¿Qué es la fabricación de chapas metálicas? Todo lo que necesita saber

¿Qué es la fabricación de chapas metálicas?

La fabricación de chapas metálicas es una ciencia de fabricación básica que se ocupa de la producción de piezas, componentes y estructuras utilizando chapas metálicas planas. Se trata de un sistema completo de operaciones sustractivas, formativas y aditivas que, en conjunto, convierten una materia prima, una simple chapa metálica, en un objeto de alta ingeniería con una finalidad determinada. A diferencia de la fundición, en la que se utiliza material fundido, o el mecanizado, en el que se suele partir de un bloque sólido, la fabricación trabaja con metal en forma de lámina.

No se trata de un proceso monolítico, sino de una serie de procesos de fabricación de metales bien coordinados con distintos tipos de etapas. La fabricación en su forma más simple es el proceso de cortar el metal para darle la forma bidimensional deseada, doblarlo o darle forma tridimensional y ensamblar las piezas para formar un conjunto final. Un rasgo característico es el grosor del material, que suele oscilar entre 0,5 mm y 6 mm, aunque el material más fino suele denominarse lámina y el más grueso chapa de acero. Esta gama de chapa constituye la gran mayoría de las aplicaciones industriales y comerciales habituales.

Este proceso de producción contribuye a una cantidad increíble de los artículos que organizan nuestro mundo contemporáneo. Ya sea el chasis de un coche, la carcasa de un rack de servidores, los conductos de un rascacielos o las piezas internas exactas de un equipo médico, los productos de la fabricación de chapa metálica están por todas partes. Es útil porque puede fabricar piezas duraderas, resistentes y, con frecuencia, ligeras, y con un alto nivel de precisión y repetibilidad, lo que la hace esencial en casi todos los sectores de la economía. Es un testimonio del ingenio industrial, un proceso que confiere utilidad y valor a uno de los materiales más esenciales de la humanidad.

Procesos básicos en la fabricación de chapas metálicas

Para transformar una chapa plana en un producto acabado se emplea una serie de operaciones específicas y secuenciales. Cada proceso implica equipos especializados, conocimientos especiales y el comportamiento de los materiales. A pesar de que el orden puede variar en función de la complejidad de la pieza, los pasos básicos siguen siendo los mismos.

Diseño e ingeniería

La base de la pieza se establece en el mundo digital antes de cortar nada con metal. Esta es la etapa más crucial porque determina el éxito, el coste y la calidad del producto final, ya que la decisión que se tome aquí determina lo que se va a fabricar. El diseño asistido por ordenador (CAD), que es el proceso durante el cual los ingenieros y diseñadores elaboran una réplica cercana en 3D o 2D del componente, inicia este proceso. Estos modelos no pueden llamarse simplemente imágenes; son archivos con muchos datos que incluyen las dimensiones exactas, las tolerancias, los requisitos de material y las especificaciones de acabado.

Los planos detallados de ingeniería o dibujos de taller se derivan del modelo CAD. Estos documentos son el lenguaje internacional en el taller, ya que todas las demás operaciones se rigen por su contenido. El diseño para la fabricación (DfM) es una parte muy importante de esta fase.

El DfM es un componente activo de la ingeniería en el que intervienen las piezas de diseño para que el proceso de fabricación sea lo más fácil y perfecto posible. Esto incluye aspectos como elegir la curvatura y el radio adecuados para garantizar que el material no se agriete, asegurarse de que los agujeros estén adecuadamente separados de los bordes y que la geometría sea sencilla para minimizar el tiempo de mecanizado y la dificultad de la pieza. Un DfM adecuado se traducirá en un mínimo de desperdicios, una reducción del plazo de entrega y un enorme ahorro en los costes de producción.

Corte

Una vez finalizado el diseño, el primer paso físico consiste en cortar el patrón plano 2D a partir de la chapa en bruto. La elección del método de corte depende de los tipos de metales, su grosor, la precisión requerida y el volumen de producción.

• Corte por láser: Este método utiliza un rayo láser altamente concentrado para fundir, quemar o vaporizar el material, dejando un borde extremadamente preciso y de alta calidad. Es excepcionalmente versátil, capaz de manejar patrones intrincados en una amplia variedad de materiales, como acero, acero inoxidable y aluminio. Su velocidad y precisión la hacen ideal tanto para la creación de prototipos como para la producción a gran escala.
• Plasma Cortando: Una antorcha de plasma genera un arco eléctrico que convierte un gas, como el nitrógeno o el oxígeno, en un chorro de plasma sobrecalentado. Este chorro de plasma corta rápidamente el metal. Aunque no es tan preciso como el corte por láser, es mucho más rápido y eficaz para cortar chapas más gruesas, sobre todo de acero al carbono y aluminio.
• Corte por chorro de agua: Este proceso utiliza un chorro de agua a alta presión, a menudo mezclado con un granate abrasivo, para erosionar y cortar el material. Al ser un proceso de corte en frío, no somete al metal a esfuerzos térmicos, por lo que es perfecto para materiales sensibles a las altas temperaturas, como determinadas aleaciones de aluminio o metales pretemplados. Puede cortar casi cualquier material con una precisión excepcional para crear formas específicas.
• Esquila: Se trata de un proceso de corte que funciona como unas tijeras gigantes. El metal es forzado entre una cuchilla fija y otra móvil, produciendo un corte limpio y recto. Es una forma muy rápida y rentable de cortar líneas rectas, pero no es adecuada para formas complejas.

Doblar

El plegado transforma el patrón de corte 2D en una estructura 3D. Esto suele hacerse con la ayuda de una máquina conocida como prensa plegadora. Una pieza de chapa se sujeta en la prensa plegadora entre un punzón (la herramienta superior) y una matriz (la herramienta inferior). Entonces se ejerce una fuerza extrema, forzando el punzón en la matriz y doblando la chapa en un ángulo determinado.

El procedimiento es muy técnico. Los ingenieros tienen que calcular el margen o la deducción de curvatura, teniendo en cuenta el estiramiento y la compresión del material en la línea de curvatura y garantizando una orientación adecuada de la curva. Si esto no se tiene en cuenta, las dimensiones finales son erróneas. Pueden formarse varios doblados, incluidos doblados en V, en U y doblados descentrados, utilizando diversas combinaciones de punzones y matrices. Las plegadoras CNC (control numérico por ordenador) contemporáneas son capaces de mantener programas complicados y emplear una variedad de conjuntos de herramientas para producir componentes muy complejos con una repetibilidad excepcional.

Formando

El conformado implica varias técnicas y procesos que deforman el metal aparte del simple doblado. Suelen necesitar herramientas especiales y se emplean para hacer formas más complicadas en función del tipo de metal utilizado.

• Estampación: Término general que engloba una amplia gama de procesos en los que se emplea una prensa de estampación metálica y una matriz para dar forma al metal. Puede tratarse de punzonado (hacer agujeros), troquelado (cortar una pieza de la chapa) y acuñado (hacer detalles en la superficie). El estampado es muy rápido y es el proceso preferido cuando se producen grandes cantidades de la misma pieza, por ejemplo, piezas de automóviles o carcasas de electrodomésticos.
• Puñetazos: Esto se suele hacer en una punzonadora de torreta e implica un conjunto de punzones y matrices para cortar una serie de agujeros de diferentes formas y tamaños en una chapa. Una torreta controlada por CNC gira para elegir la herramienta adecuada para realizar cada operación, y puede utilizarse para producir con rapidez patrones de agujeros complejos, habituales en chasis de servidores o paneles perforados.
• Dibujo profundo: La embutición profunda es un proceso que se aplica para dar forma de copa o caja a una chapa plana. Un punzón introduce la chapa en una matriz de conformado, que la hace fluir y adoptar la forma deseada de la cavidad. Así se fabrican, por ejemplo, ollas, fregaderos y depósitos de combustible para automóviles.

Unión y montaje

En el caso de productos complejos, hay que ensamblar varias piezas fabricadas para formar el conjunto completo. El método de unión se elige en función de la resistencia necesaria, la compatibilidad de los materiales y el aspecto.

• Soldadura: Es una de las principales formas de formar uniones fuertes y permanentes. Se emplean distintos métodos, como la soldadura MIG (gas inerte metálico), a menudo denominada soldadura MIG, que es rápida y adaptable; la soldadura TIG (gas inerte de tungsteno), también conocida como soldadura TIG, que proporciona soldaduras de gran precisión y limpieza en materiales como el acero inoxidable y el aluminio; y la soldadura por puntos, que se utiliza para unir chapas solapadas en puntos concretos.
• Fascinante: Los remaches son fijaciones mecánicas que se utilizan para formar una conexión permanente entre dos o más piezas de material. Un remache se inserta en un agujero previamente taladrado y su cola se deforma para sujetarlo. Es un método típico en el sector del transporte y aeroespacial.
• Sujetadores: Los tornillos, pernos y tuercas comunes se utilizan en montajes que pueden requerir desmontaje para acceder a ellos o realizar su mantenimiento. La chapa también puede prensarse con insertos especiales para obtener puntos de montaje roscados resistentes.

Acabado

El último paso del proceso de fabricación es el acabado, que afecta al acabado superficial. Tiene dos funciones principales: proteger la pieza contra la corrosión y las condiciones ambientales, y darle el aspecto estético deseado.

• Recubrimiento en polvo: Se trata de un polvo seco que se pulveriza electrostáticamente sobre la superficie de la pieza y se cura al calor. Esto produce un acabado resistente y duradero que es menos propenso a desconcharse, rayarse y decolorarse que la pintura tradicional.
• Pintura: La pintura líquida puede pulverizarse o aplicarse de otro modo para dar color y una capa protectora.
• Anodizado: Proceso electroquímico que se aplica sobre todo al aluminio. Aumenta el grosor de la capa de óxido natural de la superficie, lo que mejora en gran medida la resistencia a la corrosión y la dureza de la superficie. Pueden incorporarse tintes al proceso para producir diversos colores.
• Galvanización: Se trata de un proceso por el que el acero o el hierro se recubren con una capa protectora de zinc para evitar la oxidación. Suele aplicarse a elementos estructurales y herrajes de exterior.

Materiales habituales en la fabricación de chapas metálicas

La flexibilidad de la fabricación de chapa metálica está estrechamente relacionada con la amplia gama de materiales diversos que puede admitir. La elección del material adecuado es una decisión muy importante que depende de los requisitos de resistencia, peso, resistencia a la corrosión, conductividad, trabajabilidad y coste.

• Acero: Un material dominante en la fabricación.
  • Acero al carbono: Es resistente y duradero, barato y habitual en automoción, construcción y usos industriales. Debe pintarse o recubrirse para evitar la oxidación.
  • Acero inoxidable: Se trata de una aleación de acero, cromo y normalmente níquel, caracterizada por su gran resistencia a la corrosión. Tiene una amplia aplicación en equipos de procesamiento de alimentos, equipos médicos y aplicaciones arquitectónicas en las que se necesita resistencia y durabilidad.
• Aluminio: Es un material apreciado por su relación resistencia/peso. Pesa aproximadamente un tercio que el acero, pero puede alearse para obtener una resistencia impresionante. Es intrínsecamente resistente a la corrosión, por lo que resulta adecuado en la industria aeroespacial, el transporte y los cerramientos exteriores.
• Cobre: El cobre se utiliza por su excelente conductividad eléctrica y térmica en barras colectoras, conectores eléctricos y disipadores térmicos. También es muy dúctil y resistente a la corrosión.
• De latón: Mezcla de cobre y zinc, el latón se utiliza habitualmente con fines decorativos por su color dorado. También se utiliza en fontanería y terminales eléctricos por su buena conductividad y resistencia a la corrosión.

Nota: Los valores mostrados en esta tabla representan rangos típicos basados en aleaciones de uso común y condiciones de fabricación. Las propiedades reales pueden variar en función de los grados, tratamientos y procesos de fabricación específicos.

Aplicaciones clave de la fabricación de chapas metálicas en las distintas industrias

El producto de la fabricación de chapa metálica forma parte de la funcionalidad y la forma de un número incalculable de productos en todos los sectores industriales importantes.

• Automóvil: El sector es un gran consumidor de piezas fabricadas. La fabricación se utiliza para hacer chasis de vehículos, paneles de carrocería, puertas, soportes y componentes de escape, principalmente mediante estampación y soldadura.
• Aeroespacial: Los factores más importantes son el peso, la resistencia y la precisión. Las pieles del fuselaje, las piezas de las alas, los soportes de apoyo y las piezas del motor se fabrican en aluminio y aleaciones especiales.
• Construcción y arquitectura: Los conductos de calefacción, ventilación y aire acondicionado, los paneles para tejados, los montantes metálicos, las fachadas de edificios y los soportes estructurales son productos fabricados. Los elementos arquitectónicos suelen ser de acero inoxidable y aluminio por su durabilidad y belleza.
• Electrónica: En casi todos los dispositivos electrónicos se utilizan carcasas fabricadas. Las carcasas de los bastidores de servidores, los chasis de ordenadores, los equipos de telecomunicaciones y los aparatos electrónicos de consumo dependen de carcasas metálicas cortadas y dobladas con precisión para proteger los componentes sensibles y disipar el calor.
• Médico: El sector médico necesita materiales de calidad, no corrosivos y fáciles de esterilizar. Los instrumentos quirúrgicos, las carcasas de dispositivos, las camas de hospital y los equipos de diagnóstico se fabrican con acero inoxidable y aluminio.
• Energía: Los armarios que albergan interruptores y transformadores eléctricos, así como partes de sistemas de energías renovables, como los bastidores de los paneles solares y las carcasas de los aerogeneradores, son componentes fabricados de la infraestructura energética.

Ventajas y retos de la fabricación de chapas metálicas

La fabricación, como cualquier proceso de fabricación, tiene sus propias ventajas y problemas técnicos que hay que resolver.

Ventajas:

• Resistencia y durabilidad: Las piezas metálicas que se fabrican son muy resistentes y pueden soportar mucha tensión y exposición al medio ambiente.
• Escalabilidad: Los procesos pueden aplicarse a una gran variedad de cantidades de producción, desde prototipos individuales hasta millones de piezas idénticas mediante estampación automatizada.
• Rentabilidad: El coste por pieza es muy bajo en volúmenes medios y altos. El material suele ser más barato que el material en bruto para mecanizar.
• Versatilidad: Se puede crear una gran variedad de formas, tamaños y geometrías utilizando una gran variedad de materiales y acabados.
• Precisión: Las nuevas máquinas controladas por CNC permiten fabricar piezas con tolerancias muy estrechas y alta repetibilidad.

Desafíos:

• Costes iniciales de utillaje: En algunos procesos, como la estampación o el conformado a medida, el coste inicial de fabricación de las matrices y el utillaje puede ser muy elevado. Esta inversión solo se amortiza en grandes series de producción.
• Material Springback: Al doblar un metal, éste tiende a recuperar parcialmente su forma original. Esta recuperación elástica debe calcularse y tenerse en cuenta en el proceso de plegado para obtener el ángulo final correcto.
• Limitaciones geométricas: La fabricación puede no ser capaz de crear formas orgánicas muy complejas con espesores de pared variables, que pueden ser más apropiadas para la fundición o la impresión en 3D.
• Trabajo Endurecimiento: Doblar y conformar el metal puede hacerlo más duro y quebradizo, y esto puede limitar el grado en que se le puede dar forma antes de que sea probable que se agriete.

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TZR, que cuenta con unas avanzadas instalaciones de 11.000 m², está equipado con cortadoras láser de última generación de 20.000 W, brazos de plegado automatizados, líneas de anodizado, etc. Ofrecemos tolerancias ajustadas de hasta ±0,02 mm, incluso en geometrías complejas, al tiempo que minimizamos las marcas de doblado. Nuestras capacidades abarcan el acero, el acero inoxidable, el aluminio y el cobre, todos ellos procesados para mantener la integridad del material y el máximo rendimiento.

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Perspectivas de futuro: Tendencias tecnológicas en la fabricación de chapa metálica

La fabricación de chapas metálicas no es un campo estancado. Está en constante cambio, y en él influyen el desarrollo de las tecnologías y las necesidades de la industria moderna.

• Automatización y robótica: El uso de la robótica en los procesos de fabricación está ganando terreno. La alimentación de máquinas, la soldadura y la manipulación de materiales son cada vez más habituales con brazos robóticos, lo que aumenta la eficiencia, la uniformidad y la seguridad de los trabajadores.
• Industria 4.0 y Fábricas Inteligentes: Los talleres de fabricación se están volviendo inteligentes. El Internet industrial de las cosas (IIoT) permite a las máquinas compartir su estado en tiempo real. El análisis de datos puede predecir las necesidades de mantenimiento, agilizar la planificación de la producción y proporcionar información detallada sobre la eficiencia operativa de los procesos de fabricación de chapa metálica.
• Software inteligente: El software CAD/CAM es cada vez más inteligente. Ahora los diseños pueden analizarse automáticamente para que sean fabricables, optimizarse e incluso generar las sendas más eficientes, ahorrando una enorme cantidad de tiempo de programación y errores humanos, todo ello con herramientas impulsadas por IA.
• Fabricación sostenible: Cada vez se presta más atención a la sostenibilidad. Esto implica el uso de equipos energéticamente eficientes, la eficiencia de los materiales para reducir la chatarra y la mejora de la reciclabilidad de los productos. También se están desarrollando nuevas aleaciones más ligeras para minimizar el impacto medioambiental de los productos finales, especialmente en la industria del transporte.

Estas tendencias indican que la fabricación de chapas metálicas será aún más precisa, eficiente, automatizada e integrada en el futuro, y seguirá siendo una parte esencial de la fabricación mundial.