Materiales y componentes de ingeniería avanzada que duran más en aplicaciones industriales en condiciones extremas
Desarrollar materiales y componentes más duraderos que puedan soportar altas temperaturas o ciclos térmicos —calentamientos y enfriamientos repetidos que provocan la dilatación y contracción de los materiales— constituye todo un reto. El uso de tecnologías de fabricación que consuman menos recursos ofrece la oportunidad de conservar energía y recursos minerales, al tiempo que ofrece un nuevo estándar de producción eficiente de componentes para equipos de ingeniería resistentes a altas temperaturas y a la corrosión.
Retos que dificultan la sostenibilidad en la estampación en caliente
El equipo del proyecto HIPERMAT, financiado con fondos europeos, se centró en un caso de uso relacionado con un horno de vigas rodantes, que se utiliza en el proceso de estampación en caliente. Este proceso de fabricación, utilizado entre otros por la industria automovilística, produce grandes volúmenes de componentes ligeros para las estructuras de las carrocerías en blanco. Sin embargo, el horno representa el equipo que más energía y recursos consume en este proceso de fabricación. El horno funciona en condiciones difíciles: las temperaturas se acercan a los 1 000 grados Celsius, soporta cargas pesadas debido al peso de sus vigas, las chapas de acero en proceso, y la alta temperatura y el calor continuo en el interior del horno crean un entorno corrosivo. Estas duras condiciones de trabajo dan lugar a diversos tipos de fallos. El mantenimiento frecuente y la sustitución de componentes de estos hornos provocan importantes pérdidas de productividad. También aumentan el consumo de energía y recursos debido a los materiales críticos necesarios para fabricar los componentes del horno.
Innovaciones en materiales para afrontar los retos de la estampación en caliente
Con el objetivo de hacer más sostenible la estampación en caliente, el equipo de HIPERMAT utilizó herramientas de diseño avanzadas para optimizar la selección de materiales y la durabilidad de los componentes. La iniciativa permitió el desarrollo y la validación de aleaciones resistentes a altas temperaturas y a la corrosión, incluidas variantes de acero inoxidable refractario y otras aleaciones aplicadas en capas protectoras. «Los aceros inoxidables refractarios estándar abarcan una amplia gama de elementos químicos estándar como el carbono, el níquel y el cromo. Al restringir la proporción de estos elementos en la aleación y combinar de forma inteligente otros elementos como el niobio, el wolframio y el molibdeno, se altera la microestructura de la aleación, mejorando así sus propiedades de desgaste y a altas temperaturas», explica Fernando Santos, coordinador del proyecto.
Técnicas de fabricación avanzadas para componentes de mayor rendimiento
Para fabricar los componentes finales a partir de estas aleaciones de alto rendimiento, el equipo del proyecto utilizó técnicas avanzadas de fabricación aditiva, como la deposición de metales por láser (LMD, por sus siglas en inglés), revestimientos cerámicos y tecnología de ablación. «La fabricación de componentes de equipos de alta temperatura suele implicar el ajuste de materiales a granel. Sin embargo, la introducción de los revestimientos cerámicos LMD y de oxicorte de alta velocidad permite utilizar aleaciones de alto coste solo en la superficie, mientras que la aleación básica forma únicamente el núcleo de la pieza», señala Santos. «Este método de reparación y restauración de la capa externa, en lugar de sustituir toda la pieza, supone un avance significativo en la utilización de recursos». La tecnología de ablación, cuando se utiliza en la fabricación de materiales a granel, modifica la microestructura heterogénea creada por los procesos tradicionales de fundición de acero. Por lo tanto, las aleaciones resultantes tienen carburos más pequeños y distribuidos más uniformemente, lo cual favorece una mayor resistencia a la fluencia y duplica los valores de corriente. Tras exhaustivas evaluaciones de ensayos destructivos y no destructivos, estos componentes se integraron en un horno real de estampación en caliente, donde su rendimiento se ha supervisado de forma continua mediante una avanzada red de sensores integrados y herramientas de procesamiento de datos. Por lo general, los sensores se colocan en las paredes, el techo y el suelo del horno, pero no cerca de las piezas que se procesan. La posibilidad de imprimir sensores mediante LMD e integrarlos en piezas funcionales cercanas a las que se están procesando permite un control más estricto del proceso y mejora la calidad de la pieza final. «La labor de HIPERMAT se distingue por favorecer el análisis basado en datos frente a las simulaciones tradicionales basadas en la física. Este enfoque genera algoritmos que identifican variables críticas, lo cual facilita un desarrollo más rápido de nuevos materiales con propiedades avanzadas para soportar entornos adversos», concluye Santos. Centrándose en la optimización de la selección de materiales y la mejora de las técnicas de fabricación, el equipo de HIPERMAT avanzó en el desarrollo de materiales mejorados con potencial para reducir sustancialmente el consumo de energía y recursos en los procesos industriales.
Palabras clave
HIPERMAT, aleaciones, estampación en caliente, altas temperaturas, corrosión, revestimientos cerámicos, ablación, deposición de metales por láser, análisis basado en datos, simulaciones basadas en la física, industrias de transformación, industrias de gran consumo de energía
