Como componente de masa no suspendida, el aligeramiento del bastidor auxiliar puede generar importantes beneficios con un esfuerzo relativamente bajo. Entre diversas opciones de materiales, estructuras y procesos, los subchasis integrales huecos de aleación de aluminio de fundición-de baja presión-(LPDC) demuestran una fuerte competitividad. Este artículo presenta las ventajas y desafíos de los subchasis huecos integrales desde la perspectiva de las características estructurales, el proceso de fabricación y las tecnologías innovadoras. Se centra en dos cuellos de botella de producción:-post-procesamiento y mecanizado-así como dos cuellos de botella en el rendimiento del producto:-fundición a baja presión-y tratamiento térmico. Se proponen soluciones para cada uno. Finalmente, se pronostican las tendencias de desarrollo futuras y el panorama competitivo de los subchasis.
Palabras clave: Subtrama; Aleación de aluminio; Hueco integral; Embotellamiento; Panorama competitivo
1. Antecedentes
Durante la última década, impulsados por la crisis energética y regulaciones cada vez más estrictas, los vehículos de nueva energía (NEV) han crecido rápidamente. Las estadísticas muestran que de 2014 a 2023, la penetración de los NEV aumentó del 0,3% al 31,6%. Sin embargo, los NEV, en particular los vehículos eléctricos de batería, enfrentan importantes desafíos en cuanto a carga y autonomía. Esto ha colocado el diseño ligero en un nivel de importancia sin precedentes.
La masa del vehículo se divide en masa suspendida y no suspendida. La masa suspendida se refiere al peso soportado por el sistema de suspensión y los elementos elásticos, incluidos la carrocería, el motor, la transmisión y los pasajeros. La masa no suspendida se refiere a los componentes que no están soportados por el sistema de suspensión, como ruedas, brazos de suspensión, resortes y amortiguadores. Como componente central de la suspensión, el subchasis desempeña un papel crucial y aligerarlo puede producir efectos multiplicados en el rendimiento general del vehículo.
El subchasis, también llamado "sub-chasis", sirve como columna vertebral de los ejes delantero y trasero. Soporta los conjuntos de eje y suspensión, vinculándolos al bastidor principal del vehículo. En los vehículos de pasajeros con estructuras monocasco, el subchasis conecta los sistemas de suspensión izquierdo y derecho en una unidad integrada, aumentando así la rigidez de la conexión, aislando el ruido y la vibración y mejorando el rendimiento NVH. Además, proporciona rutas de carga suplementarias para la gestión de la energía en caso de colisión, mejorando la seguridad del vehículo.
Tradicionalmente, los subchasis están hechos de acero. Con el impulso para aligerar el peso y la adopción de NEV, los subchasis de aleación de aluminio están experimentando un rápido crecimiento. Los subchasis de aleación de aluminio se pueden fabricar mediante estampado, hidroconformado, soldadura de perfiles, fundición a presión, fundición a baja-presión o unión híbrida de acero y aluminio, con tipos estructurales que incluyen diseños de piezas múltiples soldadas, fundición sólida integral y fundición hueca integral.
2. Características de las subestructuras huecas integrales
2.1 Introducción
Teniendo en cuenta las condiciones de carga, el aligeramiento, las emisiones de carbono y el costo, la fundición hueca integral ofrece claras ventajas. En primer lugar, la optimización de la topología en las primeras etapas del desarrollo-basada en los requisitos de carga, el espacio de embalaje y la viabilidad de fabricación-maximiza la reducción de peso. En segundo lugar, bajo igual área de sección transversal-, los miembros huecos-de paredes delgadas ofrecen mayor rigidez y resistencia específicas. En tercer lugar, en comparación con los subchasis soldados de varias-piezas, las piezas fundidas integrales evitan las uniones soldadas y la degradación relacionada de la zona afectada por el calor-. Finalmente, la fundición integral reemplaza docenas de operaciones de estampado y soldadura con un solo paso de conformado, acortando drásticamente los ciclos de desarrollo y simplificando la gestión de la cadena de suministro.
Los subchasis huecos integrales generalmente se producen mediante LPDC. Presentan seis características definitorias:
Grandes dimensiones (aproximadamente. 1000–1200 mm × 800–1000 mm × 300–500 mm).
Secciones de paredes delgadas-, con un espesor de pared base de 4 a 5 mm (localmente tan delgado como 3,5 mm).
Cavidades huecas que requieren grandes núcleos de arena, lo que aumenta la dificultad-para realizar los núcleos.
Secciones transversales-complejas con una variación significativa del espesor de la pared y múltiples puntos calientes.
Numerosas funciones de mecanizado-seis caras en las direcciones X, Y y Z, que requieren 20+ herramientas.
Clasificadas como piezas críticas-para la seguridad del chasis, con tolerancia cero ante fallos.
1.
Estas características plantean desafíos importantes a lo largo del proceso de fabricación.
2.2 Proceso de fabricación
La fabricación de subchasis huecos integrales incluye cinco módulos principales: preparación, fundición a baja-presión, limpieza, tratamiento térmico y pos-procesamiento.
Preparación: fabricación de núcleos (los núcleos inorgánicos se están volviendo comunes por razones ambientales), fusión de aleaciones (usando A356, A356.2, AlSi7Mg, ZL101A con menos o igual al 40% de contenido reciclado) y preparación de moldes (recubrimiento, mantenimiento, reparación).
Fundición a baja-presión: los parámetros de fundición y la gestión térmica del molde afectan directamente la calidad del producto (p. ej., porosidad, inclusiones, deformación).
Limpieza: Implica la eliminación de arena, el corte de compuertas y contrahuellas, la inspección por rayos X-y el pulido. La eficiencia y el control dimensional son críticos.
Tratamiento térmico: Incluye solución, enfriamiento y envejecimiento. La distorsión del enfriamiento es un problema importante que requiere mitigación mediante el diseño del molde, la optimización de los accesorios y los ajustes del proceso.
Post-procesamiento: principalmente mecanizado, limpieza y ensamblaje. El mecanizado es el cuello de botella, y la práctica habitual utiliza máquinas horizontales de cinco-ejes, logrando aproximadamente 30 minutos por pieza.
3. Desafíos de las subestructuras huecas integrales
3.1 Cuestiones intrínsecas
El principal obstáculo para una adopción más amplia es el costo, que sigue siendo mucho más alto que el de las subestructuras de acero debido a las bajas tasas de rendimiento, los largos tiempos de ciclo y la utilización de materias primas.
Rendimiento del producto: Los defectos surgen de la fundición (p. ej., porosidad, contracción, inclusiones, grietas) y del tratamiento térmico (p. ej., distorsión por enfriamiento). Estos no se toleran en los componentes del chasis críticos-para la seguridad. Las soluciones incluyen purificación de la masa fundida, control de la temperatura del molde, entrada optimizada y refinamiento de la estrategia de enfriamiento.
Ciclo de producción: LPDC normalmente requiere entre 360 y 420 segundos por pieza fundida. Los procesos de limpieza tardan entre 240 y 300 segundos por pieza, mientras que el mecanizado puede requerir entre 20 y 60 minutos (en el mejor de los casos, aproximadamente 10 minutos). Estos ciclos largos limitan el rendimiento.
Otros factores: la utilización del material y la flexibilidad de la línea de producción también influyen. Los NEV suelen exigir productos multi-variedad y bajo-volumen, lo que reduce la eficiencia en líneas altamente automatizadas.
3.2 Tecnologías en competencia
Varias tecnologías emergentes presentan desafíos y oportunidades:
Fundición a presión integrada: combinación de perfiles huecos y carcasas-de topología optimizada en una única estructura de fundición a presión de alto-vacío-, lo que permite mayores ahorros de peso y aumentos de productividad.
Fundición electromagnética: utiliza fuerzas electromagnéticas en lugar de presión de gas para impulsar el llenado de la masa fundida, lo que ofrece un control de nivel preciso, una mayor utilización del material e idoneidad para piezas fundidas de gran tamaño.
Fundición de relleno híbrida (HFC): combina gas y presión hidráulica para refinar la microestructura y eliminar la porosidad, produciendo una calidad metalúrgica y propiedades mecánicas superiores.
Núcleos de arena impresos- en 3D: permita herramientas flexibles y de bajo costo-para producción de prototipos o lotes pequeños-, lo que reduce los costos iniciales de desarrollo.
3.3 Estrategias Competitivas
Según datos de la industria, se espera que la penetración de subchasis de aleación de aluminio aumente del 8% en 2020 a más del 30% en 2025, y que los diseños huecos integrales crezcan del 5% al 28%. Que este potencial pueda realizarse depende de estrategias en tres dimensiones:
Material: Aluminum alloys offer excellent formability and recyclability (>tasa de recuperación del 95%,<1% melt loss), lowering lifecycle costs and carbon footprint.
Proceso: LPDC garantiza un llenado estable y una alta calidad metalúrgica, ofreciendo resistencias a la tracción de 280 a 320 MPa, límites elásticos de 220 a 250 MPa y un alargamiento de 6 a 8 %, adecuado para componentes de seguridad de chasis.
Estructura: El diseño hueco reduce los pasos del proceso y el costo al tiempo que maximiza la rigidez y la resistencia. Las secciones de tubos cuadrados de paredes delgadas-demuestran la rigidez y resistencia relativas más altas entre las geometrías de sección transversal típicas-.
4. Conclusión
Con la adopción acelerada de los NEV, los subchasis de aleación de aluminio-particularmente las variantes LPDC huecas integrales-están preparados para un crecimiento significativo del mercado. Sus ventajas estructurales y de proceso los hacen altamente competitivos. Sin embargo, superar los desafíos en cuanto a rendimiento y tiempo del ciclo de producción sigue siendo fundamental para reducir los costos y lograr una adopción generalizada. La innovación continua en estructura y fabricación será la clave para la competitividad futura.
