Materiales 4.0: el desafío de fabricar piezas combinando nuevos y diferentes materiales

En este artículo, Grupo SPRI de la mano del BDIH y su nodo de materiales avanzados, muestra a empresas de fabricación cómo abordar los desafíos que supone la utilización de distintos materiales en una misma pieza o estructura y crear valor en su producto, adaptando tanto los procesos de unión de materiales como los propios procesos de fabricación de la empresa a las nuevas estrategias de diseño y fabricación.

La búsqueda de la mejora de producto es una actividad esencial para que una empresa se mantenga relevante. Según la Estrategia tecnológica española de materiales avanzados y nanomateriales – MATERPLAT, “…la competitividad de muchos de los grandes sectores industriales […] depende en gran medida de su capacidad para generar innovaciones en materiales, incluyendo todos sus procesos asociados, que den hace todavía más acuciante si tenemos en cuenta que el sector empresarial lo tiene cada vez más difícil a la hora de competir en costes en una economía global como la actual.”[1]

Para alcanzar mejoras en la prestación del producto o migrar hacia nuevos materiales, es esencial embarcarse en un proceso de descubrimiento y de experimentación con nuevas estrategias de diseño y fabricación. Estas, a su vez, demandan métodos de unión entre materiales más fiables y versátiles, que permitan utilizar diferentes materiales combinados en piezas. Por otro lado, la demanda de uniones híbridas crece continuamente debido a que, para muchos sectores, las aplicaciones y prestaciones de los materiales existentes por separado, no permiten satisfacer los requerimientos necesarios, siendo el ideal la unión de diferentes materiales. Por lo tanto, la combinación de materiales disimilares puede en muchos casos abrir un campo nuevo de posibilidades en el que desarrollar materiales a medida para una aplicación o componente concreto. El valor perseguido es desarrollar productos con mejores prestaciones, más duraderos y sostenibles que les ayuden a competir en un mercado global.

A la hora de unir materiales diferentes, debemos conjugar: resistencia y durabilidad; diseño y estética; bajo peso y eficiencia; ensamblaje y fabricación; coste-eficiencia, y los miembros del nodo de materiales avanzados del BDIH disponen de una serie de activos y equipos de expertos especializados en diferentes técnicas de unión que están a disposición de la industria vasca. Las técnicas y servicios asociados presentadas en este artículo abarcan la unión por co-moldeo, la unión por difusión, uniones estructurales basadas en adhesivos y técnicas de inspección por medio de emisiones acústicas, y uniones disimilares por FSW (Friction Stir Welding o Soldadura por Fricción).

AZTERLAN dispone de activos que permiten la unión por co-moldeo de materiales metálicos disimilares, una técnica que consiste en la introducción de una pieza metálica en estado sólido dentro de un molde de fundición sobre el que se vierte el metal en estado líquido dando lugar a una pieza bimetálica. Este tipo de labor puede realizarse en su Planta piloto de fundición para desarrollo de nuevos materiales y tecnologías de fundición a nivel industrial. La infraestructura cuenta con todos los medios necesarios para la fusión, colada y solidificación de nuevas aleaciones en piezas test, demostradores y prototipos de cualquier aleación en base Fe (hierro), Al (aluminio), Cu (cobre) y/o Ni (níquel). La infraestructura suministra tres tipos de servicio fundamentalmente: el desarrollo y validación de nuevas aleaciones en base Fe, Al, Cu, Ni y/u otros, el desarrollo de nuevas tecnologías de fundición y el prototipado rápido de nuevos componentes según los requerimientos del cliente.

CEIT cuenta con una Unidad de Fiabilidad Mecánica e Integridad Estructural, un activo que dispone de equipos que permiten trabajar alrededor de la unión por difusión, técnica que implica la aplicación de altas temperaturas y presiones a metales similares o diferentes que se acoplan en una prensa caliente, y que hace que los átomos de las superficies metálicas sólidas se intercalen y se unan. Este activo permite la caracterización mecánica de materiales y componentes, cuenta con varias máquinas de fatiga, una máquina de Micromecanizado mediante Haz Enfocado de Iones (FIB), y un Nano-indentador y TriboIndentador, Hysitron. Los servicios que ofrece este activo para la industria vasca son el análisis de componentes en servicio y análisis forense de fallo, caracterización mecánica y estructural de superficies y recubrimientos, y la medida de propiedades mecánicas y su dispersión en las condiciones de operación, minimizando los coeficientes de seguridad y los costes de producción, mantenimiento y predicción de vida de componentes que utilizan esta y otras técnicas de unión.

IKERLAN, por otro lado, cuenta con un Laboratorio para caracterización de propiedades mecánicas y acústicas de materiales, donde se pueden estudiar las uniones estructurales basadas en adhesivos y técnicas de inspección por medio de emisiones acústicas. Este laboratorio ofrece servicios de ensayos acústicos, evaluación de integridad estructural (emisiones acústicas), medición de deformaciones en superficies 2D y 3D de todo tipo de materiales, así como la medición de tensión residual superficial (hasta 2 mm de profundidad) en materiales diversos y composites.

LORTEK, cuenta con una Planta piloto para el estudio de uniones avanzadas utilizando técnicas como la soldadura arco, láser, por fricción (FSW), uniones por resistencia, uniones por estado sólido, entre otras. Este activo provee a la industria vasca de capacidades para desarrollar estudios de viabilidad de uniones avanzadas con materiales disimilares y con nuevos materiales. Los servicios que se ofrecen abarcan desde el estudio de la posibilidad de realizar una unión que cumpla las funcionalidades requeridas, con diferentes tecnologías y procesos, realizar una prueba de concepto, hasta el análisis de industrialización del mismo.

Por último, TECNALIA  cuenta con un Centro de Unión Multimaterial, que ofrece servicios de análisis de viabilidad para la unión multimaterial, esto es, el estudio y desarrollo de soluciones avanzadas para la unión multimaterial (metal-metal, metal-compuesto) basadas en las diferentes tecnologías disponibles (unión adhesiva, unión láser, unión VCSE (Vertical-Cavity Surface-Emitting laser o láseres de emisión superficial con cavidad vertical), unión mecánica , unión por conformado, etc.) y su combinación. Este activo incluye todas las etapas del proceso: compatibilidad de materiales, caracterización de juntas y materiales, simulación de procesos, funcionalización de superficies para la mejora de la resistencia, implementación del método de unión adecuado, supervisión y control de los principales parámetros relevantes, etc.

Artículo publicado en: https://www.spri.eus/