Estampación de metales de precisión para componentes de vehículos eléctricos: materiales, tolerancias y requisitos de calidad.

Eléctrico   Los vehículos están compuestos por cientos de diminutos componentes metálicos que facilitan la transferencia de energía, realizan las conexiones electrónicas y soportan temperaturas extremas y esfuerzos mecánicos durante años. La mayoría de estos componentes son piezas de estampado de precisión , como terminales y conectores de carga, fabricadas en grandes volúmenes que alcanzan fácilmente millones de unidades al año. Una sola desviación en la tolerancia de una pequeña barra de transmisión de energía o punto de contacto puede provocar una caída de tensión, disipación de calor localizada o generalizada, o una falla en la conexión interna de la batería. El estampado de grado automotriz actual cumple con los requisitos de la norma ISO/IATF 16949.

Muchos proveedores de componentes para vehículos eléctricos (VE) aplican tolerancias tan estrictas como ±0,001 pulgadas en las superficies de contacto principales. Este artículo describe la selección de materiales adecuados, el establecimiento de tolerancias objetivo, los controles de calidad y otros elementos clave que deben tenerse en cuenta al adquirir piezas estampadas para proyectos de VE.

Componentes de la batería y contactos eléctricos

Las baterías son, quizás, uno de los componentes más difíciles de fabricar correctamente en los coches eléctricos. Los conectores de las celdas, las pestañas de los terminales y los muelles de contacto se encuentran dentro de una carcasa sellada donde la temperatura y la tensión mecánica aumentan continuamente durante la vida útil del vehículo. Una pieza suelta u oxidada dentro de la batería puede provocar un sobrecalentamiento localizado o una avería en el vehículo, por lo que la tolerancia y la elección de los materiales son cruciales en esta parte, más que en casi cualquier otra.

Terminales de cobre y su función

Los terminales de cobre actúan como vías de conducción de electricidad entre componentes, como celdas, módulos e incluso hasta el cableado del vehículo.

Con cobre puro y aleaciones de cobre como C1100,C5191,C7025,C18160,C18150 No se produce una gran pérdida de energía. Su conductividad puede alcanzar el 100 % IACS, lo que permite una baja generación de calor bajo cargas eléctricas elevadas. El grosor de los terminales suele oscilar entre 0,2 mm y 1,5 mm, y los bordes estampados deben estar libres de rebabas, ya que un borde rugoso solo incrementará la resistencia de la corriente y, por consiguiente, su temperatura en la interfaz con el material.

El recubrimiento proporciona una capa protectora:

• El estañado ayuda mucho en lo que respecta a la corrosión habitual, ya que una capa protectora evita una mayor corrosión, además de permitir una soldadura muy sencilla.
• Las superficies plateadas dan lugar a contactos de resistencia ultrabaja, razón por la cual se utilizan en terminales de alta potencia como este.
• Las piezas niqueladas son resistentes a la corrosión en lugares donde la temperatura es relativamente alta dentro de un paquete, lo que las hace adecuadas para una exposición prolongada al aire libre.

Contactos eléctricos y diseño de resortes

La conexión eléctrica mediante contactos de resorte es fundamental para el buen funcionamiento y la durabilidad del dispositivo. Estos contactos se denominan así por su parecido con los fragmentos de bala, y se sabe que las balas conservan su forma tras innumerables ciclos de inserción y extracción. Por ello, el cobre-berilio y el bronce fosforoso se consideran los mejores materiales para esta aplicación, ya que mantienen sus propiedades elásticas tras continuas operaciones de flexión.

Un contacto de resorte defectuoso provoca una conexión intermitente. En la práctica, esto significa que los indicadores del tablero se encenderán y apagarán intermitentemente, o que la carga no será la adecuada, lo cual se notará más adelante y causará muchos problemas.

Barras conductoras   y conectores de carga

El uso de barras conductoras para transportar grandes cantidades de corriente entre las baterías, el inversor y el motor es bastante común. Las barras conductoras estampadas, a diferencia de los mazos de cables, proporcionan una ruta fija de muy baja resistencia que puede transportar corrientes más altas en un área mucho menor.

La mayoría de las barras colectoras para vehículos eléctricos están hechas de láminas de cobre o aluminio de entre 1 y 4 mm de espesor. Tras ser estampadas, se les da forma para que se ajusten perfectamente a la disposición del paquete de baterías.

Un conector de carga tiene requisitos diferentes para su cableado.

En ocasiones, un conector de carga rápida de CC puede transferir más de 350 kW a través de pines del tamaño de la punta de un lápiz; solo entonces se comprende la necesidad de contar con un terminal de cobre o de metal estampado, que se utilice en el conector, con un acabado superficial limpio y un ajuste interno muy preciso para evitar arcos eléctricos o sobrecalentamiento durante la carga.

Entre las piezas que Fortuna Metals produce para la carga de armas se encuentran los terminales de cobre fabricados para programas de vehículos de nueva energía, que la empresa debe soportar tolerancias estrictas mientras nuestros ciclos de conexión y desconexión continúan.

Especificaciones clave que se deben comprobar en las barras conductoras

Cuando desee proceder con la aprobación del diseño de la barra colectora, no olvide solicitar las siguientes especificaciones al proveedor:

Compruebe que la capacidad actual no se base únicamente en el uso promedio; también deben tenerse en cuenta las condiciones reales de funcionamiento.

• Espesor del recubrimiento de las superficies de contacto, generalmente medido en micras.
• La uniformidad a lo largo de la barra conductora, al ser una pieza curvada, dará como resultado diferentes presiones de contacto.
• Recubrimiento aislante cuando una parte de la barra colectora se acerca a otras partes conductoras.

Selección de materiales para conductividad y resistencia a la corrosión

Es posible que hayas oído que los materiales utilizados para diversos componentes de los vehículos eléctricos están expuestos a los productos químicos de las baterías, la sal de la carretera y el refrigerante, por no mencionar el movimiento constante debido a la vibración que acompaña a la conducción de estos coches.

Por lo tanto, las opciones de materiales deben incluir consideraciones de conductividad, además de resistencia y durabilidad frente a la corrosión a largo plazo. Cualquier componente que falle prematuramente supone un gasto enorme en concepto de reemplazo bajo garantía e incluso, si se trata de componentes relacionados con la seguridad, una situación que pone en peligro la vida.

Cobre   El conductor tiene la mejor conductividad eléctrica, pero debe estar chapado o recubierto para protegerlo de la humedad dentro de la batería. El aluminio es menos conductor, pero mucho más ligero, una característica muy valorada en los vehículos eléctricos, donde el peso de la batería influye directamente en la autonomía. Es frecuente ver soportes estructurales de acero inoxidable que contienen módulos de batería, ya que la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión son factores clave, y no la conductividad eléctrica.

Consistencia de las dimensiones en la fabricación

Los vehículos de transporte compartido deben tener una vida útil considerable, y, por supuesto, la producción de baterías se lleva a cabo simultáneamente, por lo que se requiere consistencia en las piezas fabricadas. En otras palabras, un proveedor debe garantizar que la tolerancia entre la pieza número uno y la pieza número un millón se mantenga constante. La consistencia en las dimensiones se basa en el control del desgaste de los troqueles, el mantenimiento de las prensas y la inspección durante el proceso. Al evaluar al proveedor, se deben tener en cuenta estas actividades.

• Utilice gráficos de control de procesos únicamente para dimensiones críticas.
• Utilice una máquina de medición por coordenadas para realizar controles de calidad en cada lote producido.
• El mantenimiento de la matriz debe realizarse según el número de ciclos de escritura en lugar de basarse únicamente en la inspección visual.
• Los proveedores de módulos de baterías deben proporcionar informes de inspección de la primera muestra de todas las herramientas de nuevo desarrollo tras la fase de muestreo y antes de la producción en serie.

Un proveedor que carezca de tales controles podría entregar piezas que cumplan con las especificaciones el primer día, pero que gradualmente se desvíen de ellas al sexto mes, lo que provocaría problemas en la línea de montaje que saldrían a la luz lejos de la prensa de estampado.

Soportes y piezas de soporte estructural

No todas las piezas estampadas de un vehículo eléctrico conducen corriente. Los soportes se utilizan principalmente para sujetar los módulos de batería, los arneses de cableado y las líneas de refrigeración dentro del vehículo durante toda su vida útil. Estas piezas están sometidas a vibraciones continuas de la carretera y a cambios de temperatura debido a la proximidad de las baterías. Por lo tanto, la resistencia a la fatiga del material es tan importante como su resistencia mecánica. Tanto el acero inoxidable como el acero al carbono revestido se utilizan con frecuencia en soportes; su elección suele basarse en las limitaciones de peso y en el riesgo de corrosión del lugar de montaje.

Requisitos de calidad que más importan

IATF 16949 es un conjunto de estándares de calidad utilizados específicamente por proveedores en una cadena de suministro de autopartes. Los proveedores acreditados por los sistemas de gestión ambiental IATF 16949, ISO 9001 e ISO 14001 han superado varias auditorías que incluyen control de procesos, trazabilidad y mejora continua. Fortuna Metals está certificada por IATF 16949: 2016, ISO 9001: 2015 e ISO 14001: 2015. Es una empresa de estampado certificada que utiliza más de 80 prensas de estampado para operaciones de estampado que van desde 25 a 300 toneladas y más de 40 máquinas CNC para otros trabajos.

Además de la certificación, aquí hay una lista de aspectos relacionados con los proveedores que vale la pena conocer:

• Trazabilidad del material a partir del certificado de fábrica para cada bobina o carrete.
• Cumplimiento y presentación de informes medioambientales, incluido el CBAM para las piezas enviadas a la UE.
• Es posible que no tenga que esperar tanto si un troquel requiere ajustes; por lo tanto, la capacidad de realizar trabajos de diseño y reparación de herramientas in situ puede resultar esencial.
• Si un componente de un vehículo eléctrico se exporta desde varios países y luego se ensambla en la fase final de producción, probablemente se necesite una empresa con experiencia en exportaciones internacionales.

Reflexiones finales

Regiones   La fabricación de componentes para vehículos eléctricos suele requerir un método de estampado de metales de alta precisión para producir componentes tan sensibles. Mantener la consistencia en la conductividad, la resistencia a la corrosión y las propiedades dimensionales de una gran cantidad de componentes durante un largo período de tiempo es una tarea compleja pero indispensable para cualquier fábrica de estampado de metales. Colaborar con un proveedor que posea las certificaciones automotrices pertinentes, capacidad de fabricación propia y una sólida trayectoria en productos como terminales de cobre, barras colectoras y conectores de carga, sin duda fortalecerá el desarrollo de su proyecto, desde la fase de prototipo hasta la producción a gran escala.

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Preguntas frecuentes

1. ¿Qué tolerancia suelen necesitar las piezas estampadas para vehículos eléctricos?

Las partes más importantes, como los contactos, están sujetas a tolerancias mucho más estrictas, de ±0,001 a ±0,003 pulgadas. ¡Las piezas de la industria en general no suelen tener tolerancias tan estrictas!

2. ¿Por qué se utiliza el cobre para los terminales y las barras colectoras de los vehículos eléctricos?

Para mantener una resistencia muy baja durante cargas de alta corriente, el cobre con una conductividad del 100% es la mejor opción.

3. ¿Qué certificación debe tener un proveedor de piezas para vehículos eléctricos?

Certificación IATF 16949:2016, así como certificaciones ISO 9001:2015 e ISO 14001:2015 para sistemas de gestión de calidad y gestión ambiental.

4. ¿Qué grosor tienen las barras conductoras típicas que se utilizan en los paquetes de baterías de los vehículos eléctricos?

La mayoría de ellos tienen un grosor de entre 1 mm y 4 mm, y varían en función del espacio disponible y de la carga de corriente que soportará el componente.

5. ¿Por qué la consistencia dimensional es más importante en la producción de vehículos eléctricos?

Dado que las series de producción de vehículos eléctricos son muy largas y se necesitan piezas en grandes cantidades, incluso las pequeñas variaciones que se acumulan con el tiempo podrían provocar problemas de montaje y graves problemas de seguridad a largo plazo.