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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 WWW.METALACTUAL.COM

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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.

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.

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El proceso MIM es rentable económicamente hasta piezas entre 150 y 200

gramos y en algunas ocasiones hasta 300 (debido al alto costo feestock).

El proceso MIM utiliza equipos y técnicas similares a las utilizadas en inyección de plástico.

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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.

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; Ti6Al7Nb 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

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).

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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.

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.

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 WWW.METALACTUAL.COM

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.

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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.

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 Aeroespacial Automoción Máquinas de oficina Moldeo por colada Ordenadores

Aplicación Componentes de cohetes, bomba de combustible, cuerpos hidráulicos, turbinas. 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.

Material Superaleaciones base Ni, aleaciones de titanio. 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 Armas, visores, estabilizadores de misiles tratados térmicamente, alúmina, Defensa y proyectiles, rotores. Pistolas, rifles, carburo de boro, diborato de armas militares, gatillos. titanio. Acero inoxidable, alúmina, Dental Brackets, implantes. aleaciones cobalto-cromo, titanio. Componentes Componentes aislantes y de sujeción en Acero inoxidable 316, cobre, eléctricos y aparatos eléctricos, disipador de calor, alúmina, Kovar, Invar, aluminio, electrónicos. vástagos, mecanismos de cierre. molibdeno, wolframio, bronce. Aceros de herramientas, aceros Llaves, destornilladores, tijeras, navajas Herramientas tratados térmicamente Fe-1Crsuizas, alicates. 0.2Mo-0.8Mn. Cortaúñas, copas de café y té, secadores Acero, porcelanas, zirconia, Hogar de pelo, cepillos eléctricos, estuches titanio, acero inoxidable. cosméticos, monturas de gafas, cuchillos. Hornos, motores, herramientas de corte Zirconia, alúmina-sílica, cermets, Componentes y perforación, rodamientos, cojinetes, carburos cementados, aceros de industriales abrasivos. herramientas, cromo-cobalto. Materiales magnéticos débiles, Componentes de medidores de precisión, Instrumentación y Fe-2Ni, Fe-3Si, Fe-6Si, Fe-0.4P, sensores, componentes de aparatos sensores Fe-0.6P, Fe-50Ni, Fe-36Co, Fecientíficos, sistemas de control de fluidos. 50Co, Fe-49Co-2V. Joyería Llaveros, anillos, relojes, colgantes. Metales preciosos Aceros inoxidables, aleaciones Bisturís, herramientas para quirófano, Medicina de tántalo, Aleaciones base Co, componentes para cirugía, implantes. Ti, W, biocerámicas. Microprocesadores con altas Aleaciones ferríticas, cobre-W, Microelectrónica y prestaciones, disipadores de calor, cobre-Mo, aleaciones Fe-Ni y FeOptoelectrónica móviles, ordenadores personales. Ni-Co, Invar, Kovar, espinelas Componentes para perforación, minería Aceros de alta tenacidad a la Petrolífera y minas y procesado petroquímico, componentes fractura, carburos cementados resistentes al desgaste para corte. Titanio, carburo de titanio, Tacos de zapatillas de deporte, golf, Equipos deportivos wolframio, zirconio, acero dardos. inoxidable, cobre-W. Componentes vibradores, bisagras y Wolframio y aleaciones pesadas, tapas, antenas y componentes de las Telecomunicaciones cerámicas, acero inoxidable, estaciones de transmisión, teléfonos aleaciones cobre-wolframio. móviles, PDA. Aceros inoxidables, Ti, carburos Relojería Correas, cierres y cajas de reloj. cementados, zirconia-Ti Herramientas de corte

Herramientas de corte y molienda.

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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.

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• Ensambles reducidos: Presenta una gran capacidad para combinar piezas de acoplamiento en un único componente más complejo.

La selección del polvo es una etapa importante ya que de esto depende las propiedades finales de la pieza.

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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 CIPPCIPEM, 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. 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

reutilizado y no hace falta aplicar ninguna operación secundaria. • Automatización: Es un proceso fácilmente automatizable, aunque inicialmente requiere de alta inversión.

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.

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Después de la sinterización las piezas tienen un acabado final y se evitan operaciones adicionales tales como la rectificación o el ajuste.

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 [email protected] • www.micromanufacturing.net - es.kinetics. com - www.metalinjection.co.uk

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