Moldeo por Inyección de Metal: - Revista Metal Actual

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PROCESOS
Foto: www.plasticsportal.net
Moldeo por Inyección de Metal:
La Fuerza del Acero junto a la Fluidez del
Plástico
Metal Actual
Anualmente
esta
tecnología ha
crecido a tasas
superiores del
50 por ciento.
La tecnología MIM, es
un novedoso método
de conformación
que combina la
flexibilidad y alta
productividad de
la inyección de
termoplásticos con
las altas prestaciones
mecánicas de las
piezas metálicas.
A lo largo de las últimas décadas, los ingenieros especializados
en el desarrollo de nuevos materiales han intentado
obtener un metal ideal que pueda moldearse
en formas complejas con la misma facilidad y bajo costo
que el plástico, pero sin sacrificar la resistencia y durabilidad
de las aleaciones metálicas. La intención es combinar
las virtudes de ambos materiales para producir piezas
complejas en grandes volúmenes.
Los primeros desarrollos para lograr este objetivo, basados
en el moldeo por inyección de polvos para la fabricación
de piezas poliméricas, se realizaron en los años
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veinte con una variante aplicada a
la inyección de metales denominada
MIM (“Metal Injection Molding”);
inicialmente, la técnica era poco
práctica por su complejidad y altos
costos. Al final de 1950 se fabricaron
algunos componentes de carburos y
cerámicos, utilizando como ligantes
resinas epoxicas, ceras o celulosa,
pero las producciones eran todavía
muy pequeñas.
En 1979 la empresa Parmatech, en
California (Estados Unidos), implementó
la primera aplicación industrial
de MIM y a partir de esta fecha,
empezó a conocerse debido a su
aplicación en la fabricación de piezas
para aviones y cohetes.
Pese a lo novedoso del proceso, la diversidad
de empresas que se han lanzado
a este tipo de producción mundialmente
se ha multiplicado de forma excepcional;
desde 1980 la tasa de crecimiento
del MIM ha sido aproximadamente
de 50 por ciento cada año. En
1995, el moldeo por inyección de metales
producía alrededor de US$300
millones a nivel mundial con cerca del
30 por ciento de la producción dedicada
a cerámicos, 10 por ciento a carburos
y 60 porciento a metales.
Hoy por hoy, el moldeo por inyección
de metales se ha convertido en
una tecnología que ha avanzado de
manera considerable y es sumamente
interesante, a nivel mundial, para
la construcción de piezas en diversos
sectores.
El proceso MIM es rentable económicamente
hasta piezas entre 150 y 200
Foto: cvnaturplas.dnsalias.com
gramos y en algunas ocasiones hasta
300 (debido al alto costo feestock).
Características del MIM
Básicamente, el proceso implica varias
etapas, la primera consiste en
elegir polvos metálicos (aceros de
baja aleación, aceros inoxidables,
aceros resistentes al calor, aceros extradulces
para aplicaciones magnéticas,
cobre, níquel, molibdeno, entre
otros) o polvos cerámicos (alúmina,
carburo de tungsteno y carburo de
titanio) y mezclarlos con polímeros o
resinas acrílicas termoplásticas como
ligantes con el objetivo de obtener
una mezcla homogénea denominada
“feedstock”. A continuación, se
describen los pasos del proceso.
a. Selección de polvos y ligantes: La
elección de los ingredientes depende
de las propiedades finales que
se quieran conseguir, el tipo de manufactura
que se le vaya a realizar
a la pieza, de la complejidad de la
misma, la precisión que se quiera
alcanzar y, por supuesto, el costo
de producción; por lo que los fabricantes
eligen cuidadosamente
el tamaño y forma de la partícula
correcta. Las piezas fabricadas mediante
moldeo por inyección de
metal se pueden someter a tratamientos
posteriores
En el caso del moldeo por inyección
de metales, se considera que
el polvo metálico debe poseer: un
tamaño de partícula inferior a 20
µm, una densidad de polvo vibrado
al menos del 50 por ciento de la
teórica y forma esférica.
El proceso MIM utiliza equipos y técnicas similares a las
utilizadas en inyección de plástico.
Foto: www.metalinjection.co.uk
La primera etapa implica la
mezcla de metal en polvo fino
con un aglutinante de cera /
polímero. Las partículas de polvo
de metal utilizadas para el MIM
son mucho más finas y más
esféricas que las utilizadas para
el proceso convencional de metal
sinterizado.
Entre los materiales metálicos que
se pueden inyectar están: el acero
inoxidable 17-4 PH (sinterizado);
acero inoxidable 17-4 PH (H900);
acero inoxidable AISI 316L; acero
inoxidable AISI 304L; cobre de alta
pureza; cromo; cobalto y su aleaciones;
metal pesado de tungsteno
(W-Ni-Fe); aleación F15 (Kovar);
CuMo (85Cu15Mo); Ti6Al4V; Ti6Al-
7Nb y diversas aleaciones de aluminio
(serie 6xxx y 7xxx).
El aglomerante o ligante es el componente
sacrificado en el moldeo
por inyección, aunque es de vital
importancia tanto a la hora del
moldeo como en el momento de
su eliminación. Es el medio utilizado
para mantener las partículas
de metal unidas y obtener la forma
deseada.
La selección de los ingredientes
poliméricos, se realiza no sólo por
su viscosidad, contracción en el enfriamiento
o compatibilidad interfacial,
sino también por la posible
contaminación que pueda sufrir el
material final durante el proceso.
La mayoría de los aglomerantes
utilizados son multicomponentes
ya que es más fácil la eliminación
escalonada de ellos. La cantidad de
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ligante que se emplea varía entre
15 y 50 por ciento del volumen total,
dependiendo de las características
del polvo metálico (tamaño,
forma y distribución de partículas)
y del tipo de aglomerante.
Además, del componente principal
(polímero termoplástico), la mezcla
puede contener aditivos para
controlar la lubricación, la viscosidad
y la adhesión del ligante a las
partículas metálicas.
b. Mezcla o Feedstock: La mezcla es
la primera etapa en la preparación
del feedstock para que pueda ser
moldeado por inyección; este proceso
se lleva a cabo en mezcladores
que pueden alcanzar elevados
esfuerzos de corte y que trabajan
de forma continua (extrusoras de
doble husillo) o discontinua (amasadoras
de paletas). Al integrar
polvos metálicos con partículas lubricantes
y plastificantes, éstos actúan
como conductores de la carga
metálica y permiten dar fluidez al
conjunto de la mezcla para posibilitar
su inyección en moldes y obtener
la forma de la pieza.
c. Inyección: En esta etapa se utilizan
máquinas de inyección convencionales
de plásticos, en las que la guía
Después de la mezcla, el material MIM se
transforma en pellets listos para su uso en una
máquina de moldeo por inyección. Los pellets se
cargan en la máquina la máquina y el material se
inyecta a presión en un molde.
y tornillo se han sometido previamente
a un tratamiento de endurecimiento
para evitar el desgaste,
la pieza obtenida se denomina ‘verde’
y puede ser tan compleja como
el diseño del molde lo permita. El
feedstock presenta un comportamiento
reológico y térmico diferente
al de un polímero convencional,
por lo que se consideran, durante
el proceso, otros factores a la hora
de optimizarlo; entre las principales
diferencias se destacan:
• La viscosidad de la mezcla suele
ser diferente a la del polímero
utilizado como ligante, debido a
las cargas que se introducen, por
lo que el estudio reológico es de
gran importancia.
• La conductividad térmica de la
carga es muy superior.
• La alta densidad de los metales,
en comparación con la densidad
del sistema ligante, hace que
las cargas sean muy sensibles
a las fuerzas gravitacionales y
centrífugas.
Estas diferencias, hacen que el proceso
de inyección necesite de una
optimización en todos sus parámetros
(presión, temperaturas en las
distintas etapas, entre otras).
Foto: www.metalinjection.co.uk
d. Extracción de aglomerante o debinding:
Después de la inyección,
es necesario extraer los aditivos
cuidadosamente, sin provocar defectos
o agrietamientos; a este proceso
de extracción de aglomerantes
se le denomina desbanderizado
o ‘debinding’, y para ello existen
diferentes técnicas; puede realizarse
paulatinamente, o utilizar una
única vía de eliminación, depende
siempre del sistema ligante.
Al final de la extracción se obtiene
una pieza llamada ‘marrón’, la cual
queda formada por el polvo metálico
y un mínimo de componente
polimérico, sin perder la geometría
conformada en la inyección.
Los sistemas de extracción más usuales
(no excluyentes entre sí), son:
• Extracción por disolventes (agua,
acetona, tolueno).
• Extracción térmica: Mediante el
aumento de temperatura de la
pieza se provoca la degradación
del polímero y su eliminación;
es conveniente controlar las
condiciones del proceso para no
causar defectos en la pieza y se
conocer correctamente la composición
del aglomerante, pues,
si éste está formado por varios
componentes, la fusión, descomposición
y evaporación deben
realizarse a la temperatura adecuada
para cada componente.
• Extracción catalítica: Un catalizador
gaseoso hidroliza en sus monómeros
al ligante, la extracción
se realiza en reactores especiales
en los que se introduce un flujo
de gas y de ácido controlado, y
a la salida se combinan los productos
de reacción con oxígeno y
un gas de combustión para producir
el quemado de los gases, lo
que proporciona un gas de salida
limpio.
• Wick debinding: Consiste en eliminar,
por capilaridad, el ligante
mediante un material poroso
puesto en contacto con el compacto
en verde.
La optimización de esta etapa
es fundamental para que en la
sinterización no existan restos
de ligante que puedan afectar al
proceso y a las propiedades del
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material, en el caso de aceros inoxidables, la eliminación
total de ligante es crítica, ya que cualquier restos
de carbonos dentro del acero inoxidable puede provocar
la sensibilización del acero durante la sinterización;
por el contrario, en el caso de los aceros rápidos,
incluso puede ser beneficioso la presencia de carbono
extra para activar la sinterización.
e. Sinterizado: Finalmente, la pieza es consolidada y endurecida,
mediante un proceso térmico de sinterizado
que determina las dimensiones y características finales.
El sinterizado consiste en un calentamiento en horno
con atmósfera controlada a una temperatura que no excede
el punto de fusión del material utilizado, debido
a que es imprescindible evitar la oxidación del metal,
se utilizan atmósferas reductoras bien de nitrógeno, hidrógeno,
argón o amoníaco disociado, e incluso vacío,
depende del metal a sinterizar.
El objetivo del sinterizado es dar a la pieza la densidad
y propiedades mecánicas finales además de ajustar la
composición química. El hecho de que las partículas de
partida sean muy finas, hace que la densificación sea
muy superior a la obtenida en procesos pulvimetalúrgicos
convencionales, básicamente gracias a que la densidad
de partida es muy homogénea la contracción también
lo es, permitiendo tolerancias del 0.1 por ciento.
Foto: www.metalinjection.co.uk
Las piezas moldeadas se retiran de sus moldes
y luego se colocan en bandejas listas para la
etapa de eliminación del ligante. Las piezas en
su “estado verde” se colocan en un horno para
eliminar el aglomerante, lo que deja las piezas
en el “estado marrón ‘.
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Así, entonces, dicha tecnología supera
las limitaciones impuestas por
los procesos tradicionales de metalmecánica,
en los que sólo se pueden
inyectar metales blandos como el
aluminio o el zamac, para fabricar
piezas poco complejas. Con el MIM
es posible crear piezas de gran complejidad,
combinaciones de piezas
múltiples, elementos y funciones variadas
dentro de un solo componente,
con características mejoradas de
ensamblaje de productos, miniaturización
de componentes mecánicos,
reducción de masa y propiedades físicas
especialmente adaptadas al uso
final previsto.
En general, la tecnología MIM se
aplica a la fabricación de componentes
metálicos de tamaño pequeño,
geometría compleja y fabricados
en series de producción elevadas. Es
un proceso multisectorial que puede
dar servicio a sectores industriales
tan variados como el automotor,
electrónico, médico-quirúrgico, bienes
de equipo, cerrajería y seguridad,
entre otros. (Ver tabla).
Un Proceso Aventajado
El Moldeado por Inyección de metal
ofrece dos ventajas fundamentales
cuando se compara con otros procesos
pulvimetalúrgicos convencionales:
propiedades físicas mejoradas y
mayor flexibilidad de diseño. Específicamente,
los ingenieros pueden
diseñar componentes con:
• Propiedades mejoradas: Las tolerancias
que se pueden conseguir
mediante el moldeo por inyección
de metales se sitúan entre ±0.5
por ciento y se consiguen densidades
entre 95 y 98 por ciento,
con propiedades del material forjado,
excelente resistencia mecánica,
a la corrosión y propiedades
magnéticas.
• Alto nivel en los detalles: Se pueden
fabricar funciones complejas,
como colas de milano, curvas, ranuras,
cavidades, roscas y muescas
de gran precisión.
Tabla 1. Aplicaciones del moldeo por inyección de metal
Área Aplicación Material
Componentes de cohetes, bomba
Superaleaciones base Ni,
Aeroespacial de combustible, cuerpos hidráulicos,
aleaciones de titanio.
turbinas.
Automoción
Máquinas de oficina
Moldeo por colada
Ordenadores
Herramientas de
corte
Defensa
Dental
Componentes
eléctricos y
electrónicos.
Herramientas
Hogar
Componentes
industriales
Instrumentación y
sensores
Mecanismos de la cerradura,
sincronizadores de la transmisión,
sensores de airbag y oxígeno del motor
Componentes de máquinas de escribir,
impresoras, fotocopiadoras.
Núcleos cerámicos para la industria del
moldeo por colada.
Accionadores y sujeciones del disco duro,
componentes magnéticos, impresoras,
conectores, disipadores de calor.
Herramientas de corte y molienda.
Armas, visores, estabilizadores de misiles
y proyectiles, rotores. Pistolas, rifles,
armas militares, gatillos.
Brackets, implantes.
Componentes aislantes y de sujeción en
aparatos eléctricos, disipador de calor,
vástagos, mecanismos de cierre.
Llaves, destornilladores, tijeras, navajas
suizas, alicates.
Cortaúñas, copas de café y té, secadores
de pelo, cepillos eléctricos, estuches
cosméticos, monturas de gafas, cuchillos.
Hornos, motores, herramientas de corte
y perforación, rodamientos, cojinetes,
abrasivos.
Componentes de medidores de precisión,
sensores, componentes de aparatos
científicos, sistemas de control de fluidos.
Aceros tratados térmicamente,
inoxidables y aleaciones base
cobre
Aceros Fe-Ni, zirconia, aceros y
materiales magnéticos.
Alúmina, sílica y zirconia
Materiales cerámicos, nitruro de
aluminio
Carburos cementados, cermets,
nitruro de silicio, composites de
diamante.
Aleaciones de wolframio, Aceros
tratados térmicamente, alúmina,
carburo de boro, diborato de
titanio.
Acero inoxidable, alúmina,
aleaciones cobalto-cromo, titanio.
Acero inoxidable 316, cobre,
alúmina, Kovar, Invar, aluminio,
molibdeno, wolframio, bronce.
Aceros de herramientas, aceros
tratados térmicamente Fe-1Cr-
0.2Mo-0.8Mn.
Acero, porcelanas, zirconia,
titanio, acero inoxidable.
Zirconia, alúmina-sílica, cermets,
carburos cementados, aceros de
herramientas, cromo-cobalto.
Materiales magnéticos débiles,
Fe-2Ni, Fe-3Si, Fe-6Si, Fe-0.4P,
Fe-0.6P, Fe-50Ni, Fe-36Co, Fe-
50Co, Fe-49Co-2V.
Joyería Llaveros, anillos, relojes, colgantes. Metales preciosos
Medicina
Microelectrónica y
Optoelectrónica
Petrolífera y minas
Equipos deportivos
Telecomunicaciones
Relojería
Bisturís, herramientas para quirófano,
componentes para cirugía, implantes.
Microprocesadores con altas
prestaciones, disipadores de calor,
móviles, ordenadores personales.
Componentes para perforación, minería
y procesado petroquímico, componentes
resistentes al desgaste para corte.
Tacos de zapatillas de deporte, golf,
dardos.
Componentes vibradores, bisagras y
tapas, antenas y componentes de las
estaciones de transmisión, teléfonos
móviles, PDA.
Correas, cierres y cajas de reloj.
Aceros inoxidables, aleaciones
de tántalo, Aleaciones base Co,
Ti, W, biocerámicas.
Aleaciones ferríticas, cobre-W,
cobre-Mo, aleaciones Fe-Ni y Fe-
Ni-Co, Invar, Kovar, espinelas
Aceros de alta tenacidad a la
fractura, carburos cementados
Titanio, carburo de titanio,
wolframio, zirconio, acero
inoxidable, cobre-W.
Wolframio y aleaciones pesadas,
cerámicas, acero inoxidable,
aleaciones cobre-wolframio.
Aceros inoxidables, Ti, carburos
cementados, zirconia-Ti
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La etapa final es un tratamiento de
alta temperatura de sinterización
al vacío, que libera la energía
almacenada en la superficie de polvo
fino y funde las partículas de metal.
• Optimización de trabajo: La capacidad para brindar
componentes sinterizados elimina muchas operaciones
secundarias.
• Mayor libertad en el diseño: Ofrece flexibilidad al diseñador,
ya que el moldeado tiene las propiedades de la
inyección de plástico.
• Ensambles reducidos: Presenta una gran capacidad para
combinar piezas de acoplamiento en un único componente
más complejo.
Foto: www.izaro.com
Foto: www.metalinjection.co.uk
La selección del polvo es una etapa
importante ya que de esto depende las
propiedades finales de la pieza.
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Gráfico: es.kinetics.com
• Bajo costo: cuando se fabrican mediante
MIM grandes volúmenes
de producción en poco tiempo, el
costo es rápidamente amortizado.
Además, las piezas suelen tener un
alto valor añadido, no hay pérdidas
de material porque puede ser
Foto: home.btconnect.com/Kwikturn/
reutilizado y no hace falta aplicar
ninguna operación secundaria.
• Automatización: Es un proceso
fácilmente automatizable, aunque
inicialmente requiere de alta
inversión.
Después de la
sinterización
las piezas
tienen un
acabado final
y se evitan
operaciones
adicionales
tales como la
rectificación o
el ajuste.
En Colombia, aún el desarrollo de
esta tecnología es incipiente e industrialmente
no existe, la gran
mayoría de estudios acerca de la inyección
de polvos metálicos han sido
desarrollados a nivel académico por,
entre otros, grupos de investigación
el de Materiales y Manufactura CIPP-
CIPEM, de la Universidad de los Andes,
que lleva un poco más de cuatro
años estudiando la técnica.
Actualmente, el CIPP-CIPEM cuenta
con laboratorio y maquinaria adecuada
para producir aproximadamente
800 piezas por hora.
Por su parte en América Latina la
empresa brasilera Steelinject es una
de las pocas compañías que ofrecen
piezas y servicios de manufactura
con inyección de metales.
De todo lo descrito, se desprende las
ventajas que presenta este proceso
de fabricación de piezas metálicas
a partir de polvos respecto de los
principales procesos de conformado
existentes en pulvimetalurgia. Sin
embargo, probablemente, no tendría
gran interés la aplicación de la
tecnología MIM para fabricar piezas
relativamente sencillas de metal
o cerámica, en especial, cuando se
trata de producciones pequeñas, ya
que industrialmente el mayor ahorro
se logra al elaborar un alto número
de productos.
Lo cierto es que la tendencia creciente
de la industria a la miniaturización,
la fabricación de piezas finales
con gran valor agregado y el desarrollo
de productos innovadores y de
alto rendimiento, impulsan enormemente
la tecnología MIM y le abre
las puertas a nuevos mercados.
Fuentes
• Jairo Arturo Escobar Gutiérrez. Dr. Ing. Profesor
Asociado Facultad de Ingeniería Mecánica
de la Universidad de los Andes. jaiescob@
uniandes.edu.co
• Germán Bonilla. Ingeniero mecánico. Gerente.
Profincol SAS www.profincol.com
gbonilla@profincol.com
• www.micromanufacturing.net - es.kinetics.
com - www.metalinjection.co.uk
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