PNNL, Magna demuestran la viabilidad de usar ShAPE con aluminio secundario para componentes de automóviles

El Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía ha estado desarrollando el proceso de Extrusión y Procesamiento Asistido por Corte (ShAPE) (publicación anterior) para permitir una producción más rentable y energéticamente eficiente de estructuras de alta resistencia a partir de metales y aleaciones metálicas durante varios años. , con aplicación a una gama de diferentes metales.

Ahora, en colaboración con Magna, PNNL ha demostrado la viabilidad de utilizar ShAPE para fabricar extrusiones multicelda a partir de aluminio secundario. En un informe técnico publicado a principios de este año, los ingenieros de PNNL y Magna señalaron que:

Los componentes de automoción fabricados 100 % con aluminio secundario ofrecen un ahorro de energía >50 % y un ahorro de CO2 >90 % durante el proceso de fabricación en comparación con la extrusión convencional. El uso de aluminio secundario como materia prima no solo es ecológico, sino que también puede reducir significativamente el costo de los componentes. Esto se debe a que se puede eliminar la necesidad de diluir Fe con Al primario, eliminando así la energía, el carbono y los costos asociados con la producción de aluminio primario. Además, los componentes automotrices livianos fabricados con aleaciones de Al ofrecen un ahorro de peso del 25 % en comparación con el acero de alta resistencia de última generación. Como resultado, los componentes de acero están siendo reemplazados por componentes de aluminio donde sea factible.

Para mejorar la reciclabilidad, este Acuerdo de Investigación y Desarrollo Cooperativo (CRADA) entre el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) y Magna Services of America (Magna) tenía como objetivo desarrollar ShAPE para demostrar el potencial de convertir chatarra industrial de aluminio directamente en componentes automotrices de subescala. .

Todas las estructuras de batería de vehículos eléctricos (EV) brindan una posible oportunidad de inserción basada en un rendimiento igual o mejorado, a un costo reducido en comparación con las extrusiones convencionales. La reducción potencial de costos y los beneficios ambientales del uso de materias primas compuestas al 100 % por Al secundario están bien establecidos. Sin embargo, el uso de chatarra secundaria sin la adición de Al primario no se ha convertido en un proceso industrial debido a los desafíos fundamentales del material asociados con la dispersión intermetálica y la microestructura uniforme. Estas limitaciones del proceso se han superado utilizando técnicas de deformación plástica severa (SPD), como el prensado angular de canal igual (ECAP). Aunque exitoso desde un punto de vista científico, ECAP y otros procesos SPD no son escalables a nivel industrial. ShAPE combina las ventajas microestructurales de SPD con la escalabilidad de un proceso de extrusión convencional para ofrecer una tecnología única para convertir chatarra secundaria de Al directamente en componentes automotrices mientras cumple con los requisitos de propiedad estándar de la industria.

El proceso SHAPE de PNNL utiliza una máquina para hacer girar palanquillas o trozos de aleación de metal a granel, creando suficiente calor a través de la fricción para ablandar el material para que pueda extruirse fácilmente a través de una matriz para formar tubos, varillas y canales. La extensión de la generación de calor y la profundidad de la zona de deformación se controlan mediante la regulación de la velocidad de rotación, la temperatura y la velocidad del ariete.

Las fuerzas lineales y de rotación simultáneas utilizan solo el 10 % de la fuerza que normalmente se necesita para empujar el material a través de la matriz en los procesos convencionales.

Esta reducción significativa en la fuerza permite una maquinaria de producción sustancialmente más pequeña, lo que reduce los gastos de capital y los costos operativos. El consumo de energía es igualmente bajo. La cantidad de electricidad utilizada para hacer un tubo de 1 pie de largo y 2 pulgadas de diámetro es aproximadamente la misma que se necesita para hacer funcionar un horno de cocina residencial durante solo 60 segundos.

Para adaptar ShAPE para su uso con aluminio secundario, los ingenieros integraron una configuración de troquel en forma de ojo de buey dentro del proceso giratorio de ShAPE. En un artículo publicado en Manufacturing Letters, el equipo informa sobre la extrusión de perfiles trapezoidales circulares, cuadrados, trapezoidales y de dos celdas a partir de chatarra industrial de aleación de aluminio 6063.

La caracterización microestructural se presentó para un perfil trapezoidal que tiene un tamaño de grano promedio de 6,7 µm en la condición de extrusión. Los tubos redondos alcanzaron un límite elástico (246,9 ± 10,4 MPa), una resistencia máxima a la tracción (270,8 ± 9,6 MPa) y una elongación uniforme (16,5 ± 2,4 %) que excedieron los estándares de la industria.

Mostramos que las piezas de aluminio formadas con el proceso ShAPE cumplen con los estándares de la industria automotriz en cuanto a resistencia y absorción de energía. La clave es que el proceso ShAPE rompe las impurezas metálicas en la chatarra sin requerir un paso de tratamiento térmico que consume mucha energía. Esto solo ahorra un tiempo considerable e introduce nuevas eficiencias.

El informe técnico y las publicaciones de investigación marcan la culminación de una asociación de cuatro años con Magna, el mayor fabricante de autopartes de América del Norte. Magna recibió fondos para la investigación colaborativa de la Oficina de Tecnologías de Vehículos del DOE, Programa de Consorcio de Materiales Ligeros (LightMAT).

Extrusiones hechas a partir de chatarra industrial AA6063 por ShAPE produciendo perfiles (a) circulares, (b) cuadrados, (c) trapezoidales y (d) trapezoidales de dos celdas. (Imagen cortesía de Scott Whalen | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico)

Los resultados mostraron que los productos ShAPE son uniformemente fuertes y carecen de defectos de fabricación que puedan causar fallas en las piezas. En particular, los productos no tenían señales de los grandes grupos de metal, impurezas que pueden causar el deterioro del material y que han obstaculizado los esfuerzos para utilizar aluminio reciclado secundario para fabricar nuevos productos.

El equipo de investigación ahora está examinando aleaciones de aluminio de mayor resistencia que se usan típicamente en los gabinetes de baterías para vehículos eléctricos.

Esta innovación es solo el primer paso hacia la creación de una economía circular para el aluminio reciclado en la fabricación. Ahora estamos trabajando para incluir flujos de residuos posconsumo, lo que podría crear un mercado completamente nuevo para la chatarra de aluminio secundaria.

Además de Whalen, el equipo de investigación de PNNL incluyó a Nicole Overman, Brandon Scott Taysom, Md. Reza-E-Rabby, Mark Bowden y Timothy Skszek. Además de DiCiano, los colaboradores de Magna incluyeron a Vanni Garbin, Michael Miranda, Thomas Richter, Cangji Shi y Jay Mellis. Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Tecnologías de Vehículos del DOE, Programa LightMAT.

La tecnología patentada ShAPE está disponible para la concesión de licencias para otras aplicaciones.

Recursos

Scott Whalen, Brandon Scott Taysom, Nicole Overman, Md. Reza-E-Rabby, Yao Qiao, Thomas Richter, Timothy Skszek, Massimo DiCiano (2023) "Extrusión por matriz de chatarra industrial de aluminio 6063 mediante procesamiento y extrusión asistidos por cizalla,"Fabricación Cartas, Volumen 36 doi: 10.1016/j.mfglet.2023.01.005.

Publicado el 19 de abril de 2023 en Fabricación, Antecedentes del mercado, Materiales, Reciclaje | Enlace permanente | Comentarios (0)