador de acero giratorio para unir rápidamente aluminio con acero sin necesidad de perforar o perforar las piezas.

Ejoweld es un proceso termomecánico. El calor se genera mediante la fricción rotatoria entre el sujetador sin rosca y el material base. El sujetador penetra la capa superior, que puede ser de aluminio o magnesio, y se suelda al material base, que normalmente es acero de alta resistencia. La capa superior queda atrapada entre la cabeza del sujetador y el material base.

La instalación es un proceso de cuatro pasos. Después de sujetar las hojas, el sujetador se coloca y se hace girar a alta velocidad contra la capa superior bajo fuerza axial. La cantidad de calor por fricción generado en el proceso depende de la configuración del sujetador, la velocidad de rotación y la fuerza axial.

Una vez que el sujetador ha penetrado la capa superior, la velocidad de rotación del sujetador aumenta para que genere suficiente calor para limpiar y preparar la superficie de la lámina inferior para soldar. Luego, el sujetador continúa girando hasta que se genera suficiente calor para ablandar ambos materiales. Ninguno de los materiales alcanza su temperatura de fusión y el proceso no genera chispas y genera poco ruido.

Finalmente, los rebajes de rotación y la carga axial aumentan y se mantienen, alterando así la punta y la parte inferior del vástago para crear una soldadura que sujeta de forma segura ambas láminas en su interfaz. Todo el proceso dura aproximadamente 1 segundo.

Para mayor resistencia, el proceso se puede utilizar junto con adhesivos.

El proceso Ejoweld es completamente automático. Los componentes del sistema incluyen un robot de seis ejes, una herramienta de ajuste, un alimentador para los sujetadores y un controlador.

El sujetador viene en tres versiones: CFF, SRE y REF.

El CFF es para juntas estándar de alta resistencia. Tiene una cabeza ancha y recortada para permitir que el material desplazado fluya hacia arriba alrededor de la parte superior de la penetración. La capa superior puede ser cualquier metal ligero con un límite elástico de 150 a 320 newtons por milímetro cuadrado. Puede tener de 1 a 4 milímetros de espesor. El material base puede ser cualquier aleación de acero con un límite elástico de 270 a 1.800 newtons por milímetro cuadrado. Puede tener de 1 a 2 milímetros de espesor.

La SRE tiene la mitad del tamaño del CFF. Tiene un perfil de cabeza más delgado, de modo que la cabeza se incrusta en el material que fluye hacia arriba, creando una junta de perfil más bajo. Es ideal para aplicaciones de bridas estrechas, como puertas y techos de vehículos. La capa superior puede ser cualquier metal ligero con un límite elástico de 150 a 320 newtons por milímetro cuadrado. Puede tener de 1 a 2 milímetros de espesor. El material base puede ser cualquier aleación de acero con un límite elástico de 600 a 1.800 newtons por milímetro cuadrado. Puede tener de 1 a 2 milímetros de espesor.

El REF sirve para unir una lámina de aluminio o plástico reforzado con fibra a una lámina de aluminio. Mientras que el CFF y el SRE tienen vástago macizo, el REF tiene un vástago hueco.

El proceso Ejoweld tiene algunas limitaciones. Primero, el equipo de instalación debe acceder a ambos lados de la pila. Además, la cabeza del elemento de fijación sobresale por encima del plano de la lámina superior, por lo que no es posible un aspecto enrasado.

Los sujetadores RIVTAC de Böllhoff Inc. unen láminas delgadas y livianas de aluminio, acero o metales no ferrosos a una superficie metálica más gruesa y pesada en milisegundos. No es necesario perforar ni perforar la capa superior. Se pueden unir láminas de metal duraderas y múltiples capas sin pérdida del rendimiento del material.

El sujetador está hecho de acero que se somete a un proceso de calentamiento en frío. Luego se lamina el vástago y todo el sujetador se trata térmicamente antes de recubrirlo con zinc-níquel para resistir la corrosión. El sujetador terminado tiene una clasificación 450 HV10, tiene 16 milímetros de largo y une pilas de metal de 3 a 6 milímetros de espesor.

Los componentes del sistema de instalación incluyen un alimentador de tazón vibratorio, una estación de carga, válvulas y unidades de potencia, una HMI y una herramienta de instalación de 90 libras montada en un robot de seis ejes. Antes de que comience el ensamblaje, los sujetadores a granel se introducen desde el recipiente a un riel en la estación de carga.

Luego, el cabezal de ajuste de la herramienta se acopla al riel, donde se empujan las tachuelas desde el riel hasta un cargador. Durante el montaje, la boquilla toca la superficie metálica y un cilindro neumático empuja una tachuela fuera del cargador a una velocidad de 20 metros por segundo. Esta velocidad produce suficiente energía para que la tachuela penetre las capas superior e inferior de la pila en sólo 6 milisegundos.

A medida que penetra en la pila, la tachuela desplaza el material hacia las roscas del vástago, lo que da como resultado un ajuste perfecto dentro de la junta. Cuando la tachuela alcanza su posición final, el cilindro se eleva nuevamente a su posición inicial y se repite el ciclo. Debido a la alta velocidad a la que la tachuela une pilas de metal, se puede utilizar con adhesivos.

El monitoreo del proceso de cada instalación de tachuelas es posible a través de la HMI. El módulo de monitoreo de procesos mide, muestra y analiza la fuerza de adherencia y el desplazamiento del material durante la instalación. También permite a los operadores almacenar, recuperar y transferir datos de curvas de proceso.

Semblex Corp. ha presentado el tornillo formador de roscas Rolok HS para unir acero de alta resistencia. Su exclusivo ángulo de rosca compuesto proporciona un rendimiento de ensamblaje excepcional al mismo tiempo que supera el daño y el colapso de la rosca que afectan a los tornillos roscados tradicionales.

El sujetador puede enrollar hilos en aceros de alta resistencia con una resistencia a la tracción de 500 a 1200 megapascales. Cada una de sus roscas presenta tres lóbulos asimétricos que forman roscas coincidentes en la tuerca o el miembro de tuerca. Un gran ángulo del flanco superior de la rosca aumenta la resistencia a la compresión y reduce la carga de corte, lo que evita el colapso de la rosca. Al mismo tiempo, un ángulo de flanco inferior estrecho permite la facilidad de mantenimiento con tornillos para metales estándar.

El sujetador tiene una buena relación entre accionamiento y despegado y proporciona una alta resistencia al aflojamiento relacionado con las vibraciones. Además, el vástago del sujetador es cónico para proporcionar autoalineación durante la instalación.

El sujetador estándar está disponible con un paso de 6 a 7, pero a pedido se puede producir una variante cónica corta con un paso de 4 a 5.

Se puede considerar el endurecimiento por cementación para aplicaciones que no son críticas para la seguridad cuando el material de acoplamiento tiene una resistencia a la tracción de 800 megapascales o menos. Todas las demás aplicaciones deben utilizar endurecimiento total con roscas de plomo endurecidas por inducción. Se encuentran disponibles una variedad de opciones de revestimiento y enchapado para cumplir con los requisitos específicos del cliente en cuanto a corrosión y rendimiento de las juntas.