Cómo el mecanizado CNC permite la fabricación de precisión de componentes para baterías y motores de vehículos eléctricos

Coches eléctricos Son aquellos coches que funcionan con un motor eléctrico en lugar de con motores de combustión interna que utilizan gasolina o gasóleo. Los vehículos eléctricos (VE) son la alternativa preferida frente a los automóviles convencionales de gasolina, debido a sus menores costes de funcionamiento y a que no producen emisiones. Las ventas de vehículos eléctricos a batería e híbridos enchufables aumentaron un 43% en 2019, y los nuevos participantes en el mercado se están preparando para el cambio de los motores de combustión interna a los modelos eléctricos. Sin embargo, para que los vehículos eléctricos alcancen una escala económica equivalente a la de los de gasolina, y cumplan con los requisitos de asequibilidad, rendimiento, seguridad y fiabilidad exigidos, su fabricación requiere técnicas de fabricación de precisión. Los componentes que se utilizan en las baterías y los motores eléctricos de los vehículos eléctricos deben cumplir requisitos muy exigentes en cuanto a sus características de almacenamiento de energía, eficiencia eléctrica, potencia de salida y durabilidad. La necesidad de mantener la constancia en el cumplimiento de estos parámetros es especialmente importante en la producción en serie de vehículos eléctricos. El mecanizado CNC se ha convertido en uno de los procesos clave para la fabricación, ya que requiere precisión en las piezas utilizadas en los vehículos eléctricos. Mecanizado CNC utiliza herramientas y técnicas programadas para cortar, modelar y dar forma a componentes a partir de una amplia gama de materiales con una precisión de micrómetros y con un alto grado de uniformidad y precisión. En este artículo también se analizará cómo la aplicación del mecanizado CNC supera las barreras de la producción en serie de piezas para vehículos eléctricos, baterías y motores eléctricos, lo que facilita el desarrollo de la industria de los vehículos eléctricos.

Historia e importancia de la precisión en los componentes de los vehículos eléctricos

La calidad y la durabilidad de componentes del producto, como la batería y el motor de los vehículos eléctricos, dependen en gran medida del nivel de fabricación. De hecho, Iones de litio que se utiliza principalmente en los vehículos eléctricos, presenta una precisión muy elevada a nivel de célula y de paquete, lo que determina la capacidad energética, la entrega de potencia y el rendimiento térmico a lo largo de cientos de ciclos de carga y descarga. Los primeros motores eléctricos también exigían un ajuste perfecto entre el rotor, el estator y otras piezas para proporcionar el máximo par, revoluciones y eficiencia. No obstante, cuando se introdujeron por primera vez los vehículos eléctricos en la última década del siglo XX y en los primeros años del presente siglo, cumplir con tal precisión supuso un quebradero de cabeza para los fabricantes de automóviles y sus subcontratistas. Las tolerancias requeridas solían ser mucho más estrictas que las de los vehículos de gasolina, pero los volúmenes de producción de vehículos eléctricos eran bastante bajos, lo que dificultaba justificar el uso de costosas técnicas de precisión. El control de calidad también suponía un problema, ya que ligeras variaciones en las dimensiones de los componentes durante el montaje manual podían mermar el rendimiento y la durabilidad. Como resultado, los pocos vehículos eléctricos fabricados en aquella época adolecían de una autonomía reducida en condiciones reales y de tasas de degradación superiores a las previstas.

Pronto quedó claro que una fabricación precisa y repetible sería esencial para que los vehículos eléctricos (VE) lograran una aceptación generalizada. Los primeros prototipos cortados a mano ya no serían suficientes para satisfacer las cantidades que exigían los mercados en expansión. Se necesitaba una solución escalable para producir grandes volúmenes de celdas de batería y motores eléctricos que cumplieran con las estrictas tolerancias requeridas para maximizar la densidad energética, la eficiencia y la vida útil, y minimizar los costes. La introducción de procesos de mecanizado de precisión programables permitió que la fabricación de componentes para vehículos eléctricos pasara de la producción de prototipos a pequeña escala a volúmenes de producción en serie. En concreto, el control numérico por ordenador (Fresado (CNC), el torneado y el rectificado se revelaron como un método muy rentable para mecanizar componentes de vehículos eléctricos con las tolerancias necesarias para garantizar un rendimiento y una fiabilidad óptimos a gran escala.

Mecanizado CNC de componentes de baterías para vehículos eléctricos

Las baterías de iones de litio siguen siendo el tipo más utilizado en los vehículos eléctricos debido a su elevada densidad energética. Dentro de la categoría de las baterías de iones de litio, se emplean diversas composiciones químicas que incluyen electrolitos líquidos o sólidos. Independientemente del diseño específico, las baterías de iones de litio requieren tolerancias del orden de las micras, especialmente en las celdas individuales.

El mecanizado CNC desempeña un papel crucial en cuanto a precisión en la fabricación de componentes de las celdas de batería. Por ejemplo, las máquinas CNC cortan las delicadas láminas y folios de los electrodos de ánodo y cátodo con anchos y espesores muy precisos. El CNC también da forma a los separadores aislantes que se insertan entre los electrodos. Las carcasas de las celdas, que envuelven con precisión los componentes internos, se fabrican en gran medida mediante CNC, con complejas cavidades y canales en 3D fresados para permitir el flujo del electrolito y la ventilación.

El ensamblaje de las celdas para formar potentes paquetes de baterías también aprovecha al máximo el CNC. El CNC de 5 ejes permite realizar perfiles complejos de carcasas a medida para maximizar el almacenamiento de energía en espacios reducidos. El CNC fabrica los soportes y bastidores que apilan las celdas, respetando al mismo tiempo estrictas tolerancias de aislamiento térmico y eléctrico. La soldadura y el engarzado precisos realizados mediante CNC aportan integridad estructural sin comprometer la densidad energética ni la disipación del calor.

Un ejemplo de ello es la Gigafábrica de Tesla en Nevada, que produce más de 35 GWh de celdas de iones de litio al año para vehículos eléctricos y unidades de almacenamiento de energía. Más de 700 máquinas CNC de empresas como DMG Mori fresan electrodos y componentes de la carcasa con una tolerancia de +/- 5 micras. Las líneas robóticas de soldadura y apilado crean módulos y paquetes de baterías con una precisión superior a 0,5 mm utilizando utillaje optimizado para CNC, lo que permite a Tesla cumplir unos objetivos de costes muy exigentes. El riguroso control de calidad del CNC garantiza un rendimiento uniforme en todas las baterías.

Mecanizado CNC de componentes de motores eléctricos

Los motores de tracción eléctrica para vehículos exigen una precisión del orden de las micras, tanto en la fase de prototipado como en la producción en serie. Un componente clave es el estator del motor, que cuenta con bobinados de cobre y láminas de acero apiladas y soldadas con precisión. El CNC destaca en el mecanizado de estos núcleos y placas de soporte tan complejos.

Los centros CNC multitarea taladran, fresan y sueldan con precisión intrincados patrones de ranuras en las pilas de láminas del estator, respetando las estrictas tolerancias de las pilas. Las ranuras alojan bobinas de devanado que, junto con las ranuras externas, generan par cuando se activan. Las desviaciones en el ancho, la profundidad o la posición de las ranuras afectan al rendimiento y la eficiencia del motor. El CNC alcanza una repetibilidad de +/- 5 micras.

Los componentes giratorios asociados también se someten a un exigente mecanizado CNC. Los tornos y los centros de torneado multieje dan forma con precisión a los ejes y casquillos de los motores con tolerancias muy ajustadas, a menudo de entre 1 y 2 micras. El rectificado por CNC garantiza la coaxialidad y la circularidad de las piezas giratorias, lo que minimiza las pérdidas por fricción.

Una planta clave de Sinmetal Motor en Changzhou (China) produce más de 600 000 unidades al año de un motor eléctrico que equipa un popular vehículo eléctrico de fabricación china. Allí, 130 tornos CNC y centros de mecanizado verticales cortan rotores, estatores y carcasas externas con una tolerancia de 6 micras utilizando accesorios automatizados. Esta rigidez facilita tanto la producción rápida de prototipos como la fabricación en serie, lo que permite realizar iteraciones de diseño asequibles y adaptarse a la demanda del sector automovilístico.

Repercusiones en el coste de fabricación y la calidad

El mecanizado CNC aporta ventajas sustanciales en cuanto al coste y la calidad de la fabricación de componentes para vehículos eléctricos en comparación con los métodos manuales. El carácter automatizado y preciso del CNC reduce los gastos de mano de obra. Por ejemplo, un solo operario puede supervisar varias líneas de producción CNC de electrodos de batería, en lugar de tener que realizar montajes manuales individuales.

El mayor rendimiento del CNC también aumenta la productividad y el rendimiento de las piezas. La precisión permite respetar tolerancias estrechas y minimizar las tasas de rechazo. En el caso de las laminaciones de motores apiladas con una precisión de micras gracias al CNC, se elimina prácticamente por completo el material de desecho que no cumple las especificaciones. Las economías de escala resultantes reducen los costes por unidad, lo cual es fundamental para que el producto sea asequible.

Estas ventajas económicas facilitan la adopción de los vehículos eléctricos. Sin embargo, el mecanizado de precisión con CNC aporta un valor aún mayor en cuanto a la vida útil y la fiabilidad de la batería y el motor. Unas tolerancias más ajustadas entre los componentes se traducen en una reducción de las vibraciones, el calor y las tensiones mecánicas, factores que merman la longevidad. Esto prolonga los ciclos de vida útil, lo que aumenta el valor para los clientes al reducir la necesidad de sustitución. Además, reduce los costes de mantenimiento tanto para los fabricantes de equipos originales como para los consumidores.

El control de procesos y la repetibilidad garantizan que cada componente alcance su capacidad de diseño, independientemente del ritmo de producción. Las tolerancias constantes del mecanizado CNC, a nivel de nanosegundos, ofrecen un rendimiento uniforme lote tras lote para los mercados de gran volumen. Incluso pequeñas mejoras en la precisión pueden suponer un ahorro de kilogramos en peso y materiales gracias a diseños optimizados. Esto aumenta la autonomía y reduce el consumo de recursos. En definitiva, el CNC permite que los vehículos eléctricos satisfagan las demandas del transporte público gracias a una mayor vida útil y a unos costes totales de propiedad reducidos.

Fomentar la expansión y la innovación con el CNC

El mecanizado CNC resulta especialmente adecuado para ampliar la fabricación de vehículos eléctricos sin renunciar a la precisión necesaria para la innovación. La tecnología CNC permite hacer frente a los retos que plantean el aumento de los volúmenes de producción, junto con los frecuentes cambios de diseño y el lanzamiento de nuevos modelos.

La programación CNC para componentes de vehículos eléctricos es muy flexible: los ajustes pueden realizarse rápidamente sin necesidad de invertir en nuevas herramientas. Esto permite a los fabricantes de automóviles y baterías desarrollar sus productos con rapidez en función de los avances en investigación. Además, facilita los cambios en las rutinas de corte o soldadura en respuesta a problemas de suministro.

Los tamaños de lote bajo demanda, prácticamente ilimitados, permiten a CNC crear prototipos de conceptos de baterías y motores de última generación, incluso en lotes de muestras. Esto acelera el ciclo de I+D. Los centros de mecanizado CNC consolidan aún más la planta de producción en células compactas ‘sin personal’ para una producción automatizada las 24 horas del día, optimizada para los vehículos eléctricos.

Un ejemplo de ello es Spark EV, una startup dedicada a la comercialización de un vehículo eléctrico de micromovilidad. Para ampliar la producción, Spark automatizó la fabricación de componentes del motor utilizando un conjunto de fresadoras, rectificadoras y tornos CNC de Fanuc conectados a través del IoT. Esta célula de mecanizado centralizada permitió a Spark probar los prototipos de motor más rápidamente de lo que podían hacerlo los talleres manuales. A medida que evolucionaban las necesidades de diseño, bastaba con realizar ajustes en el código CNC en lugar de costosas modificaciones de las herramientas.

En su tercer año de producción, Spark optimizó por completo la fabricación de baterías y motores mediante plantillas de producción CNC. Su célula CNC produce ahora 4.000 unidades al año en un espacio reducido, lo que supone más de diez veces la capacidad original y un orden de magnitud mayor de precisión. Esta rápida expansión impulsó su crecimiento, satisfaciendo la demanda de flotas de reparto urbano.

Perspectivas de futuro

A continuación se indican algunas formas en las que el mecanizado CNC podría impulsar aún más la fabricación de vehículos eléctricos en el futuro:

• Automatización avanzada: una mayor integración de vehículos guiados de forma autónoma, robots colaborativos y sistemas de monitorización del estado permitirá una mayor producción sin intervención humana. Las células CNC funcionarán las 24 horas del día con una supervisión humana mínima.
• Integración de la fabricación aditiva: la impresión 3D complementará al CNC en la fabricación de utillajes y accesorios, así como en la producción de piezas complejas en series reducidas. Las máquinas híbridas, que combinan procesos aditivos y sustractivos, podrían utilizarse para fabricar componentes multifuncionales.
• Uso de la definición basada en modelos: las representaciones en forma de gemelo digital de los diseños de piezas, optimizadas mediante la programación, acelerarán las configuraciones del CNC y reducirán al mínimo los errores de programación y producción.
• Mantenimiento predictivo: los sensores y los sistemas de análisis integrados supervisarán el rendimiento y el desgaste de los CNC, lo que permitirá realizar un mantenimiento preventivo para maximizar la fiabilidad y el tiempo de actividad. Se predecirán las averías en lugar de reaccionar ante ellas.
• Aplicaciones de aprendizaje automático: el reconocimiento de patrones en los conjuntos de datos optimizará los parámetros de corte, compensando automáticamente las variaciones de la herramienta y el material para mejorar la precisión y el rendimiento. Las anomalías se identificarán en tiempo real.
• Sistemas modulares “fábrica en una caja”: las microfábricas automatizadas del tipo «enchufar y producir», optimizadas para piezas específicas de vehículos eléctricos, ofrecerán una capacidad escalable. Estos módulos modulares minimizan el espacio necesario y los requisitos de capital para la producción de pequeños volúmenes.
• Desarrollo de materiales y procesos: se diseñarán nuevos materiales, como cerámicas, materiales compuestos y aleaciones, para facilitar su mecanizado. Las técnicas híbridas y no tradicionales de CNC, como el mecanizado asistido por ultrasonidos, ampliarán las posibilidades.

En resumen, el aumento de la automatización, la integración de herramientas aditivas y digitales, las capacidades predictivas y la adaptación a nuevos materiales llevarán al CNC a nuevas fronteras, lo que respaldará la transición global hacia la movilidad eléctrica. Las microfábricas automatizadas, optimizadas para las necesidades de los vehículos eléctricos, también podrían descentralizar la producción.

Conclusión

En conclusión, el mecanizado CNC ha demostrado ser fundamental para la precisión de fabricación que exigen los vehículos eléctricos a fin de alcanzar una asequibilidad, fiabilidad y rendimiento competitivos a escala de producción en masa. El cumplimiento de estrictas tolerancias a nivel de micras para los componentes de las celdas de batería y las piezas de los motores eléctricos mediante procesos repetibles, como el fresado y el rectificado CNC, es la base del éxito de la adopción de los vehículos eléctricos hasta la fecha.

La capacidad del CNC para crear prototipos de diseños con rapidez y, al mismo tiempo, pasar a una producción en serie a gran escala es esencial a medida que la tecnología de los vehículos eléctricos sigue avanzando. La flexibilidad del CNC se adapta a los cambios en la cadena de suministro y a las innovaciones de ingeniería que reducen aún más los costes y amplían la autonomía. La uniformidad, el control de calidad y la eficiencia laboral que aportan las líneas de producción CNC también reducen los gastos de propiedad a lo largo de la vida útil del vehículo, lo cual es fundamental para su aceptación por parte del público.

De cara al futuro, los continuos avances en las tecnologías CNC impulsarán las próximas etapas de la evolución de los vehículos eléctricos. Las células CNC, más compactas y automatizadas, optimizadas para subconjuntos específicos del sistema de propulsión, pueden reducir aún más el espacio ocupado por las fábricas. La integración de las herramientas CNC en sistemas de fabricación flexibles acelerará los ciclos de innovación. La consecución de una infraestructura de transporte ampliamente limpia depende de procesos de mecanizado de precisión, como el CNC, que faciliten la producción en masa asequible de baterías y motores de alto rendimiento. Por lo tanto, el CNC sigue siendo fundamental para permitir que los vehículos de combustibles fósiles realicen una transición completa a la energía eléctrica en todo el mundo.

Preguntas frecuentes

¿Qué tipos de máquinas CNC se utilizan para el mecanizado de componentes de baterías de vehículos eléctricos?

Las fresadoras CNC son muy utilizadas para el corte de electrodos y piezas de carcasas debido a su capacidad para mecanizar con precisión formas tridimensionales complejas. Los centros de torneado CNC multieje también se utilizan ampliamente para el mecanizado de varillas.

¿Cómo se integra el CNC en la fabricación de motores para vehículos eléctricos?

El CNC se utiliza en todas las fases de la fabricación de motores, incluyendo el apilado y el procesamiento de laminados en máquinas multitarea, así como el torneado y el fresado de rotores. Permite alcanzar la precisión necesaria en entornos de gran variedad de modelos y bajos volúmenes de producción, tal y como se requiere para la creación de prototipos y la producción de lotes pequeños.

¿El CNC aumenta los costes de fabricación?

Aunque la inversión inicial en equipos CNC es mayor, el mecanizado automatizado reduce los costes en comparación con los métodos manuales gracias al aumento del rendimiento, la productividad y la reducción de la mano de obra. La precisión y la calidad también reducen los gastos totales a lo largo del ciclo de vida.

¿Qué ventajas ofrece el CNC para la innovación en el ámbito de las baterías y los motores?

El CNC facilita la creación rápida de prototipos gracias a la rapidez en los cambios de programación y a su capacidad para producir lotes pequeños. Su precisión permite optimizar los parámetros de diseño críticos para el rendimiento, lo que impulsa el avance tecnológico continuo.