Case study: Mejorando el desempeño de los muelles de onda con material CuBe (Cobre Berilio)

Por Fernando González

En RPK Group emprendimos una investigación para mejorar el desempeño de los muelles de onda mediante el uso del material CuBe (Cobre Berilio), en respuesta a la solicitud de un cliente habitual que necesitaba un muelle de onda de acero inoxidable recubierto de níquel, capaz de ofrecer función de carga y conductividad eléctrica.

¿Por qué usar CuBe -Cobre Berilio- para muelles?

Las aleaciones de cobre berilio son frecuentemente utilizadas en muelles debido a su alta resistencia y excelente conductividad térmica y eléctrica. Este material destaca por su ductilidad, soldabilidad en procesos de metalurgia y facilidad de mecanizado. Se utiliza en aplicaciones específicas en sectores como herramientas para ambientes peligrosos, instrumentos musicales, dispositivos de medición de precisión y aeronáutica, un campo en el que en RPK Group también habíamos aplicado este material.

El objetivo era optimizar la fiabilidad del muelle y aumentar su conductividad eléctrica, asegurando el cumplimiento de las especificaciones mecánicas y eléctricas. Este caso de estudio detalla el proceso de pruebas, optimización del material y ensayos de producción con éxito.

Desafío

El cliente requería un muelle de onda con características específicas de conductividad e impedancia, inicialmente previstas para un diseño en acero inoxidable con recubrimiento de níquel. Nuestros ingenieros exploraron los límites de la tecnología de muelles ondulados mediante la investigación del uso del material CuBe. El reto consistía en cumplir los estrictos requisitos dimensionales y de carga, al mismo tiempo que se mejoraba la conductividad y el desempeño en impedancia, fundamentales para aplicaciones donde el flujo eléctrico es clave.

Aunque en RPK Group ya contábamos con una amplia experiencia utilizando CuBe en muelles de compresión, era la primera vez que lo probábamos en muelles de onda. Los principales retos fueron:

• Laminar el alambre de hilo redondo en rectangular.
• Gestionar las diferencias de resistencia a la tracción entre CuBe y acero inoxidable.
• Garantizar el alivio de tensiones adecuado después del formado.
• Cumplir las especificaciones exactas tanto en desempeño mecánico como eléctrico.

Investigación y desarrollo del proceso

1. Laminado del alambre

El alambre redondo de CuBe tenía que ser laminado hasta obtener una forma rectangular que cumpliera con los requisitos de carga-longitud antes del formado. Debido a la menor resistencia a la tracción del CuBe en comparación con el acero inoxidable, el espesor necesario tuvo que incrementarse ligeramente de 0.24 mm a 0.27 mm para garantizar que el muelle soportara las cargas requeridas.

2. Optimización del alivio de tensiones (revenido)

Investigaciones previas nos indicaban que un revenido a 340ºC durante una hora era eficaz para los muelles de compresión. Sin embargo, aplicar este método a los muelles de onda provocó una pérdida de tensión en las espiras que conllevaba un riesgo de entrelazado. Tras más pruebas, optimizamos el proceso de revenido, logrando las propiedades mecánicas deseadas mientras manteníamos la precisión dimensional.

3. Pruebas de conductividad

Nuestros ingenieros realizaron dos pruebas clave para verificar la conductividad eléctrica del muelle:

Verificación de conductividad en corriente continua (DC)

El muelle se colocó en un dispositivo de prueba, se comprimió hasta 2.8 mm y se conectó a un micro-ohmímetro. El muelle de Cobre Berilio logró una impedancia máxima de 0.050 Ohms, cumpliendo con los requisitos eléctricos y mostrando un desempeño comparable al diseño en acero inoxidable con recubrimiento de níquel.

Pruebas de conductividad en frecuencia

Con el equipo BODE 100, se probó el muelle a diferentes frecuencias (10 kHz, 100 kHz, 1 MHz y 10 MHz). El muelle de CuBe mostró un buen desempeño hasta los 100 kHz, con un aumento ligero de la impedancia a 1 MHz y 10 MHz, aunque dentro de los límites aceptables para la aplicación.

4. Pruebas de desempeño mecánico

El muelle de CuBe fue evaluado dimensionalmente y en sus requisitos de carga-longitud utilizando equipos específicos. Los resultados mostraron que cumplía completamente con las especificaciones del diseño.

Conclusión

A través de esta investigación, RPK Group logró optimizar el uso del material CuBe en muelles de onda, alcanzando una conductividad eléctrica superior y cumpliendo todas las especificaciones mecánicas. Los muelles de Cobre Berilio demostraron un desempeño igual o, en algunos casos, superior al de las versiones en acero inoxidable con recubrimiento de níquel. Gracias a sus excelentes propiedades eléctricas y a su adecuada resistencia mecánica, el CuBe resultó ser una alternativa viable para la fabricación de muelles de onda de alto rendimiento.