temple en caliente

El proceso Hot Form Quench (HFQ®), una tecnología de aligeramiento por conformado en caliente de aluminio , es un proceso de estampado industrial para la producción de componentes de chapa de aluminio de ultra alta resistencia , embutidos profundamente, con geometrías precisas y complejas . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} Es el proceso de estampado en caliente de aluminio (a veces también llamado "conformado en caliente de aluminio") para grados de chapa endurecibles por envejecimiento y tiene similitudes con el endurecimiento por prensado de aceros de ultra alta resistencia . HFQ, el proceso original de estampado en caliente de aluminio, aprovecha la viscoplasticidad del aluminio a altas temperaturas para facilitar la producción de estructuras ligeras , a menudo reemplazando el acero, los compuestos, las fundiciones, las extrusiones o los prensados ​​conformados en frío múltiples. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

El proceso Hot Form Quench (HFQ) es un proceso de estampado en caliente de aluminio para láminas de alta resistencia (típicamente) de aleaciones de las series 2xxx, 6xxx y 7xxx, ^{[ 6 ]} que fue desarrollado inicialmente a principios de la década de 2000 por los profesores Jianguo Lin y Trevor Dean en la Universidad de Birmingham y luego en el Imperial College de Londres , ambos en el Reino Unido.

HFQ Technology Associates (nombre comercial de Diteven Limited), ^{[ 7 ] [ 8 ]} una empresa de tecnología de materiales con sede en el Reino Unido, tiene derechos exclusivos de comercialización para el conformado en caliente de aluminio HFQ, tras haber adquirido en 2024 los activos y el conocimiento de Impression Technologies Limited (ITL) e Imperial College. Poco después de que se adoptaran las primeras aplicaciones de HFQ en aplicaciones automotrices (el Aston Martin DB11 ^{[ 9 ]} ) en 2016, otras organizaciones del ecosistema de aligeramiento se unieron a Impression Technologies en un programa Horizon 2020 llamado LoCoMaTech ^{[ 10 ]} con el objetivo de llevar la tecnología HFQ a aplicaciones de gran volumen. ITL, tras haber instalado la primera línea HFQ del mundo en el antiguo emplazamiento de Jaguar en Lyons Park Coventry, ^{[ 11 ]} concedió licencias de la tecnología HFQ a fabricantes de todo el mundo, como fischer group en Alemania, EMI Aerospace en EE. UU. y Jet Wagon en China, ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} abasteciendo a los sectores automotriz y aeroespacial.

El conformado en caliente de aleaciones de aluminio consta de cuatro pasos principales realizados en una chapa con forma personalizada: calentamiento y solubilización (por encima de 450 ° C), transferencia de la chapa, enfriamiento (hasta casi la temperatura ambiente en una matriz fría) y conformado, y envejecimiento artificial . En el paso de solubilización, la chapa se calienta en un horno a una temperatura en la que se disuelven los precipitados del material. Los hornos de solubilización son más eficaces cuando se diseñan con convección forzada , lo que supone una diferencia con respecto a los utilizados para las líneas de acero endurecido por prensado . ^{[ 15 ]} Es importante señalar que este proceso de conformado en caliente es diferente de lo que se denomina conformado en caliente, ^{[ 16 ]} que se realiza por debajo de 300  °C y da como resultado una menor conformabilidad y resistencia de la pieza acabada.

La operación de prensado se lleva a cabo en una prensa hidráulica, servohidráulica o servo de alta velocidad en la que la herramienta de conformado se enfría para crear el temple necesario que mantiene los elementos de aleación en solución sólida . El proceso de envejecimiento posterior permite la precipitación y aumenta la resistencia de los componentes hasta el nivel requerido, típicamente de 300 a 500 MPa de límite elástico, dependiendo de la aleación de aluminio utilizada. Se han desarrollado procesos de envejecimiento patentados y personalizados para optimizar el rendimiento frente a la corrosión y/o las propiedades de unión posteriores ^{[ 17 ].}

Tras el proceso HFQ, las piezas pueden recortarse mediante mecanizado en matriz o con láser, como es habitual en las piezas de acero endurecido por prensado, según el volumen de producción. Normalmente, para volúmenes inferiores a 10 000 piezas anuales, se opta por el recorte láser debido al elevado coste de las herramientas de recorte; o para volúmenes mayores, si se requiere flexibilidad para futuros cambios de diseño, como la posición de los orificios.

Si bien una de las principales ventajas del proceso HFQ es que permite la producción de piezas estampadas complejas y de embutición profunda en una sola operación de conformado, es posible realizar operaciones secundarias de prensado en frío después de la etapa HFQ si fuera necesario.

El proceso HFQ se utiliza cuando se requiere aligeramiento y un alto grado de integración de piezas, y cuando la lámina de aluminio se considera una opción técnica y económica adecuada. HFQ puede ser una solución para aplicaciones que abarcan desde varios cientos hasta millones de piezas al año. ^{[ 19 ]} El espesor ideal de la lámina de aluminio para HFQ oscila entre 0,8 mm y 5,0 mm.

Las aplicaciones típicas de HFQ se centran en las estructuras y cierres de la carrocería en blanco (BIW), incluyendo los pilares A y B , los marcos de las puertas, los travesaños, los umbrales, los paneles del salpicadero, los paneles interiores de los cuartos traseros, los paneles interiores de las puertas, los paneles interiores del portón trasero y las protecciones inferiores. Recientemente, ha habido un gran interés en el uso de HFQ para las tapas y carcasas de las baterías de los vehículos eléctricos. Las aleaciones utilizadas para estas aplicaciones incluyen las series 6x y 7x, como la 6111 , la 6082 , la 6016 y la 7075 .

Se están desarrollando aplicaciones aeroespaciales que incluyen revestimientos labiales, góndolas , carenados , costillas de ala y asientos . ^{[ 20 ]} La tecnología, dada su escalabilidad de volumen inherente, podría ser una buena candidata para estructuras de drones de producción en masa . Otras aplicaciones en el sector del transporte incluyen cuadros de bicicletas eléctricas , motocicletas y estructuras ferroviarias.

En otros sectores, se ha considerado el HFQ para reemplazar piezas fundidas pesadas y componentes mecanizados, actualmente fabricados en aluminio, donde la reducción de peso o el aprovechamiento del material son factores críticos. Se ha considerado el uso de HFQ en paneles arquitectónicos de aluminio que requieren formas curvas complejas o radios pequeños. También existe cierto interés en utilizar HFQ para los bordes de ataque de las turbinas , que están sujetos a erosión. ^{[ 21 ]}

Un aspecto fundamental en el diseño de componentes HFQ es garantizar la precisión de la simulación de conformado , la cual depende en gran medida de la calidad de las fichas de material de conformado para cada aleación y del tipo de lubricante utilizado. Incluso las aleaciones de aluminio fabricadas con las mismas especificaciones pueden presentar diferente conformabilidad y propiedades finales, según el proveedor y las líneas de procesamiento de chapa empleadas. Por lo tanto, cada grado de aluminio de un proveedor debe caracterizarse con un nivel común de alta fidelidad. ^{[ 22 ]}

La principal ventaja de HFQ es la conformabilidad superior para aleaciones de aluminio de ultra alta resistencia, que de otro modo se partirían durante el conformado en frío convencional. Esto da lugar a piezas de embutición extremadamente profunda (pueden ser >300 mm), radios afilados (se ha demostrado r/t de 0,8) y altos niveles de integración de piezas en comparación con los prensados ​​conformados en frío. Además, HFQ permite la fabricación de piezas de aluminio de alta y ultra alta resistencia, lo que para aplicaciones donde la resistencia es fundamental facilita reducciones de peso significativas de alrededor del 20 % en comparación con algunas aleaciones de aluminio conformadas en frío de menor resistencia. Además, prácticamente no hay recuperación elástica, un problema inherente al conformado en frío; con tolerancias capaces de estar dentro de +/- 0,5 mm. En comparación con el conformado superplástico , ^{[ 23 ]} que está bien establecido, HFQ puede ofrecer velocidades de producción significativamente más altas (de hasta 5 piezas por minuto) y una gama más amplia de grados de aluminio. Los beneficios secundarios de HFQ incluyen una alta utilización del material (debido a la falta de necesidad de un sujetador de chapa); y la capacidad de utilizar materias primas de aleación de temple F de menor costo y más ampliamente disponibles (tal como se fabrican sin pasos de tratamiento térmico adicionales por el productor de láminas) e incluso utilizar aleaciones altamente recicladas . ^{[ 24 ]}

La principal desventaja de la tecnología HFQ frente al conformado en frío de aluminio, menos preciso en términos dimensionales, reside en un mayor tiempo de ciclo y la necesidad de una mayor inversión en hornos y prensas de acción rápida. Si bien esta tecnología se está utilizando actualmente en aplicaciones de volumen medio/alto, dada su creciente adopción, cabe destacar que, en el caso de piezas de aluminio producidas en grandes volúmenes, entre el 60 % y el 80 % del componente puede ser materia prima. Una vez que los tiempos de ciclo del proceso HFQ se reducen a menos de 30 segundos, los costes adicionales resultan relativamente bajos en comparación con las ventajas del conformado.