​Ayudando a los fabricantes de vehículos eléctricos a competir

~~

«Es la competencia», dijo el empresario estadounidense John Mackey, «lo que obliga a las empresas a salir de su autocomplacencia». Estamos viendo esto en los mercados globales de vehículos eléctricos (EV). Los fabricantes deben producir transmisiones de EV más ligeras y compactas a partir de materiales resistentes, como aceros de baja aleación, y aquellos que dependen de procesos de fabricación tradicional corren el riesgo de quedarse atrás.  

Las ventas de vehículos eléctricos (EV) han dado un gran salto en los últimos años. Según EV-Volumes, en febrero de 2022 se registraron en todo el mundo 541 780 nuevos coches eléctricos enchufables, el doble que en febrero del año anterior. Mientras tanto, Virta informa de que se registraron 1,06 millones de nuevos vehículos eléctricos en Europa en los primeros seis meses de 2021, frente a 413 durante la primera mitad del año anterior. Eso supone un aumento de más del 157 %, mientras que las matriculaciones en China, el otro mercado importante que impulsa las ventas de vehículos eléctricos, y EE. UU. aumentaron más del 197 % y más del 166 %, respectivamente.

A partir de estas cifras, está claro que los mercados globales de vehículos eléctricos están creciendo rápidamente, pero, ¿qué está impulsando estas ventas? Un factor son los ambiciosos objetivos de cero emisiones prometidos por la Unión Europea (UE), Asia y EE. UU. La UE se ha comprometido a reducir sus gases de efecto invernadero al menos un 40 % por debajo de los niveles de 1990, y China a reducir sus niveles a un 60-65 % por debajo de los de 2005, para 2030. Mientras tanto, EE. UU. ha prometido una reducción del 26-28 % por debajo de los niveles de 2005 para 2025.

¿Qué papel pueden desempeñar los vehículos eléctricos para ayudar a estos países a alcanzar sus objetivos? En verdad, las comparaciones entre las ventajas ambientales de los vehículos eléctricos frente a los vehículos con motor de combustión interna no son sencillas. Según Carbon Brief, depende del tamaño de los vehículos, la exactitud de las estimaciones de economía de combustible utilizadas, cómo se calculan las emisiones de electricidad, qué patrones de conducción se asumen e incluso el clima de las regiones donde se utilizan los vehículos. No existe una estimación única que se aplique en todas partes. Sin embargo, el informe de Carbon Brief concluye que, en general, los vehículos eléctricos son responsables de emisiones considerablemente más bajas durante su vida útil que los vehículos con motor de combustión interna.

Las tecnologías de movilidad eléctrica también pueden respaldar los otros dos factores principales que impulsarán las ventas de vehículos eléctricos. En primer lugar, un movimiento global hacia el uso de fuentes de energía más eficientes y renovables, por ejemplo, como lo describió recientemente la presidenta de la Comisión Europea, Ursula von der Leyen. En segundo lugar, cambiar las actitudes entre los consumidores: la mitad de los encuestados en la Global Consumer Insights Pulse Survey de diciembre de 2021 de PwC dijo que sus percepciones se habían vuelto más ecológicas.

Engranajes planetarios

Para los fabricantes de automóviles  (OEM), todos los factores anteriores subrayan la necesidad de alejarse de los motores de combustión tradicionales, y China y Europa tomarán la iniciativa en estos desarrollos. Estos mercados de vehículos eléctricos también formarán un campo de juego diverso y competitivo a medida que las empresas establecidas más grandes, como Porsche, compitan con fabricantes más pequeños que se expanden a nivel mundial, como Polestar.

Las transmisiones de EV son principalmente de diseño planetario.

Al mismo tiempo, la fabricación de vehículos eléctricos también presentará desafíos adicionales, que exploraremos, con el riesgo de que los fabricantes que dependen de procesos de producción tradicionales se queden atrás. Para examinar estos desafíos, centrémonos en la fabricación de componentes de engranajes.

La capacidad de controlar las revoluciones por minuto (rpm) con cambios es fundamental para todo tipo de vehículos, incluidos los eléctricos. Todas las transmisiones de EV son las llamadas transmisiones de reducción, diseñadas para reducir la velocidad del vehículo para que pueda controlarse y conducirse de manera económica. Debido a que no hay sonidos de motor de combustión en un EV, se notará cualquier ruido de la transmisión. Por ello, la tarea principal es evitar los ruidos. Aquí es donde la calidad de la configuración del mecanizado juega un papel decisivo, para que la transmisión sea lo más compacta, ligera y silenciosa posible.

Las transmisiones de EV son principalmente de diseño planetario, con los engranajes planetarios y el engranaje solar montados dentro de la corona dentada periférica con un conjunto compacto y ligero. La corona dentada es el componente más difícil de producir, con sus paredes delgadas y sus altas exigencias de redondez. Desafortunadamente, los procesos de fabricación tradicional pueden empeorar estas dificultades con varias desventajas de tiempo y coste.

Fabricación tradicional

Los procesos de fabricación tradicional generalmente se basan en máquinas de un solo propósito. Cada máquina está limitada a un área determinada de mecanizado, y la pieza de trabajo va pasando de una a otra. Esto hace que las líneas de producción sean inflexibles a la hora de responder a los cambios necesarios en el diseño de los componentes.

Mover la pieza de trabajo de una máquina a otra también puede empeorar la calidad del componente al crear desviaciones del centro y excentricidad. El tratamiento térmico posterior es más difícil de controlar y los métodos tradicionales de mecanizado suave, seguidos de procesos de rectificado, son muy costosos. Estos procesos también requieren un mecanizado adicional a base de aceite, en beneficio del propio mecanizado y también de la evacuación de virutas.

En los próximos años, estas desventajas solo pasarán a ser más pronunciadas frente a las principales tendencias de fabricación previstas para los vehículos eléctricos. También podemos esperar ver una demanda de mayores velocidades en el desarrollo de nuevas transmisiones, una necesidad de una mayor productividad y flexibilidad al mismo tiempo, y una demanda para obtener rendimientos de las inversiones (ROI) en plazos más cortos. Las máquinas inflexibles de un solo propósito serán más desventajosas a medida que la flexibilidad, la productividad y la rentabilidad vayan siendo más vitales para la fabricación de piezas de vehículos eléctricos.

Esta es la razón por la que los fabricantes deberían mejorar sus procesos de fabricación tradicional. Pero, ¿cómo deberían hacerlo? Una manera es invirtiendo en máquinas multitarea. Como se mencionó, los equipos de rectificado comúnmente utilizados en la fabricación tradicional pueden ser una inversión costosa. Una buena manera de eludir esto es dividir el mecanizado de componentes de engranajes en dos procesos: mecanizado suave y mecanizado duro. Estos métodos se pueden implementar en una sola configuración de máquina multitarea.

Las máquinas multitarea pueden eliminar los procesos de mecanizado, su tiempo y costes asociados y también mejorar la calidad de la pieza. Las máquinas también ofrecen ventajas al cliente. Junto con las mejoras en la calidad del producto, los tiempos de ciclo del proceso son mejores, o al menos iguales a los de las soluciones de producción existentes. De hecho, Sandvik Coromant ha visto reducciones de costes mínimas del 30 % para el usuario final.

Por último, los fabricantes pueden lograr una mayor flexibilidad en la producción de futuros componentes para la movilidad eléctrica. El proceso permite reducir el tamaño y el peso de los componentes de la transmisión. El power skiving puede aplicarse a engranajes y estriados tanto interiores como exteriores, pero es especialmente productivo en operaciones de mecanizado interior. El método funciona especialmente bien en producciones en serie, donde los plazos de entrega cortos son decisivos.

Proceso único y continuo

Como se mencionó, la corona dentada es el componente más difícil de producir en un engranaje planetario, pero el concepto de power skiving, que en realidad existe desde hace más de un siglo, está emergiendo como la forma más eficiente de lograrlo. El power skiving es un proceso que combina conformado y tallado con fresa madre (un proceso de mecanizado de engranajes) en un proceso de corte único y continuo. Este presenta varias ventajas importantes sobre los métodos de mecanizado tradicionales. En lugar de depender de una máquina de un solo propósito, con el power skiving se puede mecanizar un componente completo en una máquina multitarea para una mayor productividad y flexibilidad. Se elimina la necesidad de máquinas especializadas y las restricciones de calidad debidas a los cambios de máquina pueden eliminarse por completo. Esto reduce significativamente el tiempo total de producción, en comparación con los procesos de brochado, conformado y tallado con fresa madre, para lograr un mecanizado de componentes más manejable y predecible.

El power skiving es cada vez más popular y, desde 2014 en adelante, se han entregado más de 700 máquinas herramienta para power skiving. La mayoría de estas, más del 60 %, son máquinas multitarea. Eso significa que los principales procesos de mecanizado se producen dentro de la misma configuración única. Esto mejora la calidad del componente y permite un mecanizado más eficiente.

Sandvik Coromant ha desarrollado sus propias herramientas de alta calidad para power skiving, que están optimizadas para ayudar a sus clientes en el mecanizado exacto de transmisiones de EV. Entre ellas se incluye CoroMill 178, una fresa sólida para power skiving, que se puede pedir como acero rápido pulvimetalúrgico (PM-HSS) o metal duro. También se encuentra CoroMill 180, una fresa de plaquita intercambiable con asientos de plaquita con raíl diseñada para una excelente exactitud repetible. Las herramientas se pueden optimizar con respecto a la rigidez y el voladizo, el suministro de refrigerante y la vida útil máxima de la herramienta. Estos factores combinados ofrecen una producción fiable las 24 horas.

Tiempo de mecanizado reducido

Cuando un fabricante de engranajes principales en acero de baja aleación quiso reemplazar su lento proceso de conformado, recurrió a Sandvik Coromant. El cliente reemplazó sus procesos existentes por power skiving y, además, pudo reemplazar las cuatro máquinas específicas que usaba anteriormente, solo dos máquinas multitarea. Al final, el tiempo de mecanizado del cliente se redujo en un 90 %, con una vida útil de la herramienta considerablemente mayor. En otros casos, se demostró que el power skiving es de dos a tres veces más rápido que los procesos tradicionales.

En cada centro de Sandvik Coromant, cada fabricante o contratista de transmisiones de EV puede mecanizar sus propios componentes con power skiving en modernas máquinas multitarea. Hay personal cualificado y experimentado listo para respaldar las próximas inversiones de los clientes para lograr un mecanizado de engranajes productivo, eficiente y flexible para vehículos eléctricos, todo en una sola configuración.

Estas son algunas de las razones por las que el power skiving está emergiendo como el método de más rápido crecimiento para el mecanizado de engranajes, con ahorros de tiempo y costes. Es accesible para los fabricantes más pequeños, ayudándolos a competir a un nivel superior, y para los fabricantes más grandes para ayudarlos, en palabras de John Mackey, a «salir de su autocomplacencia».