El software de diseño de matrices ayuda a optimizar la absorción de energía y los objetivos de peso

Software de diseño de troqueles para aligeramiento. imágenes falsas

GNS North America es un proveedor de nivel 1 de acero prensado (PHS) o estampado en caliente; componentes estampados en frío; y subconjuntos soldados para la industria automotriz.

Fundada en Corea en 1971, la compañía emplea aproximadamente a 550 personas y opera 16 líneas de estampado PHS activas, 10 líneas de estampado en frío y varias celdas de ensamblaje y soldadura. Sus plantas están en Holland, Mich., Canton, Mich. y San José Iturbide, México.

El equipo de ingeniería de GNS North America experimentó desafíos con la producción de piezas para lograr los objetivos de peso y absorción de energía.

Los desafíos diarios de producción y cotización de GNS fueron:

Piezas de PHS. Los componentes son cada vez más complejos, tanto en su geometría como debido a las iniciativas de reducción de espesor y ahorro de peso. Esta combinación presenta desafíos únicos para el desarrollo de herramientas y procesos. La industria se esfuerza constantemente por reducir el peso, lo que lleva a GNS North America a estampar en caliente más piezas de PHS, o acero al boro-manganeso (sBarra lateral de imprimación de acero estampado en caliente ee).

El estampado en caliente produce componentes libres de tensión residual, que poseen propiedades de alto rendimiento y resistencia a la tracción. Sin embargo, debido a la dureza resultante, las características de orificios y ranuras de tolerancia estrecha y los bordes recortados deben cortarse con láser en un proceso secundario, lo que puede ser costoso.

Espacios en blanco a medida. Los clientes también exigen componentes con un rendimiento de absorción de energía optimizado para objetivos de seguridad y de peso. Estos requisitos han llevado a que los diseños de GNS evolucionen hacia componentes con espesores de múltiples materiales e incluso tipos de múltiples materiales. Los tres procesos utilizados actualmente que permiten la fabricación de estos diseños personalizados son piezas en bruto soldadas a medida, piezas en bruto laminadas a medida y piezas en bruto de parche a medida.

Los espacios en blanco soldados a medida (TWB) están hechos de láminas de acero individuales de diferentes espesores, resistencias y recubrimientos que se sueldan con láser. Este proceso posiciona el material con las propiedades correctas en los lugares correctos (ver figura 1).

Tailor Rolled Blanks (TRB) son láminas con una transición continua de un espesor a otro. Se fabrican en un laminador en frío.

Los espacios en blanco soldados a medida (TWB) están hechos de láminas de acero individuales de diferentes espesores, resistencias y recubrimientos que se sueldan con láser. Este proceso posiciona el material con las propiedades correctas en los lugares correctos. Imágenes: AutoForm Ingeniería GmbH

Los espacios en blanco de parche a medida son espacios en blanco 2D que se refuerzan localmente mediante la unión de espacios en blanco 2D más pequeños (parches) mediante soldadura por puntos o láser (consulte la Figura 2). Los parches crean zonas de grosor adicional en el blanco.

Requieren un diseño de herramienta único, posicionamiento de soldadura por puntos y deltas de espesor de material. El diseñador debe considerar esta variación de espesor y modelar las zonas de transición en las superficies de la cavidad del troquel donde el espesor del material cambia de espesor de material doble a espesor simple. Las ubicaciones de las soldaduras por puntos que adhieren los parches a la pieza en bruto son importantes para evitar la falla de la pieza, así como la falla de las soldaduras por puntos.

Estos desafíos impulsaron la necesidad de herramientas de simulación para ayudar a los equipos de diseño y desarrollo de GNS North America a predecir con confianza la formabilidad de los componentes al diseñar el proceso y las herramientas.

Luego de evaluaciones competitivas, el fabricante de estampados eligió arrendar el paquete de software de simulación de AutoForm como su herramienta de predicción de procesos. Luego, el equipo de ingeniería pudo calcular los resultados de formabilidad de forma rápida y precisa. GNS también utilizó el software de simulación para realizar microajustes en la velocidad de cierre de la prensa. El equipo también cambió las líneas de corte en blanco.

Los operadores experimentados de la planta encontraron una curva de aprendizaje baja con el software. Aquellos que no estaban familiarizados con el software recibieron una formación básica integral y algunos tomaron una formación avanzada para el estampado en caliente.

Una vez que el equipo entendió la herramienta de simulación y ganó confianza en la correlación entre los resultados físicos y los previstos, el software proporcionó información valiosa para todas las operaciones.

El equipo de GNS North America produce un componente de carrocería en blanco de gran volumen en sus instalaciones de Cantón y San José Iturbide para un OEM norteamericano. El equipo usó múltiples herramientas del paquete de software de simulación para eliminar con éxito los problemas y desafíos en la producción de la pieza.

Al revisar la simulación inicial, los diseñadores pudieron ver el engrosamiento y adelgazamiento previstos del componente formado. En este punto, el equipo necesitaba tomar decisiones sobre cómo mejorar el proceso, si era necesario cambiar el proceso de diseño, como agregar una carpeta y convertirlo en un proceso de dibujo en lugar de un formulario de bloqueo. Otro enfoque que consideró el equipo fue combinar el formulario de choque y las opciones de dibujo agregando almohadillas al formulario de choque para controlar áreas específicas de la hoja para reducir o promover el flujo de material. Estos ajustes podrían hacerse al principio del proceso de diseño.

Esta es una representación de un mosaico de sastre en blanco.

Eliminación del recorte láser. El equipo inició el proceso mediante el uso de funciones iterativas del software para optimizar la colocación y el tiempo de las almohadillas y aglutinantes requeridos. Este enfoque iterativo permitió que se completaran múltiples intentos de simulación en rápida sucesión.

A continuación, utilizó la capacidad iterativa de desarrollo de recortes del software de simulación para generar el perfil en blanco 2D optimizado que se adherirá a la tolerancia de borde de recorte requerida por el cliente. El software analizó el límite de la hoja para "ajustarse mejor" al límite objetivo e hizo ajustes automáticos para lograr un límite de acabado que se encontraba dentro de la tolerancia del perfil definido. Estos bucles de iteración le dieron al estampador la oportunidad de maximizar la eficiencia de procesamiento del equipo. También permitió desarrollar completamente una mayor parte de la pieza, de modo que se requirió menos recorte con láser. Luego, el fabricante compartió esa información con sus clientes para mantener su ventaja competitiva.

GNS desarrolló las líneas de ajuste en la mayoría de las vigas de impacto lateral usando el software (verfigura 3).

Perforación en matriz. Durante estas optimizaciones de procesos, el equipo reconoció una oportunidad adicional para incorporar tecnología de perforación en matriz. Aunque agregaba complejidad al juego de troqueles PHS, este hardware permitía agregar las funciones críticas de ranura y orificio de referencia de ubicación durante la operación de estampado en caliente y evitar la operación secundaria con láser.

Parche personalizado en blanco. Además, el OEM requería que el peso del componente se minimizara y utilizara una pieza en bruto de espesor personalizado. Esto habría requerido un costoso desarrollo inicial utilizando técnicas tradicionales. Sin embargo, el equipo pudo aplicar su experiencia con el software de simulación para acelerar la optimización y suprimir el costo.

El equipo de GNS utilizó las capacidades de simulación de parches del software para establecer patrones de soldadura por puntos en blanco. Los puntos de soldadura que adhieren los parches a la pieza en bruto también tuvieron que evaluarse para garantizar que su colocación no interrumpiría el flujo de material necesario ni se fracturaría durante el proceso de formación. Para configurar la simulación, el equipo definió el número y la ubicación de las soldaduras por puntos. Los resultados de esta configuración inicial dieron al equipo la oportunidad de visualizar las fuerzas normales y tangenciales ejercidas en cada punto de soldadura durante el proceso de formación. Estos resultados analíticos guiaron al equipo para predecir la falla de la soldadura interfacial y revisar el patrón de soldadura por puntos para eliminar la condición no deseada.

La interfaz gráfica de usuario del software le dio tiempo al fabricante para programar y procesar múltiples simulaciones rápidamente, respaldar el procesamiento de grandes RFQ, estudiar y ajustar componentes más desafiantes y desarrollar perfiles en blanco. Usando AutoForm-ThermoSolver, el equipo pudo ver la dilatación que causó el calentamiento de los espacios en blanco del material 22MnB5. Podría estudiar los efectos del tiempo de transferencia en los espacios en blanco calentados desde el horno hasta la herramienta, al tiempo que hace referencia al cumplimiento del diagrama de fase de transformación de enfriamiento continuo, la formación en prensa y las velocidades de enfriamiento. Todas estas herramientas le dieron al equipo información que podrían usar para optimizar su proceso conforme a tiempos de ciclo más eficientes.

Mediante el uso de las características de optimización iterativa del paquete de software de simulación, GNS North America ahora puede lograr bordes y orificios de corte desarrollados según los requisitos de calidad inicial del cliente del 80 % o más para los primeros aciertos y compras para respaldar las fechas requeridas del material inicial tanto en las vigas de impacto lateral como en la carrocería. componentes en blanco. Esto ahorra tiempo y dinero relacionado con las costosas operaciones secundarias de láser, que la empresa puede transferir a sus clientes.

Las piezas estampadas en caliente se forman a partir de acero endurecible a presión (PHS). El PHS contiene de 0,001 % a 0,005 % de boro carbono/manganeso. Es más comúnmente conocido como 22MnB5.

Imagen genérica de una viga de impacto lateral de sección de sombrero único. Tenga en cuenta que la pieza tiene un borde perimetral exterior completamente desarrollado y características de orificio y ranura.

El material preprocesado tiene propiedades mecánicas similares a los aceros de grado HSLA 300 y 340 ampliamente utilizados, con una resistencia a la tracción de alrededor de 400 MPa y 600 MPa para los grados 1500. Sin embargo, cuando el 22MnB5 se procesa termomecánicamente, su microestructura cambia, dando como resultado una microestructura martensítica. Este cambio se conoce comúnmente como una transformación de fase.

En cuanto al proceso, primero el acero se calienta a alrededor de 950 grados C y luego se transporta desde el horno hasta la matriz y la prensa con herramientas robóticas de extremo de brazo. Una vez que los espacios en blanco están ubicados correctamente en las cavidades del troquel, la prensa realiza un ciclo y la mitad superior del troquel se cierra sobre la mitad inferior del troquel para dar a la pieza su forma final y permanecer, mientras que los canales especiales de refrigeración por agua en los moldes del troquel extraen rápidamente el calor. de los espacios en blanco (verImagen 1).

La combinación de la alta temperatura y el rápido enfriamiento transforma el material en una pieza 100% martensítica que puede tener una resistencia a la tracción final de hasta 2.000 MPa. Si todo esto se hace con precisión, las piezas se pueden producir con una tolerancia del 100 % y sin recuperación elástica.

La imagen 2 muestra la resistencia a la tracción y el alargamiento del acero martensítico terminado superpuestos a los de otros aceros para demostrar visualmente las diferencias. Esto se hace para alcanzar los objetivos de peso y, al mismo tiempo, conservar las propiedades mecánicas de alta resistencia para el rendimiento general. Este comportamiento único del material es clave para aligerar las jaulas de seguridad, los pilares A y los pilares B.

Este acero único se ha utilizado en aplicaciones automotrices desde principios de la década de 1980, comenzando con Volvo, y continúa convirtiéndose en un material preferido seleccionado para componentes y subensamblajes de carrocería en blanco y de impacto automotriz.