Informe Sobre Tecnologias Emergentes en El Sector Del Metal Proyecto EMERTEC Parte II

8/17/2019 Informe Sobre Tecnologias Emergentes en El Sector Del Metal Proyecto EMERTEC Parte II

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Informe final Observatorio del Metal 2011

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Situación actual de la tecnología y evolución previsible

Como se ha explicado anteriormente, el proceso de conformado electromagnético es

uno de los procesos de conformado de alta velocidad más atractivos que ha alcanzadoimportantes aplicaciones industriales en el conformado de metales. Hecho constatadomediante la realización del estudio de familias de patentes de entre las publicadas enlos últimos 4 años (2008 a 2011), que aluden a los términos conformadoelectromagnético y que están incluidas dentro de los epígrafes sobre procesos y/ooperaciones mecánicas de productos metálicos (chapa, tubo, alambre, perfiles, etc.)(ver detalles de la búsqueda en el anexo correspondiente). Mediante el análisis de lascitadas familias de patentes se puede apreciar que pese a estar bastante extendidadicha tecnología a nivel industrial, esta continua su avance protegiéndose nuevosdesarrollos tanto para la mejora del proceso en sí, como en la obtención dedispositivos específicos para la producción de piezas específicas.

Del análisis realizado, se advierte como China es el país líder con prácticamente un36% de las familias publicadas en el periodo estudiado. Siguiéndole Japón pero amayor distancia, con aproximadamente un 20% sobre el total de las familiasanalizadas. A continuación y ya alejados de estos dos se encuentran Estados Unidos yAlemania con entorno al 10% de las familias y por último, dentro de este grupo depaíses, con una actividad reseñable en este campo, se encuentra Corea con algomenos de un 10%.

En cuanto a la tendencia de la actividad en relación con la protección de métodos ydispositivos relacionados con la tecnología en cuestión, para los casos tanto de Chinacomo Japón ha ido en aumento hasta 2010. Siendo reseñable el caso de China que en

2010, experimentó un fuerte aumento. Pero en ambos casos la actividad a fecha decierre del informe ha experimentado un notable descenso. Para el caso del resto delos países citados, 2009 fue el año en que terminó el aumento de la actividadrelacionada con la protección de los conocimientos comenzando un descenso graduala fecha de cierre del informe.

Según la tipología de los solicitantes resulta significativo el hecho de que haya familiasque procedan de universidades o centros de investigación y no solo de empresas,como suele ocurrir en el caso de tecnologías más maduras, lo que denota que es unatecnología con nuevas posibilidades de aplicación. Muchas de las patentes se refierena mejoras sobre el proceso mientras que otras muchas son métodos o incluso

dispositivos específicos para piezas específicas o un material determinado.Al igual que en el caso de las tecnologías contempladas anteriormente, la mayoría delas empresas que continúan investigando en relación con este tipo de proceso, songrandes corporaciones que operan a nivel mundial, con miles de empleados y centroso unidades específicas de I+D. Las principales empresas con actividad dentro de estecampo están vinculadas al sector de los materiales, la maquinaria industrial y deconstrucción, microelectrónica, así como al de automoción.

Se han identificado familias de patentes cuyos solicitantes, de origen español, operanen el sector de la automoción.

Cada vez más se demandan procesos que mejoren la formabilidad de los materialescon el fin de obtener tolerancias dimensionales muy ajustadas. Procesos de altorendimiento productivo y de mayor flexibilidad de fabricación. A su vez también se


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fabricación de un conjunto de rodillos específico, lo cual encarece notablemente lainversión requerida. Además, la puesta a punto de toda la línea es compleja y puedeconsumir días o semanas, afectando el problema tanto al diseño de cada rodillo como

a los ajustes de la perfiladora, como las distancias entre ejes o la alineacióntransversal de las diferentes estaciones.

El flujo de trabajo tradicional en el desarrollo de productos perfilados es el que seobserva en el diagrama de la figura 2 (Izq.). A partir del diseño de la pieza a producirse definen los rodillos de cada etapa, que posteriormente se fabrican y montan en lamáquina perfiladora. A continuación, comienza un período de pruebas en que, amedida que se inspecciona la pieza que se va obteniendo, se van afinando los ajustespertinentes, con el objetivo de que el resultado final se adapte a las toleranciasespecificadas para el producto. Durante este período de ensayos puede suceder quecon las herramientas diseñadas la pieza no pueda cumplir esas tolerancias o incluso

que los rodillos o la propia chapa se rompan durante el proceso. De este modo, no setiene la certeza de que los rodillos diseñados van a conseguir que el conformado serealice con éxito hasta que ya se han fabricado. Habrá entonces que investigar dóndese encuentra el fallo y remecanizarlos o incluso volver a realizar su diseño total oparcial, en muchas ocasiones sin saber a ciencia cierta dónde estaba el problema. Deeste modo, un mal diseño conllevará una importante pérdida de tiempo y un esfuerzo ycostes elevados.

Figura 2. Flujos de trabajo en el desarrollo de productos de perfilado. Modelo tradicional (Izq.)y modelo avanzado que incluye simulación mediante elementos finitos (Dcha.).

En el desarrollo de rodillos de perfilado la experiencia juega un papel clave, más aúnteniendo en cuenta que es un proceso en el que la falta de conocimiento y de claridadacerca de lo que sucede en él es realmente muy importante. Además, incluso aunquela experiencia sea alta son necesarias pruebas continuas, pues cada producto secomporta de modo distinto y la cantidad de factores que influyen en el proceso es muyelevada. Para eliminar la necesidad de realizar el remecanizado y el rediseño de los

rodillos y también para reducir el papel que juega la experiencia en el proceso,recientemente comenzó a emplearse la simulación mediante elementos finitos (FEA,Finite Element Analysis) en el proceso de perfilado. Así, conociendo los resultados de


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la simulación, el diseñador puede anticiparse a los problemas que se vayan apresentar en el proceso real, identificando más fácilmente las fuentes de los errores ycorrigiéndolos antes de fabricar las herramientas y montarlas en máquina, con el

consiguiente ahorro de tiempo, esfuerzo y costes. Este análisis también permiteincrementar el conocimiento del diseñador sobre el proceso y mejorar así losresultados finales que sea capaz de ofrecer. Como se ve en la figura 2 (Dcha.) laintroducción de esta herramienta está cambiando el flujo de trabajo que la industriaemplea en el diseño de herramientas destinadas a perfilado, aunque en muchasocasiones y para productos muy sencillos aún se mantiene el esquema tradicional.

El perfilado es un proceso complejo en el que intervienen una gran cantidad devariables aunque la sección a conformar sea de geometría simple. Por este motivo, enla mayoría de los casos los defectos que aparecen en las piezas obtenidas no puedenpredecirse de antemano de forma sencilla y la única alternativa es acudir a

simulaciones de elementos finitos que estén realizadas correctamente. En la figura 3se observan algunos de los defectos que suelen presentar las piezas obtenidas por elproceso de perfilado. Aunque existe una amplia variedad, a continuación se detallanalgunos de ellos.

Recuperación elástica (springback). Al igual que ocurre con el plegado, ladeformación inducida por los rodillos se recupera parcialmente debido a queuna zona interna de la chapa permanece en el campo elástico.

Agrietamiento o fractura del material en las líneas de plegado (crack at bendlines). Este defecto aparece cuando el radio es demasiado reducido y elconformado se realiza de forma demasiado brusca. Los adelgazamientos

excesivos también son indeseados porque disminuyen la resistencia de lasección.

Desviaciones con respecto de la rectitud. Aparecen como consecuencia de lastensiones internas que se liberan tras cortar el producto a la longitud adecuada.Según la dirección en que se produzcan, pueden ser de tres tipos: arqueo obombeo (bow), en dirección vertical; curvado (camber ), en dirección transversaly retorcimiento (twist), que es el giro en torno a un eje longitudinal. Aparececuando el perfil no es simétrico con respecto a su plano medio.

Defecto por apertura o cierre de los extremos de las secciones delanteras ytraseras de la pieza (flare).

Ondulación en los bordes (edge waving). Tiene su origen en la deformaciónlongitudinal relativa de los extremos de las secciones con respecto al resto delperfil. Para reducir o eliminar este defecto conviene emplear una estrategia deperfilado que minimice las deformaciones longitudinales máximas.

Marcas superficiales (surface marks). Se producen habitualmente por ladiferencia de velocidad relativa entre los rodillos y la chapa. El empleo delubricante puede minimizar o evitar su aparición.

Distorsión en agujeros prepunzonados. El perfilado puede deformarlos o alterarsu posición. El efecto se compensa durante el propio punzonado a partir de los

resultados observados, con lo que la simulación puede ayudar a predecir cuáldebe ser esa compensación.


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Plegado al aire. Debido a la geometría del perfil, en ocasiones sólo se puedeapoyar con rodillos la zona exterior de las líneas de plegado, quedando lainterior al aire. Esto disminuye la precisión del perfil, pero los efectos pueden

minimizarse actuando sobre el diseño de los rodillos.

Figura 3. Ejemplos de diversos defectos típicos en las piezas perfiladas.

Sin embargo, Angel [2] propuso el “Método del ángulo de conformado” con el fin de

obtener un perfilado sin ningún tipo de defectos en el producto final. En este estudioasumió que un punto en el borde del perfil de la sección sigue una línea recta desde elprimer juego de rodillos hasta el último (figura 4).

Figura 4. Método del ángulo de conformado [2]

El ángulo de conformado está dada por: cot () = L/h = (n – 1)(d/h)

Donde, d es distancia entre conjunto de rodillos, h la altura de sección, el ángulo deconformado, L la longitud de conformado y n el número de etapas necesarias.

El valor del ángulo de conformado depende de la ductilidad del material que se utilizapara el proceso de perfilado. Para los aceros dulces con bajo contenido de carbono se

recomienda un valor promedio de 1,4 como resultado de los experimentos realizados.Por lo tanto cot() = cot (1,5) = 40,5 y n = 40,5(h/d)+1


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Con la ayuda de ese estudio, se puede encontrar el número de etapas para unageometría específica. Sin embargo, es claro que este método simplifica en exceso elproceso de perfilado. Para encontrar el número necesario de etapas, Ona y Jimma [3]

desarrollaron otro método con un nuevo parámetro propuesto, denominado “factor deforma” que se define como: = F n t Donde F es la longitud total de todos los elementos en la sección, n el número total deplegados y t el espesor de la sección.

Un elemento de una sección se define como un borde recto de una sección transversalsin ningún tipo de doblado. En el cálculo de la longitud F, se consideran sólo loselementos que se deforman. Por lo tanto, no se considera en el cálculo la bandainferior de una sección de canal. Después de encontrar el factor de forma, el valor seintroduce en un gráfico que tiene los resultados experimentales de las operaciones deperfilado y se encuentra el número de etapas N que se requieren (figura 5).

Figura 5. Método del factor de forma [3]

Para llevar a cabo el diseño de un juego de rodillos de perfilado a fin de obtener unapieza de chapa determinada es necesario conocer la geometría y material delproducto, así como las principales dimensiones y características de la máquinaperfiladora en que se van a montar.

Las principales características que se deben tener en cuenta en el diseño de rodillosde perfilado para una perfiladora universal típica (con eje superior e inferior

biapoyados en cada estación (figura 6) son las siguientes:

Número de pasadas disponibles.

Distancia entre estaciones o distancia entre centros horizontales.

Distancia entre los ejes superior e inferior de una misma estación o distanciavertical.

Distancia entre el eje inferior y la base de la máquina.

Longitud útil de los ejes o espacio para rodillos.

Relación de transmisión entre los ejes superior e inferior, si existe la posibilidad

de accionar el superior. La velocidad de rotación de los rodillos superiorespuede ser la misma o menor que la de los inferiores.


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Además, también son relevantes el diámetro de los ejes y las dimensiones de loschaveteros que transmiten la potencia de los ejes a los rodillos, ya que influyen en losdiámetros máximos y mínimos que podrán tener las herramientas.

Figura 6. Principales partes y dimensiones de una perfiladora universal de 10 estaciones.

Como proceso de conformado por deformación plástica, en el perfilado las tensionesque se aplican al material para plegarlo deben estar por encima del límite elástico peropor debajo de la tensión de rotura. De este modo, las deformaciones inducidas seránpermanentes y no aparecerá riesgo de agrietamiento o fractura. La otra característicamecánica relevante es la elongación o alargamiento a rotura del material. Cuantomayor sea, menor será el riesgo de agrietamiento de las fibras externas de lospliegues. Estas tres propiedades se pueden obtener fácilmente a partir de informacióntécnica proporcionada por el proveedor del material.

El metal será más fácil de perfilar (ya que la zona útil para el conformado será másamplia) en los siguientes casos:

Cuanto mayor sea la diferencia entre el límite elástico y la tensión de rotura.

Cuanto mayor sea la elongación a rotura.

Por tanto, se puede concluir que los materiales más difíciles de conformar son los dealto límite elástico y baja elongación a rotura. Los materiales que se emplean de formamás habitual en el proceso de perfilado de chapa metálica son aceros inoxidables yaleaciones de aluminio. En la Tabla 1 se ofrece una comparativa acerca de laconformabilidad de los metales más utilizados. Además, en perfilado se puede

conformar con éxito chapa previamente recubierta, por ejemplo galvanizada,especialmente si se emplea lubricante. También es habitual emplear materialprepintado, aunque la pintura es un recubrimiento más delicado que el cincado. Porello, en este último caso el conformado debe ser más suave y progresivo.


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Tabla 1. Conformabilidad de los principales materiales a los que se suele aplicar el proceso deperfilado de chapa metálica. (*) El titanio se perfila en caliente (por ejemplo, a 800 C).

Como es natural, también será necesario disponer de la información geométricacompleta de la pieza objeto del diseño. Esto incluye las tolerancias tantodimensionales como geométricas (Tabla 2). Los valores de referencia que aparecenen la tabla corresponden a las tolerancias que en muchos casos aseguran por defectolos fabricantes de productos por perfilado. Es posible bajar de estos valores, pero estoencarece el proceso. En el caso de las dimensionales de la sección transversal, esmuy complicado obtenerlas por debajo de 0.1 a 0.3 mm.

Tabla 2. Tipos de tolerancias a tener en cuenta en piezas de perfilado. (*) Los valores máspequeños corresponden a chapa fina (hasta 0.75 mm) y los mayores a chapa gruesa (de 0.75

mm en adelante).

Desde el punto de vista del proceso, la característica geométrica más crítica es elradio de perfilado (radio de plegado). Si es demasiado reducido, el material puedeagrietarse, por lo que los fabricantes suelen especificar para cada material su diámetro

mínimo de mandril. Sin embargo, la recuperación elástica es superior cuanto mayorsea el radio, ya que el porcentaje de deformación elástica aumenta. De este modo, el


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diseñador del producto debe intentar no sobrepasar el valor mínimo del radiorecomendado por el suministrador del material. Éste corresponde al plegado enprensa, aunque el perfilado suele ser menos restrictivo en ese sentido. En ausencia de

información del proveedor, puede acudirse a tablas empíricas o calcular la elongaciónde la fibra más externa y compararla con la de rotura.

La tarea del diseño de rodillos de perfilado no es sencilla, ya que existen pocas reglasgenerales y cada caso es diferente, incluso en secciones que a priori parecensimilares entre sí. Partiendo de la sección final, se eligen los ángulos de desplegadodel perfil en cada etapa hasta llegar a la chapa plana inicial (flor). Finalmente, sediseña estación a estación la geometría de los rodillos que permitirá realizar elconformado de forma adecuada y dentro de las especificaciones requeridas.

El primer paso al diseñar los rodillos para un determinado perfil es decidir quéorientación va a tener la sección al salir de la perfiladora. Se escogerá normalmenteaquélla que simplifique el conformado, aunque se debe facilitar la inspección visual departes del perfil que sean críticas, como las pestañas del perfil. En ocasiones puedehaber restricciones en la orientación procedentes de otros procesos que se realicen enla línea. Por ejemplo, si se va a realizar soldadura o marcado en la chapa interesa quelas superficies sobre las que se ejecuten estos procesos queden hacia arriba, parafacilitar su control por parte del operario.

La decisión del número de pasadas o etapas en que se realizará el conformado de lapieza a perfilar supone un compromiso entre la calidad del producto que se quiereobtener y el coste de la solución adoptada. Cuanto mayor sea el número elegido, elconformado es más progresivo, con lo que se reducen las tensiones internas que

merman las tolerancias del producto y pueden ocasionar ondulación en la chapa.Además, se disminuye el riesgo de fractura en los pliegues. Por el contrario, como eslógico, el rodillaje necesario es menor cuantas menos estaciones se empleen y por ellola inversión requerida también lo es. Aunque se han intentado desarrollar fórmulaspara estimar el número de estaciones necesarias, el factor clave a la hora de tomaresta decisión es la experiencia del diseñador. Las simulaciones mediante elementosfinitos pueden suponer una gran ayuda, ya que permiten determinar si el número deetapas elegido es suficiente o si en cambio se necesita un número mayor de pasadaspara conseguir alcanzar las especificaciones requeridas. Los principales factores deinfluencia de este parámetro y, por tanto, aquellos en función de los cuales se toma la

decisión son los siguientes: Las dimensiones y el espesor de la sección.

La complejidad del perfil.

Las propiedades mecánicas del material.

Las tolerancias que el producto debe alcanzar.

La presencia de agujeros prepunzonados, que puede aumentar el númeronecesario de estaciones, sobre todo si están en las cercanías de las líneas deplegado.

La existencia de recubrimientos previos que aconsejan emplear un conformado

más progresivo.


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Para diseñar los rodillos de cada etapa es imprescindible conocer la anchura quetendrá la chapa plana que se introduce en la máquina, es decir, el ancho de bandanecesario para obtener el perfil requerido. El ancho de banda se calcula como la suma

de las longitudes desarrolladas que corresponden a cada uno de los elementos rectosy curvos que componen el perfil:

Se asume que los rectos no modifican su longitud durante el conformado,aunque en realidad el material adelgaza algo en sus extremos.

Para los tramos curvos no se puede considerar que la línea neutra (la que noestá sometida ni a tensión ni a compresión) está en la línea media. A medidaque se va plegando el material, va pasando de estar en ella a estar hacia elinterior. Por tanto, si se tomara la línea media para el cálculo del ancho debanda, su valor sería superior al realmente necesario.

El método más empleado para calcular la longitud desarrollada de los pliegues es eldenominado como fórmula estándar, basado en la estimación de un factor k que indicalo cerca que está esa línea neutra de la línea media con respecto al espesor total delmaterial. La mayor parte de los métodos de cálculo de este factor están másorientados al plegado en prensas, con lo que los resultados no serán demasiadoprecisos para el perfilado. El parámetro k se puede estimar a través de diversosmétodos, entre lo que se pueden citar: Método de la norma DIN 6935, Método deBogojawlenskij, Método del engrapado (se aplica a pliegues de 180), Método deOehler, Método de Proksa o el Método de la norma VDI. También existe la posibilidadde introducir directamente el valor del parámetro.

El diseño del layout de los rodillos consiste en seleccionar los valores de ciertasdimensiones que condicionan el posterior diseño geométrico de los rodillos. Estascondiciones son:

Diámetro de los separadores o distanciadores (figura 7). Estos elementos sonrodillos que no participan en el conformado de la chapa: su única función esactuar como “relleno” en el eje en las posiciones en que no se van a colocarherramientas. Su empleo cumple dos objetivos:

1. Facilitar la alineación de los rodillos en la perfiladora, ya que el conjunto delos separadores y los rodillos de conformado se empuja contra los hombrosde la máquina.

2. Reducir costes, ya que al no participar en el perfilado, los distanciadores sefabrican en un material mucho más barato y tienen un diámetro menor queel de los rodillos de conformado.

Cálculo del diámetro mínimo de los rodillos, limitado por dos aspectos: lasdimensiones de la perfiladora y la resistencia necesaria para el conformado.

Cálculo del diámetro máximo de los rodillos, teniendo en cuenta la distanciavertical, la posición de la base de la máquina y la distancia entre estaciones.

Cálculo de los diámetros básicos o motrices que son los diámetros medidoshasta el punto en que la velocidad tangencial de los rodillos superiores seiguala con la de los inferiores. A través de ellos los rodillos transmiten lapotencia de avance a la chapa, por lo tanto, estos diámetros básicos debencontactar con el material en las zonas más adecuadas del perfil.


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Figura 7. Separadores y rodillos de conformado empleados en una de las estacionesdestinadas a la fabricación de un perfil en Z.

Fuentes usadas para este apartado

[1] Eduardo Cuesta, Pablo García, Vicente Castro, Pedro Fernández, Braulio Álvarez.Avances tecnológicos en el diseño de líneas de perfilado de la chapa. DeformaciónMetálica, Nº 310, 2010, 12-18

[2] Angel, R. T. Designing Tools for Cold Roll Forming, The Iron Age, Vol. 164, 1949,83-88.

[3] Ona, H.; Jimma, T., Kozono, H. A Computer Aided Design System for Cold RollForming, Advanced Technology of Plasticiy, Vol. 1, 1984, 508-511.


La utilización del conformado por laminación está ampliamente extendido, es uno delos procesos de fabricación más empleados en la transformación de productos dechapa. Aplicaciones del conformado por laminación se pueden encontrar en muchossectores industriales y de producción propiamente dichos, como por ejemplo en laindustria de automoción, del mueble y en construcción naval. Además también se usanperfiles en la producción de vagones de ferrocarril, en construcción para la realización

de elementos estructurales, barreras de seguridad, etc. e incluso en las lámparasconvencionales.

A pesar de ello, es una tecnología que continúa su evolución, persiguiéndose elobjetivo de optimizar sus condiciones de aplicación, abaratar costes y tiempos, mejorarlas características finales del producto, así como ampliar el espectro de las geometríasproducidas y materiales a utilizar. Debido precisamente a dicha permanente búsquedade mejora es fácil comprobar, a partir del análisis de la actividad de protecciónintelectual a nivel mundial, que la investigación en dicho campo continua,especialmente la procedente de determinadas áreas geográficas.

Observando exhaustivamente las patentes publicadas en el periodo 2008-2011 (ver

detalles de la búsqueda en el anexo correspondiente), destaca el liderazgo de lasprotecciones procedentes de Asia, representando éstas más de la mitad del total de


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familias publicadas a nivel global, durante el periodo considerado. En particular Chinaresulta el país más destacado a este respecto, por delante de sus inmediatosseguidores asiáticos Japón y Corea. Pero la investigación en torno a esta tecnología

también es destacable en otras áreas y países, como Alemania y Estados unidos,siendo éstos los dos países más destacados en cuanto a publicación de patentes,después de los mencionados asiáticos, aunque todavía a mucha distancia de China eincluso Japón (entre los dos países suman alrededor del 19% de familias de patentes,respecto a los datos globales).

En cuanto a la tendencia de la actividad en relación con la protección de métodos ydispositivos relacionados con la tecnología en cuestión, en el caso de China ha ido enligero aumento a lo largo del periodo estudiado, frente al ligero descensoexperimentado por el resto de los principales países analizados.

Así pues, pese a ser una tecnología ampliamente extendida, se advierte que el interéspor el desarrollo de la misma se mantiene, continuando la aparición de nuevasaplicaciones para la misma. Muchas de las patentes se refieren a mejoras sobre elproceso mientras que otras muchas son métodos o incluso dispositivos específicospara piezas específicas o un material determinado.

Al igual que en el caso de las tecnologías contempladas anteriormente, la mayoría delas empresas que continúan investigando en relación con este tipo de tratamientos,son grandes corporaciones que operan a nivel mundial, con miles de empleados ycentros o unidades específicas de I+D. Además, la mayor parte operan en sectoresvinculados a la automoción y en general aquellos que producen grandes tiradas depiezas con características específicas como la construcción.

Es previsible que este tipo de proceso continúe su evolución para mantener sucompetencia y para satisfacer la creciente demanda de construcción ligera,funcionalidad y precisión dimensional. Aunque España no se caracteriza por suactividad en lo que a protección industrial se refiere en este campo tecnológico, suaplicación sí se encuentra extendida entre algunas empresas que producen este tipode piezas para los sectores cliente mencionados. Es pues de esperar, que la extensiónde la aplicación de este proceso también continúe su avance en nuestro país.


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4.3.5. Conformado por láser

Caracterización técnica

El proceso de conformado láser se detalla en el diagrama de flujo siguiente:

Figura 1. Diagrama de flujo del proceso de conformado por láser [1]

En el conformado por láser cuando un rayo láser con una densidad de energía

suficientemente alta, que tiene una distribución gaussiana, irradia una chapa metálica,ésta absorbe parte de la energía del láser en la superficie. Esta energía térmica seconduce en el metal y se establece un gradiente de temperatura entre las superficiessuperior e inferior de la chapa metálica. La zona del metal irradiada se expande envolumen debido a un aumento de la temperatura. Así como cambia la temperatura delmaterial, también lo hacen sus propiedades mecánicas.

Cuando se alcanza una temperatura donde las tensiones térmicas del materialexceden el esfuerzo de fluencia del metal a esa temperatura, se produce unadeformación plástica. Después del barrido de irradiación, la zona calentada se enfríapor conducción del calor en el material. Dado que no se trata de fusión, la pérdida dela radiación es insignificante. Debido al enfriamiento, el material se contrae de manerano uniforme debido a la distribución de la temperatura, lo que provoca grandestensiones térmicas en el metal. La pieza metálica se deformará plásticamente para darcabida a estas grandes tensiones y por lo tanto se deformará sin necesidad de aplicarfuerzas externas. El conformado láser limita la degradación del material a capasdelgadas cerca de la superficie de la chapa.

Los factores que afectan el proceso de conformado láser son:

Potencia del rayo láser incidente

Diámetro del rayo láser

Distribución de la densidad de potencia del rayo láser

Absorbencia del metal

Velocidad de barrido del láser


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Número de repeticiones de barrido del rayo láser

Densidad del metal

Conductividad térmica del metal Calor específico del metal

Coeficiente de dilatación térmica del metal

Límite elástico del metal

Módulo de elasticidad del metal

Relación de Poisson del metal

Exponente del endurecimiento por deformación del metal

Dimensiones de la muestra

Temperatura de fusión del metal

Resistencia a fractura del metal

A través de la investigación se han establecido tres mecanismos principales de flexióno doblado para explicar el conformado debido al calentamiento por láser [2]. Cada unode los tres métodos se caracteriza por el gradiente de compresión creado por ladistribución de calor a través del espesor de chapa.

Mecanismo de gradiente de temperatura (TGM)

Este mecanismo requiere el uso de un diámetro de haz pequeño y una rápidavelocidad de procesamiento. Debido a la alta velocidad de procesamiento, el calor notiene suficiente tiempo para penetrar hasta la parte inferior de la chapa, lo que setraduce en un gradiente de temperatura a través del espesor. Esto se produce en unaregión de compresión cónica a través del material. No hay pérdida de material y elárea comprimida plásticamente forma una cresta en la cara caliente, mientras que laparte inferior de la chapa permanece, en gran parte, intacta. Esto da como resultadoque la chapa se doble hacia el rayo láser.

Para crear este gradiente térmico el rayo láser debe atravesar la pieza moviéndose auna velocidad tal que la profundidad térmica (z), sea pequeña en comparación con elespesor de la pieza (s0). La profundidad térmica viene dada, aproximadamente, por un

valor constante del número de Fourier (z2/t, donde es la difusividad térmica y t es eltiempo de interacción, t = D/v; D es el tamaño del foco y v la velocidad dedesplazamiento). Por lo tanto, el mecanismo de gradiente de temperatura es muyprobable que sea predominante si αD/(vs0

2 )≪1La cantidad de flexión o doblado por barrido no es muy grande, aproximadamenteentre 1 y 3º (figura 2). Es constante durante las primeras 10 a 20 pasadas para unmaterial dado, potencia del láser y tamaño del haz. Después de este número depasadas del ángulo de flexión empieza a caer por causa de un endurecimiento portrabajo y el engrosamiento del material en el borde doblado. El material aumenta suespesor debido a la deformación plástica.


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Figura 2. Ángulo de doblado en función del número de pasadas para una aleación de aluminio

2024 [2]Se pueden crear ángulos de curvatura positivos fuera del plano (hacia el rayo láser)con la elección de los parámetros de potencia del láser y la velocidad de barrido queproducen un doblado o curvado por TGM. La figura 3 muestra una ilustraciónesquemática del mecanismo de gradiente de temperatura.

Figura 3. Esquema del mecanismo de gradiente de temperatura

Las tensiones residuales presentes en la chapa metálica antes del proceso deconformado láser influyen en la dirección del ángulo de curvatura. Si hay tensiones decompresión en la superficie y tensiones de tracción en el centro de la chapa, la tensión

liberada durante el calentamiento se traducirá en la generación de un pre-curvadopositivo, avanzando a un ángulo de curvatura positivo en los barridos siguientes.Desde el TGM se ha observado que durante el calentamiento se desarrolla un ángulode curvatura negativo [3]. El ángulo de curvatura positivo resulta debido a la relajaciónde las tensiones residuales, lo cual ocurre primero en la superficie irradiada de lachapa. Mientras esto ocurre, la chapa adquiere una forma cóncava, lo que conduce aun ángulo de curvatura positivo. Se logrará una curvatura máxima si las tensiones decompresión en una superficie están totalmente aliviadas [3]. Gradientes detemperatura pronunciados, que son promovidos por el flujo de calor tridimensional,crean tensiones no-uniformes, deformaciones o distribuciones de temperatura,causando flexión a través del TGM. Este mecanismo de flexión se produce cuando el

radio (R) del haz es menor que el espesor (D) de la chapa.


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Mecanismo de pandeo

Este mecanismo se caracteriza por el doblado o flexión de la chapa lejos del rayo

láser. Se pueden obtener mediante este mecanismo ángulos de curvatura positivos ynegativos. La ausencia de un gradiente de temperatura a través del espesor delmaterial, una condición establecida por un flujo de calor bidimensional, se traduce enuna distorsión del material. Se emplea un diámetro de haz grande junto con una bajavelocidad de procesamiento, lo que resulta en un calentamiento casi homogéneo. Losángulos de curvatura son grandes y un solo barrido puede producir un ángulo decurvatura de hasta 15. El ángulo de curvatura es más redondeado que los producidospor el mecanismo de gradiente de temperatura. Este proceso se ilustra en la figura 4.

(a) (b)

Figura 4. (a) Esquema del mecanismo de deformación, (b) etapas del conformado láser por elmecanismo de deformación [1]

Mecanismo de recalcadoEl mecanismo consiste en un calentamiento homogéneo que da lugar a unacompresión plástica paralela, lo que provoca un acortamiento de la chapa. Estemecanismo se utiliza para conformar piezas espaciales como las que tienen forma detazón, que requieren una pérdida de superficie. Este mecanismo se ilustra en la figura5 y se conoce como “contracción en el plano”.

Figura 5. Esquema del mecanismo de recalcado

Los datos experimentales confirman la tendencia general de la relación entre el ángulode doblado flexión y los parámetros de funcionamiento. Entre las relaciones más

importantes tenemos:


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Efecto de la potencia. El doblado sólo puede comenzar cuando la capa superficial eslo suficientemente suave para deformarla plásticamente (aproximadamente 600Cpara la aleación Ti-6Al-2SN-4Zr-2Mo). Por lo tanto, hay un umbral de potencia

requerido para una determinada velocidad de desplazamiento antes de que el procesocomience. El ángulo de doblado responde de forma casi lineal con el aumento de lapotencia. Sin embargo, si la potencia supera un determinado valor, el ángulo dedoblado comienza a disminuir debido a un sobrecalentamiento de la capa superior,causando recristalización, y el calentamiento de la capa inferior que se supuso fríatotalmente. La expansión de la capa fría reducirá el ángulo de flexión al reducir latensión sobre la capa de compresión en la ruta del mecanismo de gradiente detemperatura, pero representa el inicio de la ruta de pandeo. La fusión y recristalizaciónpueden afectar el coeficiente de expansión. Un enfriamiento con chorros de aire o deagua puede mejorar la eficiencia del doblado. La figura 6 muestra estos efectos. En

este caso, una aleación de aluminio con una alta conductividad térmica y bajavelocidad se dobló por el mecanismo de pandeo, mientras que el acero se dobló através del mecanismo de gradiente de temperatura.

Figura 6. Influencia de la potencia del láser en el ángulo de doblado de la aleación AlMg3 y deacero al carbono, ST12 [2]

Efecto de la velocidad – “energía de línea” . Se espera que el ángulo de dobladosea inversamente proporcional a la velocidad para el mecanismo de gradiente térmicoe inversamente proporcional a la raíz cúbica de la velocidad durante el pandeo.Vollertsen [4] y otros han encontrado una relación más cercana a v-0.63. Dado que la

velocidad se suele asociar con la potencia absorbida, AP, la energía por unidad delongitud o “energía de línea” AP/v [J/m], ha sido considerada como un posibleparámetro para expresar los resultados de doablado. Los datos de Magee et al. [5],que se muestran en la figura 7, indican que por encima de cierta velocidad el ángulode doblado o plegado es aproximadamente constante para una energía de línea fija. Avelocidades más bajas el mecanismo de doblado se vuelve menos claro, bien podríaser una mezcla de pandeo y gradiente de temperatura. Esta relación cambia tanpronto como se produce otros factores como la expansión volumétrica debido a loscambios de fase (figura 8).


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Figura 7. Ángulo de doblado en función de la velocidad para una energía de línea constante(33 J/mm) y un solo barrido. La potencia del láser se varió de 250 a 1300 W y un haz de 10 mm

de diámetro [2]

Figura 8. Ángulo de doblado en función de la energía de línea para una aleación - Ti quemuestra el efecto de los cambios de fase. Potencia del láser 1300 W, diámetro del haz 10 mm,

material Ti-6Al-4V, 1 mm de espesor, recubrimiento de grafito, cinco pasadas [2]

Efecto de los materiales. Las propiedades del material se agrupan en th/(Cp) entodas las relaciones. Un gráfico de este parámetro en función del ángulo de dobladose muestra en la figura 9.

Figura 9. Relación lineal entre el ángulo de doblado y el parámetro [coeficiente de expansióntérmica/(calor específico densidad)] [2]


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Efecto de espesor – engrosamiento en el doblado. La dependencia prevista entreel ángulo de doblado y el espesor se da en la siguiente ecuación para el mecanismode gradiente de temperatura:

∆ Δ 2 y en la siguiente ecuación para el mecanismo de pandeo:

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El proceso de doblado o plegado es de compresión y de flujo plástico. Esto lleva a unengrosamiento de la línea de curvado o doblado, que es una de las principalesdiferencias entre el doblado láser y el plegado mecánico (figura 10). También es unade las ventajas del doblado por flexión, en particular para tubos a presión y elementossensibles a la resistencia. Sin embargo, tiene el efecto, junto con el endurecimiento portrabajo, de reducir el ángulo de flexión por pasada después de diez o más pasadas. Elporcentaje de engrosamiento por pasada es casi lineal (figura 11).

Figura 10. Engrosamiento de la aleación - Ti de 1 mm de espesor. El contorno muestra lazona afectada por el calor y la región del interior endurecida. (Potencia del láser de 250W,

diámetro del haz de 5 mm, velocidad de desplazamiento de 15 mm/s, recubrimiento de grafito,con enfriamiento entre pasadas [2]

Figura 11. Porcentaje de engrosamiento de la línea de doblado en función del número depasadas

Efecto del número de pasadas. Se espera que el ángulo de doblado sea el mismopara cada pasada y por lo tanto el doblado total sería proporcional al número de


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pasadas (figura 2). Para las primeras pasadas es así, después el ángulo de dobladodisminuye con el aumento del número de pasadas, debido al engrosamiento de lassecciones dobladas, al endurecimiento por deformación y a la variación del tamaño del

foco debido a un cambio de ángulo de incidencia a medida que crece la curva. Paramuchos metales, como el aluminio, el módulo de sección aumentado debido alengrosamiento se compensa con la reducción de la dureza en el calentamiento y, porlo tanto, el efecto de varias pasadas se ve disminuido y se mantiene una relación casilineal. Los resultados de las aleaciones que se endurecen, como la Ti-6Al-4V, sondiferentes. Algunos resultados de Magee et al. [6] se muestra en la figura 12. Para unaenergía de línea más baja el ángulo de doblado total se satura ya que la energíasuministrada no es suficiente para superar la resistencia requerida para el doblado.Una energía de línea más alta parece ser capaz de superar esto.

Figura 12. Variación del ángulo de doblado o curvatura con el número de pasadas para unaaleación Ti-6Al-4V con energías de línea diferentes, mostrando el efecto de los cambios de

fase. Diámetro de haz de 10 mm, 1 mm de espesor, recubierto de grafito [2]


[1] Annelize Els-Botes. Material characterisation of laser formed dual phase steelcomponents. Faculty of Engineering at the Nelson Mandela Metropolitan University,2005.

[2] William M. Steen, Jyotirmoy Mazumder. Laser Material Processing, 4th Edition.Editorial Springer , 2010, 558 págs.

[3] Vollersten F, et al. The laser bending of steel foils for microparts by the bucklingmechanism – a model. Modelling Simul. Mater. Sci. Eng., 1995, 107-119.

[4] Vollertsen F. Forming, sintering and rapid prototyping. In: Shoucker D (ed)Handbook of the Eurolaser Academy. Chapman and Hall, London, chap 6, 1998

[5] Magee J, Watkins KG, Steen WM, Calder NJ, Sidhu J, Kirby J. Laser bending ofhigh strength alloys. J Laser Appl 10(4), 1998, 149–155

[6] Magee J, Sidhu J, Cooke RL. A prototype laser forming system. J Opt Laser Eng34, 2000, 339–353.


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A partir de la realización del análisis de familias de patentes, publicadas en los últimos

4 años (2008 a 2011), que aluden al término laser y que están incluidas dentro de losepígrafes de la clasificación internacional de patentes, sobre procesos y/o operacionesmecánicas de productos metálicos (chapa, tubo, alambre, perfiles, etc.) (ver detallesde la búsqueda en el anexo correspondiente), se puede apreciar que aun estandodicha tecnología bastante extendida a nivel industrial, la mayoría de familiasanalizadas pertenecen a la industria, es una tecnología que se continúa desarrollando,ya que algunas de ellas proceden de universidades, principalmente chinas.

Observando de forma global las familias publicadas en el periodo 2008-2011, destacael predominio de las protecciones procedentes de Asia, representando éstas más de lamitad del total de familias publicadas durante el periodo considerado. En particularJapón y China resultan ser los países más destacados a este respecto, muy pordelante de sus inmediatos seguidores. Tanto en un caso como en otro, se observa quela actividad de protección en dicho campo ha aumentado a lo largo de los tresprimeros años del periodo estudiado, comenzando a disminuir a fecha de cierre deeste informe. La investigación en torno a esta tecnología también es destacable enotras áreas y países, como Alemania, Corea y Estados unidos, siendo éstos los másdestacados, después de los mencionados asiáticos, aunque todavía a mucha distanciade Japón y China, en cuanto a publicación de patentes (las protecciones en estospaíses representan un 15%, un 10% y un 7%, respectivamente sobre el totalanalizado). La evolución de la actividad de protección en estos últimos países,mantiene una tendencia de forma similar a China y Japón. Las protecciones han ido en

aumento de 2008 a 2010, para disminuir en 2011.Atendiendo a la tipología de los solicitantes resulta significativo el hecho de que hayafamilias que procedan de universidades o centros de investigación y no solo deempresas, como suele ocurrir en el caso de tecnologías más maduras, lo que denotaque es una tecnología con nuevas posibilidades de aplicación. Muchas de las patentesse refieren a mejoras sobre el proceso mientras que otras muchas son métodos oincluso dispositivos específicos para piezas específicas o un material determinado.

La mayoría de las empresas que continúan investigando en relación con este tipo deproceso, son grandes corporaciones que operan a nivel mundial, con miles deempleados y centros o unidades específicas de I+D. Las principales empresas con

actividad dentro de este campo están vinculadas al sector aeronáutico, del transporte,automoción y construcción.

La modelización en el proceso de conformado láser puede ayudar a proporcionar unabase para determinar el patrón de calentamiento requerido, por lo tanto, haceraplicaciones de conformado láser viables y rentables para la industria. Una de lasprincipales ventajas del proceso son los precisos ajustes incrementales, así como laaplicación flexible y no mecánica del efecto del retorno elástico (springback). Esteproceso ofrece un valor potencial para la industria como la aeroespacial, naval,microelectrónica, etc.

En España la tecnología está implantada en algunas empresas que dan un servicio

integrado de corte y conformado por láser a los sectores industriales anteriormentemencionados. Es por ellos que la extensión de la aplicación de este proceso tambiéncontinúe su avance en nuestro país.


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4.3.6. Tailored Blanks (TBs)

Caracterización técnica

La idea principal del concepto Tailor Blanks (TBs) es que cada uno de los blanksutilizados para la producción de piezas estructurales pueden tener distintos espesoreso estar compuestos por más de un material o incluso tener diferentes tipos derecubrimientos [1]. Es, por lo tanto, el montaje de chapa metálica que incluye áreascon diferentes espesores, materiales, recubrimientos, etc. Las chapas que constituyenel TB están soldadas o unidas con adhesivo. Por otra parte, una chapa o láminamonolítica se puede mecanizar para crear las variaciones de espesor requerido. A launión, soldadura o proceso de mecanizado le sigue un proceso de conformado que leaporta al TB su forma funcional como pieza estructural.

La posibilidad de contar con una distribución heterogénea de materiales y/o

propiedades geométricas dentro de la misma pieza estructural facilita la distribuciónóptima de los materiales implicando esto una significativa reducción de peso y costes.Por ejemplo, una pieza con condiciones de carga no uniforme se puede fabricar de unblank con dos secciones, con dos espesores diferentes (o materiales) de manera quela chapa o lámina más gruesa (más resistente) se utiliza en las zonas de mayor cargay el material o chapa más delgada (más débil) en los lugares con menor carga (figura1). El ahorro de peso conseguido por la aplicación del concepto TB en la industria delautomóvil está estimado entre 6 y 11% [2]. Además, la tecnología TB elimina lanecesidad de un mecanizado excesivo de piezas, minimiza el desperdicio de materialy el consumo de energía del proceso de mecanizado.

Figura 1. Ejemplo de aplicación del Tailored Blank en un en un panel lateral exterior [3]

El TB se está utilizando en la industria automotriz desde 1990. La aplicación de latecnología TB se ha generalizado tanto que muchos de los coches hoy en día incluyenuna o más piezas hechas a medida (tailor-made), existiendo empresas especializadas

que se dedican a la producción a medida de ciertas piezas de carrocerías deautomóviles.

Los TBs se fabrican por soldadura láser, soldadura por presión y soldadura porplasma. También se aplica la técnica de soldadura por inducción de alta frecuencia.

Para la soldadura láser la figura 2 muestra el rango donde se obtiene buenassoldaduras para unas chapas de acero dulce de 0.7 y 1.4 mm de espesor con unborde mecanizado y soldado, teniendo en cuenta la relación entre la posición del hazláser respecto de la línea de soldadura y la velocidad de soldeo. Cuanto más ampliaes la distancia el rango para obtener una buena soldadura es menor, ya que se generafalta de material, porque el cordón de soldadura se hace más delgado que las chapasdebido a la escasez de metal fundido. La figura 3 muestra la disminución de laconformabilidad debido a la disminución del espesor del cordón de soldadura, en un


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acero dulce, en función de la altura de conformado en el ensayo Erichsen. El espesordel cordón de soldadura debe ser más del 70% que el del material de base para evitarque la conformabilidad disminuya. Sin embargo, cuando se necesita un cordón de

soldadura igual de resistente a fatiga que el material base, es necesario controlar suadelgazamiento a un mínimo debido a las tensiones que se concentran en el cordónde soldadura cóncavo.

Figura 2. Ancho del espacio y rango parasoldar [3]

Figura 3. Influencia de la falta de material en elconformado [3]

Además de la falta de material, la porosidad puede disminuir la conformabilidad. Lafigura 4 muestra un aumento en el número de poros cuando el haz láser es de alta

densidad de potencia.

Figura 4. Cantidad de poros en función de la densidad de potencia [3]

En la actualidad, se utiliza un láser YAG para la fabricación de TBs. La longitud deonda de este láser es 1,06 m (1/10 de la del láser de CO2). Hay que tener en cuentatambién que la capacidad de absorción de luz de la superficie del metal depende de lalongitud de onda. En general, cuanto menor sea la longitud de onda, se absorbe la luzmás fácilmente. Una comparación de eficiencia para fundir (volumen de líquido porunidad de energía) entre estos dos tipos de láser reveló que el YAG es dos o más


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veces mayor. Como resultado, es posible soldar con láser YAG a una velocidadsuperior.

En la soldadura por plasma, los parámetros utilizados son la velocidad de soldadura, lacorriente de soldadura, el flujo de gas de protección y el diámetro de la boquilla. Lascondiciones típicas de esta soldadura se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Condiciones de soldeo típicas para la soldadura por plasma [4]

En comparación con otros métodos de soldadura aplicada al TB, la soldadura porplasma es inferior en cuanto a eficiencia se refiere. Por lo tanto, se han estudiadodiversas formas para mejorar la eficiencia, especialmente la velocidad de soldadura. Elfactor que determina la velocidad de soldadura es la aparición de una deposiciónirregular causada por la aplicación de una elevada corriente de soldadura como semuestra en la figura 5. Con el fin de mejorar la eficiencia de la soldadura por plasma,es necesario asegurar la penetración completa con una intensidad de soldeomoderada o reducir la presión del arco.

Figura 5. Efecto de la intensidad de soldeo y la velocidad de soldeo en la configuración de lagota [4]

La soldadura por presión se ilustra esquemáticamente en la figura 6. Las condiciones

básicas para este proceso son: intensidad de soldadura, presión aplicada(superposición de ancho, fuerza de soldadura) y velocidad de soldadura.

Figura 6. Esquema del proceso de soldadura por presión [4]


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La figura 7 muestra la influencia de la velocidad de soldadura en la intensidad desoldeo adecuada para obtener un cordón de soldadura sin defectos. Cuando laintensidad se incrementa gradualmente a una velocidad de soldeo constante, es

posible obtener una buena unión, provocando la fractura en el metal base en unensayo de tracción. La intensidad a la que se obtiene una unión soldada se llamaintensidad límite inferior. Cuando la intensidad se incrementa aún más, se producensalpicaduras en la interfase de la junta. La intensidad a la que se produce estefenómeno se llama intensidad límite máxima. Cuando la velocidad de soldadura seincrementa, el tiempo durante el cual se conduce la corriente en la chapa disminuye,obteniendo una entrada de calor insuficiente. Como resultado, la intensidad límite sedesplaza hacia el lado de intensidad más alta.

Figura 7. Efecto de la velocidad de soldadura en intensidad de soldeo [4]

Los resultados de los ensayos de conformabilidad se trazan en los “diagramas de

límite de conformado”, valores de deformación mínimos y modos de fallo. Laconformabilidad en el TB está influenciada por la microestructura de la soldadura y lazona afectada por el calor, en particular. En general, las aleaciones de aluminio sonmás frágiles cuando el tamaño de grano aumenta ya que ocurre la fracturaintergranular con más facilidad. Sin embargo, este no es el caso de las aleacionesaluminio-magnesio, en el que un aumento del tamaño de grano genera grandesalargamientos bajo carga de tracción uniaxial. Sato et al [5], demostraron que hay untamaño de grano óptimo para el que la conformabilidad es óptima. Nagasaka et al [6],informaron de que la embutición profunda de aceros de alta resistencia en los TBs sedeteriora con el aumento del carbono equivalente. La relación de espesor tambiénafecta la conformabilidad en el TB.

Tanto el método de soldadura como los parámetros de soldadura pueden influir en laconformabilidad. Miles et al [7] demostraron que la soldadura por fricción batida (FSW)de TBs se puede conformar mejor que TBs soldados con TIG.


[1] Amir Abbas Zad Poor. Tailor-made blanks for the aircraft industry. PhD Thesis ofthe Technische Universiteit Delft, The Netherlands, 2010, 246 págs.

[2] B. Rooks. Tailor-welded blanks bring multiple benefits to car design. AssemblyAutomation, vol. 21, 2001, 323-328.

[3] Yasunobu Miyazaki, Koji Hashimoto, Yukihisa Kuriyama, Junichi Kobayashi.

Welding Methods and Forming Characteristics of Tailored Blanks (TBs). Nippon SteelTechnical Report, Nº 88, 2003, 39-43.


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[4] Yasunobu Miyazaki, Tatsuya Sakiyama, Shinji Kodama. Welding Techniques forTailored Blanks. Nippon Steel Technical Report, No. 95, 2007, 46-52.

[5] Y. S. Sato, Y. Sugiura, Y. Shoji, S. H. C. Park, H. Kokawa, and K. Ikeda. Post-weldformability of friction stir welded Al alloy 5052. Materials Science and Engineering A,vol. 369, 2004, 138-143.

[6] A. Nagasaka, K. I. Sugimoto, M. Kobayashi, K. Makii, and S. Ikeda. Pressformability YAG laser welded TRIP/DP tailored blanks. Journal De Physique IV, vol.115, 2004, 251-258.

[7] [29] M. P. Miles, B. J. Decker, and T. W. Nelson. Formability and strength of frictionstir welded aluminum sheets. Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 35A,2004, 3461-3468.


Aunque la aplicación industrial del Tailored Blank comenzó hace alrededor de 20 años,esta tecnología continua su evolución y desarrollo en la actualidad, debidoprincipalmente al surgimiento de nuevas aplicaciones para el sector de la automoción,en el que resulta ser una buena alternativa. Atendiendo a las familias de patentesrelacionadas con los términos tailored y blank (ver detalles de la búsqueda en el anexocorrespondiente), correspondientes a los últimos 4 años (2008 a 2011), su número esmuy bajo, especialmente si comparamos esta tecnología con algunas de lasestudiadas en este informe.

Del análisis de las familias de patentes realizado que incluyen los términosmencionados, se advierte como Alemania, país predominante durante los años 2008-2009, ha cedido la primacía a Japón que en 2010 ha aumentado significativamente elnúmero de familias de patentes publicadas. Así mismo se aprecia que tanto Chinacomo Estados Unidos mantiene la protección industrial de esta tecnología.

En la tabla siguiente pueden verse las familias de patentes identificadas de los paísesmás destacados, según su fecha de publicación y país origen del solicitante.

Año depublicación

País origen del solici tante

Alemania Japón China USA2008 2 4 1 22009 6 2 2 32010 4 8 2 22011 2 3 2 1

TOTAL 14 17 7 8Fuente: elaboración propia con datos extraídos de Matheo Patent Software (datos disponibles hastanoviembre de 2011)

Así mismo en el análisis de las familias de patentes publicadas realizado se haobservado una evolución de algunas de las patentes estudias, en cuanto al ámbitogeográfico de protección de las mismas. Es decir, patentes solicitadas en un añodeterminado a nivel nacional, en el país origen del solicitante, posteriormente han


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ampliado su protección a nivel europeo, mundial, o en países de origen asiático (parael caso de patentes no procedentes del citado origen).

En cuanto a la tipología de los solicitantes resulta significativo el hecho de que muchasde estas patentes procedan de universidades, principalmente chinas, y no solo deempresas, como suele ocurrir en el caso de tecnologías más maduras.

Las empresas interesadas por la tecnología en cuestión están relacionadas con laindustria automotriz, siendo todas ellas fabricantes de automoción o empresasproveedoras de productos y/o materiales para la citada industria.

Cada vez más la industria de la automoción demanda componentes más ligeros, conel mismo rendimiento técnico, lo que contribuye a la reducción de peso y mejora de laseguridad de los automóviles.

Mediante esta tecnología se puede obtener lámina de acero para su posterior

conformado a presión que combine varios grados y/o espesores diferentes y/orevestimientos diferentes, las distintas partes se unen mediante soldadura, con el finde obtener el mejor material con el espesor adecuado, adaptado a un requisitoespecífico (mayor resistencia, mejor resistencia a la corrosión, etc).

Mediante el uso de Tailored Blank es posible modificar las propiedades de cada unade las partes de la pieza, mejorar el rendimiento técnico sin aumentar el peso (mayorrigidez, mejor absorción de energía, mejor comportamiento al golpe) así como reducirel número de piezas que formen el conjunto, optimizando el uso de materiales(reducción del uso de materiales y menos producción de chatarra debido a laanidación) y acortando el proceso de fabricación, reduciendo el proceso de

conformado y las herramientas de montaje necesarios.La utilización de esta tecnología permitiría lograr avances significativos en un sectorcomo el de automoción, cuyo objetivo de disminuir el consumo de combustible,aumentando al mismo tiempo la seguridad, le llevan a desarrollar componentes deacero cada vez más ligeros, sin pérdida de sus propiedades iniciales. En el casoparticular de España, dada la importancia del sector de la automoción, dentro delsector del metal, las empresas vinculadas al mismo es previsible que se vieranafectadas de algún modo (en el uso de materiales, procesos, etc.), por un posibledesarrollo de esta tecnología a nivel global.

4.4. FUNDICIÓN

Características de las empresas y tendencias generales

La fundición consiste en un proceso de fabricación de piezas, comúnmente metálicaspero pueden ser de plástico también, que consiste en fundir un material e introducirloen un molde donde se solidifica.

El proceso de fundición tradicional es la fundición en arena, por ser ésta un materialrefractario muy abundante y que una vez mezclada con arcilla adquiere cohesión ymoldeabilidad sin perder la permeabilidad que posibilita evacuar los gases del molde altiempo que se vierte el material fundido.

La fundición en arena consiste en colar un material fundido, en un molde de arena,dejarlo solidificar y posteriormente romper el molde para extraer la pieza fundida. Para


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la fundición con metales como el hierro o el plomo, que son significativamente máspesados que el molde de arena, la caja de moldeo es a menudo cubierta con unachapa gruesa.

La siguiente figura muestra el mapa de los procesos que se llevan a cabo en lafunción:

Figura 1: Mapa de los procesos en fundición

Fuente: Federación Española de Asociaciones de Fundidores (FEAF)

Existen una amplia variedad de sistemas de moldeo para la fundición de metales, quese utilizan en función de las características finales del producto que se pretendenobtener y del material que se está fundiendo. Según datos de la Federación Españolade Asociaciones de Fundidores (FEAF), los sistemas de moldeo más comúnmenteutilizados por las fundiciones españolas son los siguientes:

Moldeo en cáscara

Moldeo por centrifugación

Moldeo cerámico

Moldeo a la cera perdida

Moldeo por colada continua

FUNDICIÓN

PREPARAR

Máquinas y

sistemas La

Carga Hornos Arenas Moldes

Reconstrucción

de las Formas

Gravedad Inyección

Fusión

Colada

Enfriamiento

Solidificación

Operaciones de

acabado

Tratamientos

Mecanizado

FUNDICIÓNFUNDICIÓN

PREPARARPREPARAR

Máquinas y

sistemas

Máquinas y

sistemas La

CargaLa

Carga HornosHornos ArenasArenas MoldesMoldes

Reconstrucción

de las Formas

Reconstrucción

de las Formas

GravedadGravedad InyecciónInyección

FusiónFusión

ColadaColada

Enfriamiento

Solidificación

Enfriamiento

Solidificación

Operaciones de

acabado

Operaciones de

acabado

TratamientosTratamientos

MecanizadoMecanizado


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Fundición en coquilla

Fundición por inyección

Disamátic Moldeo manual

Moldeo mecánico

Modelo perdido

En cuanto a los materiales de fundición destacan los siguientes:

HIERRO ACERO NO FÉRREOS

Fundición gris Al Carbono Aluminio y aleaciones

Fundición nodular Baja aleación Cobre y aleaciones

Otras aleaciones Inoxidable Otras aleaciones

Refractario

Al Manganeso

Fundición blanca

Fuente: Federación Española de Asociaciones de Fundidores (FEAF)

Los sectores que más comúnmente hacen uso de los procesos de fundición demetales son industrias como la de automoción, de valvulería y accesorios paratuberías, la de energía eólica o la construcción.

Las empresas europeas más destacadas en el sector de la fundición comparten unaserie de rasgos que las hacen más competitivas frente a sus homólogas ubicadas enel mismo continente. Estos rasgos comunes fueron analizados en estudios anteriores

de este Observatorio (ver TECLA I y II). A continuación se indicarán las característicasmás destacables identificadas entonces y que inciden directamente en la previsibleevolución tecnológica del sector a medio y largo plazo.

Las inversiones en tecnología y en actividades de I+D son aspectos clave para lasempresas punteras europeas del sector de la fundición. Las empresas y/o gruposempresariales suelen contar con su propio departamento o centro de I+D, además decolaborar habitualmente con universidades y centros de investigación. Esto les permiteposicionarse en nichos de mercado con alto valor añadido y ofrecer productos yservicios más competitivos. Además, estas inversiones también les permiten innovar ymejorar en las tecnologías y procesos de fundición tradicionales, así como incorporartecnologías novedosas. Por ello, en este apartado no solo se reflejan las tendenciasdetectadas como emergentes, por estar en periodo de expansión y desarrollo, sino


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también las correspondientes a tecnologías ya maduras que están en constanteproceso de evolución.

Por otra parte, el diseño de los productos fundidos es también fundamental para granparte de estas empresas punteras, incorporando en sus procesos herramientas dediseño, de cálculo y simulación, de prototipado rápido, etc.

En los últimos años, además, las cuestiones medioambientales se han convertido enfactores determinantes del sector, especialmente las actividades relacionadas con laeficiencia energética y la disminución del consumo de energía en las empresas delsector. Teniendo en cuenta la tendencia hacia un mayor coste de la energía y elintensivo consumo de la misma que se da en este sector, las empresas apuestan cadavez más por procesos y tecnologías más eficientes energéticamente y que contribuyana reducir su gasto energético.

Muchas de las empresas destacadas a nivel europeo son grandes empresaspertenecientes a grandes corporaciones, con excepción de aquellas que se dirigen anichos de mercado. Este tamaño, les permite tanto abordar mercados internacionalescomo aprovechar sinergias entre diferentes empresas, pudiendo en este caso integrarprocesos complementarios al de fundición (tales como los tratamientos térmicos osuperficiales o el mecanizado).

Un gran número de las empresas más competitivas a nivel global cuentan conpatentes propias, tal y como se puede observar en el análisis de patentes realizado.En general, se pretende incorporar tecnologías novedosas que faciliten el proceso defundición, haciéndolo más flexible y adaptable a los requisitos de los clientes, así comoa los requerimientos de los nuevos materiales. El objetivo, pues, es lograr laimplantación de procesos innovadores que permitan flexibilizar la producción demanera competitiva para series cortas.

Finalmente, existen una serie de tecnologías consideradas horizontales en el marcodel presente estudio y que también son de especial relevancia en la evolución delsector de la fundición. Entre otros, se tiende hacia una mayor automatización del losprocesos y el uso de robots industriales, así como un creciente uso de sistemassensores y TICs en la gestión y control de los procesos o la optimización del ciclo devida completo a través de la simulación y modelización.

Los tres países más destacados a nivel europeo son Alemania, Italia y Reino Unido

ocupando los tres primeros puestos en el ranking de países con mayor producción.. Aéstos les siguen Francia y España

A pesar de la importancia del sector español, se debe realizar un importante esfuerzopara adaptarse a las innovaciones tecnológicas surgidas en los últimos años y paraaplicar, a nivel industrial, tecnologías emergentes que empiezan a considerarse deextensa aplicación tanto en otros países europeos como fuera de las fronteraseuropeas.

Tendencias tecnológicas estudiadas

Actualmente, las tecnologías empleadas por las empresas de fundición sonnumerosas y diversas, adaptándose en gran medida a los requisitos de los materialesutilizados en la fundición y de los productos resultantes de ella. Las tecnologías de


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plasma, de fundición en semi-sólido, el procesado de espumas y materiales porosos,así como el de otros materiales compuestos y avanzados, son algunas de lastecnologías que están en evolución en este sector. Al tratarse de tecnologías diversas,

su evolución tecnológica es distinta, así como su madurez. Por lo tanto, los campos deinvestigación que se están desarrollando son diversos: desde estudios relativos aldesarrollo y procesado de materiales con propiedades más adaptadas a aplicacionesconcretas, hasta los análisis sobre la mejora de la productividad y de la eficienciaenergética y de ciclo de vida de los procesos de fundición. También resultanrelevantes los avances en relación con procesos que permitan elaborar piezas desemi-acabadas (near-net-shape).

En general, en el sector de la fundición las tecnologías han ido evolucionandoparalelamente a los requisitos establecidos por parte de los principales sectoresclientes. Así, estos nuevos requisitos han supuesto la necesidad de adaptar los

procesos tradicionales de fundición a nuevas aleaciones y/o a nuevos materiales,como es el caso de los Materiales Compuestos de Matriz Metálica. Además, en losúltimos años también se están incorporado nuevas tecnologías que permiten hacermejorar los procesos de fundición, aportando mayor flexibilidad y adaptabilidad almismo tiempo que contribuyen a aumentar la competitividad de las empresas, como esel caso de las tecnologías de plasma. Estos desarrollos pueden suponer unaalternativa a las tradicionales procesos de fundición o pueden complementarlos, porello, su desarrollo es constante abriendo la puerta a nuevas investigaciones ydesarrollo de patentes.

A pesar de que las tendencias técnológicas podrían ser tan numerosas y variadas

como los materiales y los procesos utilizados en el sector de la fundición, para laelaboración del presente informe se ha realizado una selección de los mismos. Estaselección esta basada en un análisis de la evolución tecnológica del sector en losúltimos cuantro años, atendiendo a las patentes, presentaciones en congresoscientíficos especializados, artículos científicos y recientes aplicaciones industriales.Todo ello, en el marco de la tecnología descrita en el apartado 2 de este estudio.

De esta manera, se han analizado y estudiado de manera más profunda lastecnologías que se enuncian a continuación, como exponente de la evolucióntecnológica del sector y se han desestimado otras tecnologías que hubieran merecidotambién un estudio específico pero no ha sido posible abordarlo por el alcance de este

trabajo.Teniendo en cuenta la importancia tanto de los materiales como de las tecnologías deprocesado en la fundición, las tecnologías analizadas en este informe, en términos deevolución tecnológica, han sido los siguientes:

o Tecnologías de plasmao Tecnologías de fundición near-net-shape

Rheocasting Thixoforming Belt Casting Technology

o Infiltración con presión (Squeeze Casting) para materiales avanzados y

compuestos


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4.4.1. Tecnologías de plasma

Caracterización técnicaLa eficiencia energética y la minimización de los residuos marcarán la competitividadde las empresas del sector de la fundición en el futuro. El desarrollo y aplicación deprocesos de fusión avanzados y energéticamente eficientes está tomando granprotagonismo en un sector en el que no ha habido grandes innovaciones en estosprocesos en los últimos años.

Uno de los problemas del sector de fundición es la pérdida de calor de los materialesfundidos una vez fuera del horno de colada. Como posible solución a este problema,se observa una tendencia hacia la puesta en marcha de tecnologías que propicien uncalentamiento de las aleaciones de manera eficiente y precisa, minimizando el uso de

la energía invertida en el proceso y manteniendo las propiedades de los materialesfundidos. Así, el desarrollo de tecnologías y equipamiento basado en la aplicación deplasma térmico como una fuente de energía concentrada puede resultar una solucióneficiente a los problemas relacionados con el uso de la energía y de materias primasen los procesos metalúrgicos y de fundición [1].

La aplicación de “antorchas de plasma” en el proceso de fundición, permiten calentarla cantidad de metal necesario, a la temperatura precisa y en el momento justo de lacolada. La precisión en este proceso es fundamental, ya que un metal sobrecalentadose oxida fácilmente y puede perder sus características hasta el punto de invalidarlopara la producción de piezas. Por ello, la temperatura de fusión debe ser controlada al

máximo.La “antorcha de plasma” permite programar el rango de temperatura con el que sedesea colar el metal y lo mantiene de forma automática durante todo el tiempo quedure la colada. Además, la característica exclusiva que aporta el plasma es que estaoperación puede realizarse mediante un elemento de calentamiento externo, ajeno alpropio horno, que facilita las labores de mantenimiento, y por tanto, reduce los costesgenerales de la colada.

Dependiendo del campo en el que se apliquen, las tecnologías de plasma térmicopueden dividirse en tecnologías de fundición y de reducción. A pesar de que en elpresente estudio nos centraremos en el primer caso, a continuación se realizará una

breve descripción del segundo y se mostrará una figura (Fig.2) en la que se muestrangráficamente ambas tecnologías.

Las diferentes tecnologías de plasma térmico aplicadas a la reducción, pretendendisminuir el uso de las materias primas en los procesos dado las crecienteslimitaciones al acceso a materias primas de calidad. Además, su objetivo es procesarminerales de baja calidad, así como materiales de desecho. Por otra parte, su principalcaracterística es que los materiales son procesados en polvo y, en la mayoría de loscasos, están sujetos a una reducción previa. Por lo tanto, el objetivo de las diferentesunidades de plasma es el de conseguir un tiempo corto de fusión de la materia prima yun buen contacto entre el gas reductor y el material fundido.


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Figura 2: Representación gráfica de las tecnologías de plasma en metalurgia. Fuente: Thermal plasma

application in metallurgy (review)

Por lo que respecta a las tecnologías de plasma térmico de fundición, puedenclasificarse de la siguiente forma:

- Fusion con arco de plasma: se trata de una alternativa al tradicional arco eléctrico.Existen tres variantes de este tipo de proceso en base a su suministro de energía y laposición de la antorcha de plasma. En primer lugar, nos encontraríamos con hornoseléctricos clásicos restructurados donde los electródos de grafito son sustituidos porantorchas de plasma (cátodos) y alimentados independientemente con corrienteeléctrica (DC) y un electrodo (ánodo) refrigerado por agua.[1]

El siguiente desarrollo en este campo se trata de hornos en los que cuatro antorchasde plasma DC están localizadas en los muros del horno orientados al baño en un

ángulo específico. La desventaja principal en este caso es la situación de lasantorchas de plasma que hace que muchas veces la chatarra impacte en lasantorchas rompiéndolas. Por lo tanto, se trata de hornos que no tienen aplicaciónindustrial.

Por último, existen hornos, como el desarrollado por KRUPP (Fig. 3), en los que unaantorcha de plasma DC actúa como electrodo en una antorcha de plasma ACprincipal. La posibilidad de regular la inclinación de las antorchas de manera verticalen el horno mejora el proceso de calentamiento y disminuye el consumo derevestimiento refractario.[2]


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En comparación con el clásico arco eléctrico, el arco de plasma ofrece una serie deventajas como son una mayor calidad del metal producido, una reducción del consumode energía eléctrica , facilita la producción de aleaciones de bajo carbono y aumenta laasimilación de elementos de aleación y el rendimiento en general. Por otro lado, laprincipal desventaja que se plantea es el corto periodo de funcionamiento de las

antrochas en altas densidades de corriente.- Fusión con plasma por inducción: la fusión tiene lugar en un horno clásico deinducción que cuenta con una antorcha de plasma instalada en su crisol y actúa trasun esquema de arco transferido con electrodos-ánodos refrigerados por agua.[3]

Fig. 5: Horno de inducción por plasma

Fig. 3: Horno de plasma AC de KRUPP Fig. 4: Antorcha de plasma AC de KRUPP


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Informe

final

Observatorio

del

Metal

2011

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El uso de dos métodos de calentamiento, plasma e inducción, conlleva una reducción

del tiempo de fusión en un 20-50% en comparación con el clásico horno de inducción.

Además, mediante esta combinación en el proceso de calentamiento, se reduce el

consumo de energía eléctrica en un 10-18%. También se consigue la producción de

metal con poco sulfuro, gases e inclusión de contenido no-metálico.[4]

- Refusión con arco de plasma: se trata de la tecnología que más aplicación industrial

tiene actualmente y está reconocida como un proceso básico de afino, compitiendo

con los procesos de refusión con electroescorioas y refusión en arco al vacío. La

tecnología consiste en fundir el lingote de metal mediante plasma en una cristalizadora

de cobre refrigerada por agua y en obtener un lingote afinado con la estructura

deseada y con menor cantidad de gas y contenido no-metálico. En comparación con la

refusión en arco al vacío, este proceso tiene lugar bajo presión atmosférica o bajo

presión aumentada y permite una aleación efectiva del metal.

-Plasma en hornos de cuchara y colada continua: en el caso de los hornos de cuchara,

la sustitución de los electrodos de grafito por antorchas de plasma aporta una mayor

calidad del metal producido además de facilitar un calentamiento más rápido del metal

líquido. En el caso de la colada continua, se realiza un calentamiento de la cantidad

necesaria de metal en la temperatura requerida y en el momento exacto de bastidor,

cuando el metal fundido tiene que ser vertido del horno o del cucharón.[5]

Fuentes utilizadas en este apartado:

[1] Mihovsky, M. , Hadzhiyski, V., Todorov, L.. Electromagnetic and gas dynamic

control of transferred plasma ARC in metallurgical plasma reactors and furnaces.HighTemperature Material Processes, 11(3), 2007, 359-369.

[2] y [4] Mihovsky, M, Thermal plasma application in metallurgy (review). Journal of the

University of Chemical Technology and Metallurgy, 45, 1, 2010, 3-18.

[3] Mihovsky, M, Plasma metallurgy - States of the art, problems and future. High

Temperature Material Processes, 5 (1), 2001, 1-19.

5] Lei, H., Lei, S.-T., Zhuang, B.-X., New tundish heating equipment of horizontal

continuous casting machine. Kang T'ieh/Iron and Steel (Peking), 43 (4), 2008, 43-45

[6] Kittaka, S., Sato, T., Wakida, S., Miyashita, M., Twin-torch type tundish plasma

heater "NS-plasma II" for continuous caster. Nippon Steel Technical Report, 92, 2005,16-21.


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A pesar de no ser una tecnología nueva, sí se trata de una tecnología emergente, con

pocas aplicaciones a nivel industrial. Teniendo en cuenta las patentes publicadas enrelación a los términos “plasma torch and casting” y “plasma torch and foundry”correspondientes a los últimos 4 años (2008-2011), su número es bajo.

Analizando las familias de patentes que incluyen los términos citados anteriormente,destacan aquellas procedentes de Japón, seguida por Estados Unidos y, a una mayordistancia, Israel, Corea y Francia. La mayoría de las patentes proceden tanto deempresas como de centros de investigación, por lo que podríamos concluir que setrata de tecnologías que se están utilizando cada vez más a nivel industrial.

En la tabla siguiente se han incluido los datos de familias de patentes, según su fechade prioridad y país solicitante.

Año depublicación

País solici tante

EE.UU Japón Corea Israel Francia

2007 1 2 12008 2 3 - 22009 1 2 1 12010 1 - - 12011 - - -

TOTAL 5 7 2 2 2

Fuente: elaboración propia con datos extraídos de Espacenet (datos disponibles hasta noviembrede 2011)

A nivel global existen varias empresas que cuentan con esta tecnología en susprocesos productivos, tratándose generalmente de empresas de gran tamaño y altosniveles de producción. Sin embargo, se observa una mayor dificultad por parte de laspequeñas y medianas empresas del sector a la hora de incorporar estas tecnologíasen sus procesos. Por otra parte el uso industrial de estas tecnologías comenzó hacemás de 10 años, principalmente en Japón. Sin embargo en Europa su aplicación noestá todavía generalizada, siendo escasas las empresas que ofrecen este tipo detecnologías en dicho ámbito geográfico.

Observando la creciente tendencia que existe en el sector hacia la adopción deprocesos productivos cada ver más eficientes energéticamente y que hagan un menoruso de materias primas, estas tecnologías se consideran una excelente oportunidadpara alcanzar dichos objetivos. Sus principales características son la reducción deltiempo de calentamiento del metal y en el control de la temperatura en el momento dela colada, contribuyendo a un uso más eficiente de la energía, además de mejorar lacalidad metalúrgica del metal fundido. Por todo ello, es previsible que estastecnologías tengan una cada vez mayor aplicación a nivel industrial.

Por último, observando los resultados de la consulta realizada a expertos se puededecir que se trata de tecnologías que tendrán una mayor implantación en un plazo

medio de tiempo y que seguirán desarrollándose en este sentido. La necesidad de


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reducir los costes energéticos en las empresas de fundición puede suponer unempujón definitivo en la industrialización generalizada de estas tecnologías.

4.4.2. Tecnologías de fundic ión near-net-shape

La mayor parte de la fundición de metales ligeros se realiza mediante procesos defundición a alta presión, también conocido como High Pressure Die Casting (HPDC).Laprincipal razón es que se trata de proceso menos costoso para la producción degrandes volúmenes de aluminio y magnesio fundidos. Se trata de procesos quecuentan con innumerables beneficios, sin embargo, no cumplen con las expectativasen el caso de la fundición de aleaciones ligeras de alta integridad. En este caso, setrata de procesos que minimizan las turbulencias de llenado, proporcionan presión

durante la solidificación y producen productos que pueden ser tratados térmicamentesin formación de burbujas. Estos procesos se denominan High Integrity Die Casting yse trata

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Informe Sobre Tecnologias Emergentes en El Sector Del Metal Proyecto EMERTEC Parte II