Confianza para los fabricantes de automoción a la hora de diseñar y fabricar ensamblajes de múltiples materiales

Las empresas de automoción se esfuerzan por desarrollar soluciones de movilidad disruptivas y sostenibles. Sus objetivos de reducción de carbono se traducen principalmente en objetivos de reducción de peso, adaptándose a lo que supone el incremento de la gama de vehículos eléctricos. La introducción de nuevos materiales y procesos puede ser muy complicada en lo que respecta a la viabilidad, también para el rendimiento del producto final, algo que nadie está dispuesto a poner en peligro. Sin mencionar el coste: el desarrollo de productos que involucran nuevos materiales y procesos en los que no se tiene experiencia es inevitablemente arriesgado y con mucha incertidumbre. Siga leyendo para conocer las evaluaciones de viabilidad, la predicción del proceso de ensamblaje y la validación del rendimiento: todo virtual, rentable y "a la primera".

Del uso de la simulación numérica puntual a la creación de prototipos virtuales de incio a fin.

Durante las últimas décadas, la simulación numérica ha sido fundamental para permitir a los OEM evaluar la viabilidad de fabricación y, evaluar y validar el rendimiento de un diseño. Sin embargo, todavía, las decisiones de fabricación de carrocerías se toman relativamente tarde en el proceso, a veces después de que el diseño ya esté finalizado, por lo que los fabricantes de automoción todavía dependen en gran medida de las pruebas físicas. A menudo, los ingenieros detectan distorsiones en el ensamblaje de la carrocería demasiado tarde (imagen 1).

El reto y necesidad de anticipar las decisiones de fabricación es algo que viene interesando desde hace tiempo. Pero los requerimientos de coste por diseño hace que cada vez sea más ansiado. De hecho, la mejor práctica es encontrar un diseño óptimo lo antes posible y validarlo en las fases de ingeniería, y esto de una manera altamente predictiva, para evitar prototipos costosos y cambios de diseño tardíos durante la validación de preproducción de fabricación. Lograr un diseño tan óptimo a través de un enfoque puramente digital no es sencillo. Es necesario tener en cuenta dos aspectos principales para garantizar un camino fluido hasta la producción en serie (imagen 2).

Fabricación de partes sencillas: La simulación detallada de lo que será  la fabricación de una sola pieza es algo establecido en la industria. Sin embargo, normalmente aparece algo tarde en el flujo de trabajo, porque los ingenieros deben definir primero varios entornos de herramientas. Con el auge de los materiales mixtos avanzados, los fabricantes de automóviles necesitan tener confianza al inicio, para tomar las decisiones correctas sobre qué material funciona mejor en qué lugar. Por lo tanto, es muy importante poder estimar la viabilidad de fabricación desde el principio, cuando se generan los primeros datos CAD y la lista de materiales (BOM). La creación de prototipos virtuales permite a los ingenieros considerar toda esta información en las primeras fases de desarrollo y, con ello, mejorar la predictividad de la función y la validación del rendimiento, así como la simulación del proceso de ensamblaje, incluso antes de las herramientas de proceso y las definiciones de matrices.

Proceso de Unión: Las posibilidades de unir conjuntos de múltiples materiales son numerosas. Para encontrar la combinación adecuada, es crucial modelar y simular con precisión el proceso de unión. Además, los ingenieros deben tener en cuenta el impacto del proceso de unión en las geometrías de las piezas para predecir la calidad de los ensamblajes. El objetivo final es siempre tener la mejor predictividad lo antes posible, con un tiempo de cálculo mínimo. En la última fase de validación previa a la producción, las primeras piezas físicas se enviarían normalmente desde diferentes proveedores y ubicaciones a las plantas de ensamblaje OEM para verificar las tolerancias y la calidad del ensamblaje final. Para superar esta costosa logística, el prototipado virtual permite a los ingenieros utilizar en su lugar escaneos 3D de las piezas individuales más el impacto del proceso de unión como entrada para su simulación de ensamblaje. En consecuencia, se pueden anticipar las desviaciones de las tolerancias de las piezas y los conjuntos y evitar las costosas fases de prueba y error.

Además, la captura digital 3D, pueden ya reemplazarse por resultados digitales de los procesos de fabricación como la estampación. Como consecuencia, las distorsiones y tolerancias en la carrocería y el chasis, así como la calidad percibida en los ensambles de paneles de clase A, pueden analizarse y predecirse ya en las primeras fases de desarrollo, asegurando que el producto final se pueda producir y ensamblar con el más alto estándar de calidad dentro de la rango de tolerancia especificado.

En pocas palabras: la creación de prototipos virtuales representa un enfoque de inicio a fin, para la validación temprana de las opciones de materiales y diseño, la estrategia del proceso de fabricación y ensamblaje, con beneficios significativos durante todo el ciclo de desarrollo de la carrocería. Permite a los fabricantes de automoción, validar de manera efectiva los mejores materiales ligeros para las estructuras de vehículos, componentes críticos para la seguridad y asociar los procesos de unión óptimos para lograr ensamblajes con la mejor relación rendimiento / coste / calidad.

Esto es una garantía tan sólida, que ofrece confianza inicial sobre la estrategia de producción correcta, antes de pasar al mundo físico. Esto allana el camino a lo que será una fábrica de carrocería digital en la que los fabricantes de automóviles pueden progresar hacia cero prototipos físicos, lo que en última instancia acorta el ciclo general de desarrollo del producto y minimiza su coste y tiempo para el inicio de la producción (SOP).

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Caso de Éxito de cliente: Nissan redujo los tiempos de entrega de ingeniería aplicada a nuevos materiales ligeros hasta en un 50% 

Para abordar los objetivos de reducción de peso del Programa Verde de Nissan, el OEM japonés ha estado investigando el uso de materiales mixtos (ensamblajes de aluminio, acero y compuestos). Los ingenieros de Nissan utilizaron la solución de simulación ESI para la fabricación de compuestos para desarrollar un nuevo método de proceso de moldeo por inyección y moldeo por compresión, lo que generó importantes ganancias de eficiencia para sus líneas de producción. Al cambiar el período de prueba y error, que suele ser largo y costoso, por el desarrollo de un nuevo proceso de fabricación con simulación numérica, los ingenieros de Nissan lograron tomar decisiones tempranas sobre tipos de materiales ligeros, al tiempo que aseguraban los requisitos de diseño y los objetivos de producción. Según su estimación, lograron reducir el tiempo de espera de ingeniería hasta en un 50%.

En términos de resultados de fabricación: justo antes de que ESI iniciara su primera conferencia ESI Live en noviembre de 2020, Nissan anunció públicamente su avance en la producción de piezas de fibra de carbono. Pasaron de producir una pieza reforzada con fibra de carbono en dos horas a dos minutos, lo que redujo el tiempo de producción de un solo molde en un 80%. Esta agilidad tecnológica también permite a Nissan producir piezas de formas complejas que permiten una reducción de peso promedio de 80 kg por vehículo.

Este logro fue posible en parte, gracias a la capacidad de tomar decisiones acertadas y a la optimización temprana, y gracias a las actividades sincronizadas tanto en el diseño como en la ingeniería de fabricación para los procesos de conformado, tratamiento térmico, unión y montaje.

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