La velocidad máxima de soldadura pasó de 20 metros por minuto a 75 metros por minuto, aumentando significativamente la producción a 80.000 pilas de combustible al año.
- Pilas de combustible: Energía limpia, sin emisiones, clave en automóviles.
- Placas bipolares: Componentes esenciales que canalizan energía.
- Velocidad aumentada: De 20 m/min a 75 m/min, produciendo 80.000 pilas/año.
- Humping: Defecto causado por piscinas de metal líquido inestables.
- Tecnología avanzada: Uso de rayos X de sincrotrón para observar el proceso.
- Soluciones prácticas: Gas de protección y ajustes al haz láser para evitar defectos.
- Impacto: Mayor producción, menores costes, impulso a energías renovables.
- Futuro: Buscan velocidades aún mayores sin defectos.
- Innovación: Mezcla de investigación y manufactura para resolver desafíos industriales.
Mejoras en el proceso de soldadura láser de alta velocidad
Las pilas de combustible representan una forma de energía limpia utilizada en diversos sectores, especialmente en el ámbito automotriz, donde generan energía sin emitir contaminantes. Sin embargo, su producción enfrenta retos técnicos, particularmente en el proceso de soldadura láser de alta velocidad.
Este proceso, esencial para fabricar las placas bipolares de las pilas de combustible, genera irregularidades conocidas como «humping» cuando se exceden ciertas velocidades de soldadura.
Un equipo de investigación liderado por la Universidad Estatal de Pensilvania ha logrado avances significativos para superar este obstáculo.
Utilizando observaciones experimentales y modelado analítico, identificaron las condiciones que generan el fenómeno de humping y optimizaron los parámetros del proceso de soldadura para incrementar las velocidades sin comprometer la calidad de las uniones. Sus resultados fueron publicados en Nature Communications.
Pilas de combustible
Las pilas de combustible son dispositivos que generan electricidad a partir de reacciones químicas, ofreciendo una fuente de energía limpia y sin emisiones contaminantes. Sus principales componentes incluyen placas bipolares, electrodos y electrolitos, que trabajan juntos para convertir el hidrógeno u otros combustibles en electricidad. Se utilizan ampliamente en aplicaciones como automóviles, transporte público y generación estacionaria de energía. Entre sus ventajas destacan su alta eficiencia, operación silenciosa y su capacidad para reducir las emisiones de CO₂.
Existen varios tipos, como las pilas de membrana de intercambio de protones (PEM), las de óxido sólido (SOFC) y las alcalinas (AFC), cada una adaptada a necesidades específicas. Aunque el hidrógeno es el combustible más común, también pueden utilizar metanol o biogás. A pesar de sus beneficios, enfrentan retos como altos costos de producción, la falta de infraestructura para el hidrógeno y el desafío del almacenamiento seguro. A medida que se desarrollen soluciones a estos problemas, las pilas de combustible jugarán un papel crucial en la transición energética hacia un futuro descarbonizado y sostenible.
Placas bipolares: un componente crítico
Las placas bipolares son esenciales para el funcionamiento de las pilas de combustible, ya que canalizan el flujo de energía generado en ellas. Estas placas se fabrican soldando dos láminas de acero inoxidable, y su producción estaba limitada por la necesidad de mantener velocidades de soldadura bajas para evitar defectos en las costuras.
Según el investigador Zen-Hao Lai, anteriormente la velocidad máxima alcanzada sin defectos era de 20 metros por minuto, lo que limitaba el volumen de producción.
Con los avances recientes, los investigadores han incrementado la velocidad de soldadura a 75 metros por minuto, lo que equivale a la producción de aproximadamente 80.000 pilas de combustible al año. Cada celda consta de dos placas bipolares, que suelen tener dimensiones de entre 20×20 cm y 30×30 cm.
Herramientas avanzadas para comprender el fenómeno
El equipo utilizó imágenes de rayos X de sincrotrón de alta velocidad para observar con detalle sin precedentes el proceso de soldadura.
Estas observaciones permitieron identificar que el humping ocurre debido a la formación de grandes piscinas de metal líquido que se desestabilizan a altas velocidades. Posteriormente, desarrollaron una simulación numérica y una ecuación que vincula los defectos con los parámetros del proceso.
Ajustes en los parámetros de soldadura
Con base en su modelo, los investigadores implementaron ajustes simples pero efectivos, como el uso de gas de protección para estabilizar las piscinas de metal líquido y la modificación de la forma del haz láser.
Estas modificaciones permitieron aumentar significativamente la velocidad de soldadura sin sacrificar la calidad.
Lai explicó que comprender la relación entre los parámetros del proceso y el humping no solo mejora el conocimiento fundamental, sino que también resuelve un desafío técnico importante en la producción.
Impacto en la industria de las energías renovables
El incremento en las velocidades de producción puede tener un impacto significativo en la industria, facilitando la adopción más amplia de pilas de combustible en aplicaciones automotrices y otros sectores.
Al mejorar la eficiencia en la fabricación de placas bipolares, se reducen costos y se avanza hacia una economía más sostenible basada en tecnologías limpias.
Perspectivas futuras
El equipo planea seguir refinando el proceso para alcanzar velocidades aún mayores sin defectos. Este trabajo no solo redefine las capacidades de la ingeniería industrial y de manufactura, sino que también demuestra cómo la investigación fundamental puede abordar problemas prácticos del mundo real.
En palabras de Jingjing Li, autor principal del estudio: «Este trabajo combina la manufactura tradicional con la investigación científica avanzada, mostrando cómo el conocimiento fundamental puede transformar un proceso industrial y resolver un desafío técnico.«
Estos avances destacan la importancia de la innovación tecnológica en la transición hacia un futuro más sostenible y con menor huella de carbono. La soldadura láser optimizada no solo mejora la producción de pilas de combustible, sino que también refuerza el compromiso global con la energía limpia.
Vía www.psu.edu
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