La extrusión, que puede producir piezas complejas hechas de metales ligeros, es un proceso de fabricación cada vez más importante para todo, desde edificios hasta vehículos eléctricos.Patentado del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL)Procesamiento y extrusión asistidos por cizallamiento (ShAPE)La técnica es un paso más allá de la extrusión tradicional, capaz de crear materiales y componentes con propiedades extraordinarias que no se pueden lograr mediante la fabricación convencional.

Ahora, la máquina ShAPE de próxima generación ha llegado al PNNL, donde ayudará a demostrar el valor de la técnica ShAPE."ShAPE 2", que ya está en funcionamiento, está diseñado para permitir a los investigadores producir extrusiones más grandes y complejas, un paso importante hacia muchas aplicaciones industriales del mundo real para la técnica ShAPE.

"Esto nos lleva al ámbito de las cosas que pueden ir en edificios y automóviles reales", dijo Scott Whalen, codesarrollador de ShAPE y científico jefe de materiales de PNNL."En ShAPE 2, ya hemos creado perfiles que satisfacen las necesidades de piezas del mundo real. Por ejemplo, extruimos un tubo con un diámetro de dos pulgadas y un espesor de pared de 0,1 pulgadas, el mismo perfil que un riel de techo.en una Ford F-150."

Ponerse en forma

Los componentes metálicos extruidos se fabrican empujando un tocho de metal a través de una abertura en una matriz.Tradicionalmente, la extrusión de metal utiliza calor externo para ablandar todo el tocho antes de empujarlo a través del troquel.

No es así con ShAPE.En cambio, ShAPE combina un cabezal giratorio cerca del troquel con una prensa hidráulica increíblemente poderosa en el extremo opuesto.La prensa hidráulica fuerza el tocho hacia el troquel y el cabezal giratorio produce fricción que calienta y ablanda solo la porción del tocho que ingresa al troquel.

Este enfoque permite la producción de piezas con químicas y microestructuras no convencionales que producen propiedades de material mejoradas, así como la extrusión de chatarra de aluminio posconsumo, que puede reducir la energía incorporada y las emisiones de carbono en >90 % en comparación con los métodos de reciclaje tradicionales.

Más duro, mejor, más rápido, más fuerte

La máquina ShAPE de primera generación, que debutó hace siete años, ha sido objeto de una amplia gama de investigaciones, lo que demuestra la aplicabilidad de ShAPE para casos de uso que van desde componentes automotrices hasta ultraconductores.Mientras ShAPE 1 continuaba triunfando prueba tras prueba, los investigadores planearon el siguiente paso: ampliarlo.

Ingrese ShAPE 2. La nueva máquina fue diseñada y fabricada por Bond Technologies y entregada al Laboratorio de Energía Aplicada de PNNL a fines del año pasado.La máquina produjo rápidamente sus primeras extrusiones exitosas.

"En comparación con ShAPE 1, ShAPE 2 nos ofrece tres veces la potencia del motor, cuatro veces el par y un 50% más de fuerza de ariete", explicó Whalen.

Fundamentalmente, la máquina ShAPE 2, mucho más grande, permite la producción de extrusiones más grandes.Mientras que ShAPE 1 solo podía producir extrusiones en el rango de 1/2 a 3/4 de pulgada de diámetro, ShAPE 2 permitirá extrusiones con diámetros de hasta 1,5 o 2 pulgadas.

Para muchas otras aplicaciones, ShAPE 2 probablemente pueda producir componentes a aproximadamente la mitad de escala, y muchos componentes extruidos industrialmente requieren alrededor de cuatro pulgadas de diámetro.

"En PNNL, nuestro negocio es la investigación y el desarrollo", destacó Whalen."Pero abordar la ampliación de escala y otras cuestiones de fabricación ayuda a garantizar que tecnologías como ShAPE salgan del laboratorio y lleguen al mundo real. Aproximadamente a la mitad de la escala, ShAPE 2 es más relevante industrialmente que nunca. Es lo suficientemente grande como para que las partes interesadas y los ejecutivos puedanCreo en los beneficios y posibilidades."

Gracias al aumento en el tamaño de la extrusión, ShAPE 2 también permitirá a los investigadores crear características más complejas, como correas intrincadas, en sus extrusiones.

Pedalear a fondo

La primera pregunta que se le hará a ShAPE 2 es si la ampliación de la técnica produce cambios inesperados en las microestructuras o propiedades materiales de las extrusiones.

"Esperamos, aunque todavía tenemos que demostrarlo, que, en condiciones operativas similares, ShAPE 1 y ShAPE 2 producirán microestructuras similares", dijo Scott Taysom, ingeniero de investigación de PNNL.

Al probar los resultados de ShAPE 1 y ShAPE 2 entre sí, los investigadores planean proyectar cómo es probable que escale una máquina ShAPE completa a escala industrial.

"Este es un proceso nuevo y creemos que entendemos cómo se escalará, pero necesitamos validar nuestras proyecciones matemáticas con datos experimentales superando los límites de ShAPE 1 y ShAPE 2", dijo Whalen.

Las primeras pruebas se centrarán en probar los límites superiores de ShAPE 2, tanto para extrusiones redondas como para extrusiones más complejas, e introducir materiales más desafiantes, como chatarra de aluminio posconsumo.

"Estamos entusiasmados de fabricar componentes más grandes a partir de chatarra de aluminio que luego podamos enviar a las casas de acabado para ver cómo responde nuestro material reciclado al anodizado, la pintura, el recubrimiento en polvo, etc.", dijo Whalen.

"Para la construcción yindustria de la construcción, será importante demostrar que estos recubrimientos funcionan igual de bien en chatarra de aluminio extruido con ShAPE que en aleaciones primarias extruidas convencionalmente".

Si bien la mayor parte de la investigación inicial realizada sobre ShAPE 2 se centrará en evaluar la máquina en sí, otros proyectos de investigación comenzarán a utilizar la máquina a finales de año.Con el tiempo, ShAPE 2 se utilizará para áreas de investigación que abarcan aplicaciones en edificios, fabricación de automóviles, descarbonización industrial y más, y algunos de esos proyectos migrarán de la investigación sobre ShAPE 1.

TODAS LAS FORMAS Y TAMAÑOS

Mientras tanto, ShAPE 1 no irá a ninguna parte."ShAPE 1 sigue siendo una plataforma fantástica que siempre seguiremos utilizando para hacer ciencia", afirmó Whalen.

El equipo también espera utilizar ShAPE 1 como un trampolín de menor riesgo para promover la comprensión científica del proceso y ayudar a los investigadores que buscan eventualmente ampliar el trabajo a ShAPE 2.

"Si vas a utilizar un metal exótico o una aleación difícil de extruir y todavía estás pensando a qué temperatura quieres trabajar, probémoslo en algo más pequeño y más barato antes de pasar a algo más grande", Taysomdicho."Si accidentalmente destruyes un dado, será el dado más barato en ShAPE 1 en lugar del más caro en ShAPE 2. Y somos una organización de investigación y desarrollo que va más allá de los límites, por lo que a veces desechamos los dados, es solo unaparte de la investigación."

Siguiendo adelante

"ShAPE 2 nos permitirá aumentar nuestra capacidad de colaboración", afirmó Whalen."Cuando hablo con posibles socios de investigación, quedan impresionados con lo que estamos haciendo, pero siempre preguntan: '¿Cuál es el camino hacia piezas a gran escala?'Este es un paso para ayudar a la gente a comprender que ShAPE se puede ampliar".

Y, por supuesto, el equipo ya tiene ideas en mente para máquinas ShAPE adicionales.Es posible que esas iteraciones futuras no sean más grandes: en cambio, podrían centrarse en producir diferentes tipos de extrusiones a partir de materiales especializados, aprovechar nuevos tipos de componentes o prestar servicios más específicos.aplicaciones industriales.

"Como investigadores de un laboratorio nacional, uno de nuestros objetivos es eliminar el riesgo de que las tecnologías sean adoptadas por la industria, ya sea en escala, rendimiento o propiedades de los materiales".dijo Whalen."Estamos tratando de eliminar el riesgo en tantas áreas como podamos".