Cómo el grabado químico está transformando el mundo del diseño de vehículos eléctricos

Los vehículos eléctricos (VE) están superando ahora a los modelos diésel

En diciembre de 2021, las ventas de coches eléctricos en Europa superaron por primera vez a las de los modelos diésel.

Según los datos recopilados por The Financial Times y el analista independiente del sector automovilístico Matthias Schmidt, más del 20 % de los coches nuevos vendidos en 18 mercados europeos funcionaban exclusivamente con tecnología de batería.

Adopción de nuevos procesos de fabricación para vehículos eléctricos

Dado que los gobiernos de toda Europa también están ofreciendo subvenciones y ayudas para fomentar aún más su adopción, la demanda de vehículos eléctricos no hará más que dispararse a partir de ahora.

En consecuencia, los fabricantes están buscando adoptar nuevos procesos para fabricar vehículos de última generación, lo que requiere componentes diferentes y un mayor nivel de colaboración en la cadena de suministro para garantizar un rendimiento eficiente y rentable.

¿Qué es el grabado fotoquímico?

El grabado fotoquímico, una alternativa al estampado y al corte por láser tradicionales, es un proceso de mecanizado sustractivo de chapa metálica que utiliza agentes químicos de grabado para crear componentes de precisión complejos y de gran exactitud a partir de casi cualquier metal.

La complejidad geométrica y las tolerancias de precisión que ofrece el grabado químico hacen que no solo sea un proceso de fabricación muy apreciado, sino que, en algunos casos, sea la única tecnología adecuada para componentes metálicos críticos.

Aunque para algunas piezas de vehículos eléctricos los métodos de mecanizado tradicionales serían suficientes, las herramientas necesarias pueden suponer un coste considerablemente mayor. Además, los materiales, espesores y calidades no estándar pueden suponer una limitación.

Componentes fotograbados para vehículos eléctricos

Barras colectoras para baterías de vehículos eléctricos

Las barras colectoras, que suelen fabricarse en cobre o aluminio, son barras metálicas macizas que se utilizan para conducir la corriente eléctrica.

A diferencia de los cables, son más bajos y transmiten más potencia, lo que los hace ideales para conectar los módulos de celdas en las baterías de los vehículos eléctricos.

Las barras colectoras suelen estamparse y luego enviarse para su mecanizado por separado, pero el uso de dos procesos distintos ralentiza el proceso y puede generar costes adicionales. El estampado con troquel progresivo, una alternativa que se realiza en un solo proceso, puede suponer unos elevados costes iniciales de utillaje.

El grabado químico, en cambio, ofrece una solución más sencilla. Gracias al uso de herramientas digitales, los prototipos se pueden fabricar más rápidamente, a menudo en tan solo unos días, y con un gasto económico considerablemente menor.

Placas bipolares para vehículos de pila de combustible (FCEV)

Las pilas de combustible de hidrógeno se utilizan para almacenar y suministrar energía en los vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV) y constituyen una de las opciones más eficientes para ello.

Se fabrican apilando placas precisas y complejas, mecanizadas con ranuras o canales intrincados que permiten el paso de líquidos y gases. Su fabricación puede realizarse de diversas formas, como mediante mecanizado CNC, hidroconformado y estampado, pero existen dudas sobre la escalabilidad y la capacidad de estos procesos.

La fabricación de placas mediante tecnologías tradicionales de metalurgia, como el estampado y el hidroconformado, compromete la planitud y genera tensiones y rebabas. Además, la fabricación de las herramientas puede resultar lenta y poco rentable —en algunos casos, puede llevar muchos meses—, lo que alarga los plazos de desarrollo.

El proceso de grabado fotoquímico puede ofrecer a los fabricantes ventajas significativas a la hora de producir componentes fluídicos complejos, como placas bipolares para pilas de combustible, ya que reduce las ineficiencias al tiempo que mantiene la precisión y acelera la comercialización.

Laminaciones para motores

El proceso de grabado se puede utilizar para fabricar laminados metálicos que alimentan motores eléctricos.

A veces denominadas «laminadas de silicio» o «laminadas de acero eléctrico», se fabrican a partir de aceros eléctricos, se apilan y se unen para formar el núcleo de los transformadores o el estator y el rotor de los motores eléctricos.

Aunque las láminas para motores suelen cortarse mediante estampado, este proceso puede generar tensiones residuales que alteran las propiedades magnéticas de los aceros eléctricos, así como rebabas que pueden causar problemas durante el bobinado.

¿Cuáles son las ventajas del fotograbado de componentes electrónicos?

Sin distorsiones y rápido

En primer lugar, y probablemente lo más importante, el proceso de grabado fotoquímico no requiere utillaje fijo.

Gracias al uso de tecnologías digitales, es posible fabricar y adaptar las herramientas de forma mucho más económica, lo que permite a los fabricantes de automóviles actuar con agilidad y con una interrupción mínima del proceso de fabricación en su conjunto.

El proceso también permite una transición rápida entre la fase de prototipos y la producción a gran escala.

También se puede mejorar la calidad del producto final. En la industria automovilística, donde la seguridad y el rendimiento son fundamentales, el grabado fotoquímico permite a los fabricantes producir componentes con un alto grado de repetibilidad, libres de las rebabas y tensiones que pueden producirse con el mecanizado tradicional.

Esto es especialmente importante en el caso de las placas de pilas de combustible bipolares, en las que las imperfecciones pueden comprometer la unión de la pila y, en última instancia, provocar el fallo del producto.

En el proceso de fabricación de laminados metálicos, el hecho de que el grabado químico sea un proceso sin contacto y que no genere calor garantiza que no se produzcan alteraciones en las propiedades de los aceros eléctricos. Esto significa que los laminados pueden fabricarse sin deformaciones y sin necesidad de recocido posterior.

Las barras colectoras grabadas están 100 % libres de rebabas y son planas. Además, pueden grabarse en profundidad hasta alcanzar el grosor requerido en el punto de contacto con una precisión de ±0,020 mm, dejando el material restante con todo su grosor para mejorar la conductividad.

Los plazos de entrega se miden en días, no en meses

El grabado fotoquímico elimina el metal de forma simultánea, lo que permite grabar canales complejos o campos de flujo en ambos lados de la placa bipolar con una precisión de ±0,020 mm.

Esta versatilidad permite a los diseñadores variar el tamaño y la forma de los canales e incorporar colectores, distribuidores y orificios sin costes adicionales.

A pesar de ofrecer una complejidad casi ilimitada en el diseño de componentes, la velocidad no se ve afectada con el grabado fotoquímico. De hecho, a diferencia de los plazos de entrega del mecanizado tradicional, el grabado químico se mide en días en lugar de meses.

Flexibilidad de los materiales

Precision Micro suele fabricar placas bipolares de acero inoxidable de grado 316L, pero también es posible especificar placas de metales exóticos y de difícil mecanizado, como el titanio y el aluminio, para obtener un peso más ligero y una mayor resistencia a la corrosión.

En cuanto a las láminas para motores, podemos suministrar todos los tipos de aceros eléctricos, aceros al silicio, aleaciones de níquel-hierro y aleaciones de hierro-cobalto. También es posible grabar tipos patentados, como VACOFLUX®.

Las barras colectoras se suministran de serie en cobre, latón o aluminio, y es posible pasar de la fabricación de piezas únicas a la producción en serie utilizando el mismo utillaje en cuestión de días.

Resumen

La versatilidad del proceso de grabado fotoquímico, unida a los 60 años de experiencia de Precision Micro en este campo, lo convierte en una opción muy atractiva para la fabricación de piezas complejas de chapa metálica dentro de la cadena de suministro de la industria de los vehículos eléctricos.

Además de impulsar la innovación que exige un sector en rápida evolución, elimina los obstáculos a los que se enfrentan los ingenieros de diseño y que son propios de las tecnologías tradicionales.