Emplear la electroerosión para la manufactura
de moldes no es nada nuevo. De hecho, una de las primeras aplicaciones de electroerosión
es la obtención de moldes con cavidades profundas. Esta es una de las
principales razones por las que se habla de máquinas de penetración
para referirse a aquellas que utilizan un electrodo que desciende hacia la pieza,
removiendo material con microscópicas descargas eléctricas de
alto voltaje.
Industrias Ryer LLC, en Temecula,
California, utiliza una electroerosionadora de penetración para producir
cavidades detalladas en los moldes construidos para el proceso de inyección
de metales (MIM). Sin embargo, según Tom Shappie, Director de Operaciones
de Ryer, la compañía no hace nada extraordinario al utilizar EDM
para la manufactura de moldes. "Somos como cualquier otro experto en moldes
de cavidad profunda con EDM", dice Shappie.
Sin embargo, hay algo diferente en los moldes
que produce Industrias Ryer, lo que coloca a la electroerosión en una
nueva perspectiva. Estos moldes no son diseñados para producir piezas
plásticas, tal como un típico molde de inyección. Estos
moldes producen piezas en metales como acero inoxidable y otras aleaciones.
Esta capacidad crea interesantes posibilidades. De hecho, Industrias Ryer fue
creada para la investigación de diversas técnicas para usar el
proceso de inyección de metales (MIM) como una alternativa de otros métodos
de manufactura. Algunas de ésas técnicas benefician directamente
al proceso de electroerosión. Por ejemplo, el MIM le ha permitido a la
compañía producir materiales, con prometedoras propiedades, para
el uso en electrodos que harían la electroeorosión más
rápida y eficiente.
Industrias Ryer también utiliza electroerosión
de hilo en aplicaciones MIM. Este tipo de electroerosión utiliza un hilo
energizado, el cual es alimentado por un carrete sin fin como si fuera una sierra
superfina, que permite el corte del metal a lo largo de la trayectoria programada.
La electroerosión por hilo ayuda a que la compañía produzca
prototipos económicos de partes que, eventualmente, son producidas en
moldes costosos y permanentes.
Entre los materiales para moldes que Industrias
Ryer está desarrollando se encuentran diversas clases especiales de carburo
de tungsteno, las cuales pueden ser trabajadas solamente a través del
proceso MIM. Estos tipos de carburos son superiores, ya que contienen cierto
tipo de elementos que se encuentran en materiales para herramientas, y algunos
han durado hasta treinta veces más que sus equivalentes producidos por
métodos convencionales. Estas excepcionales características motivaron
a la compañía a buscar maneras para mejorar la resistencia de
las piezas al desgaste, lo que es fundamental en la electroerosión. Algunos
de sus proyectos actuales involucran piezas para electroerosionadoras de hilo,
de manera que en la empresa el MIM ayuda a la electroerosión y viceversa.
Como horneando un pastel
Hornear un pastel es cuestión de mezclar
varios ingredientes, colocar la mezcla en un molde y luego meterlo en un horno
caliente. Cambiando los ingredientes o sus proporciones, un buen chef puede
hornear pasteles de diferentes sabores y texturas. De alguna manera, el proceso
MIM es similar.
Bob Sanford, presidente de Industrias Ryer,
explica cómo el proceso MIM comienza con finas y esféricas partículas
de metal. Esas partículas son mezcladas con diferentes aglomerantes termoplásticos
y luego, son procesadas en forma de gránulos, denominadas material de
alimento (feedstock). Este material se mete en las máquinas de
moldeo, parecido a lo que se hace en las inyectoras utilizadas en la industria
del plástico. En la máquina de moldeo el material es calentado
hasta una temperatura en la que el aglomerante se funde pero las partículas
metálicas no. En este estado pastoso el material de alimento es inyectado
a presión dentro del molde y se deja allí hasta que cure. Cuando
el aglomerante está listo, la parte moldeada es removida del molde.
Según Sanford, un proceso posterior
de desaglomeración remueve la mayor parte del aglutinante, quedando lo
que se conoce como parte quemada (brown part). Enseguida, esa parte quemada
es sinterizada en un horno de atmósfera controlada, primero a baja temperatura
para remover residuos de aglutinante y luego a alta temperatura para fundir
el polvo metálico y formar un sólido completamente denso similar
a una pieza de metal forjada. Las piezas se contraen considerablemente durante
el sinterizado (hasta 25%), de ahí que el molde deba ser sobredimensionado.
Sin embargo, las contracciones del material son predecibles en todas las dimensiones,
así que una vez el molde y los perfiles ya desaglomerados y sinterizados
han sido definidos, todo el proceso es consistente y repetible (pueden mantenerse
tolerancias estrechas). Las partes sinterizadas pueden ser mecanizadas, estañadas,
pulidas e, incluso, tratadas térmicamente.
Tal como un chef sigue diferentes recetas para
hacer un chocolate o un pastel, los ingenieros pueden seguir una serie de fórmulas
para producir materiales que se pueden moldear mediante el proceso MIM. En algunos
casos, la mezcla de diferentes polvos metálicos permite crear aleaciones
con propiedades diferentes o superiores a las aleaciones producidas en acerías
o por fundición. El MIM puede producir piezas de materiales blandos,
magnéticos, aceros de baja aleación, aceros inoxidables y otros
metales.
De igual manera, el moldeo de este tipo de
materiales permite la producción de geometrías intrincadas y complejas,
las cuales son muy cercanas a las formas finales y que, prácticamente,
no requieren ninguna operación secundaria.
Cómo transformarlo hacia la electroerosión
Los moldes para inyección de metales son,
en alguna forma, diferentes de los moldes para inyección de plástico.
Según Shappie, las principales diferencias están en los vaciaderos
y bebederos de un molde de inyección de metal. Estas formas son críticas
y deben ser diseñadas de manera que faciliten el flujo del material fundido
el cual es diferente al del plástico derretido.
No obstante, el proceso actual de construcción
de moldes sigue las prácticas típicas de manufactura de moldes.
Utilizando machos e insertos, los moldes de inyección de metales pueden
producir formas complejas con agujeros entrecruzados, muescas y otras geometrías
especiales.
Inicialmente, Industrias Ryer dependía
de varios talleres externos, los cuales proveían los componentes para
sus moldes de inyección de metal. A medida que la compañía
creció el volumen de pedidos también aumentó, a tal punto
que fue posible justificar la expansión de la capacidad instalada para
la producción de moldes.
En mayo de 2002 la compañía adquirió
el primer equipo de electroerosión compuesto por una electroerosionadora
de hilo y una electroerosionadora de penetración de Charmilles Technologies.
La máquina de penetración (Roboform 35P) es una máquina
CNC de tamaño mediano. Esta es una de las últimas generaciones
de máquinas de erosión por penetración. La unidad de hilo,
una Robofil 240, es también una de las últimas novedades del fabricante
en modelos de tamaño mediano. Se distingue por su corte sumergido, entre
otras características avanzadas.
Ambas máquinas se utilizan para la manufactura
de moldes de inyección de metal para la producción de dos clases
de moldes en Industrias Ryer. La primera clase consiste en la producción
de las herramientas diseñadas para el moldeo de green parts, específicas
para cada cliente. La segunda clase corresponde a moldes para la producción
de formas simples que podrán ser utilizadas como prototipos de prueba.
Prototipeado rápido
Una de las especialidades de Industrias Ryer es
la producción de herramientas de carburo para conformado y punzonado.
Estos productos, incluidas las cabezas para equipos de conformado en frío
y en caliente, son utilizados en la industria de tornillos de precisión,
así como en matrices de punzonado para grandes lotes. Según Sanford,
el proceso MIM ofrece varias ventajas en la manufactura de estas herramientas
de carburo.
Industrias Ryer ha desarrollado materiales
de carburo de tungsteno que producen piezas sinterizadas con una resistencia
excepcional al desgaste. Sanford atribuye esas características de desempeño
a la alta homogeneidad de la mezcla de las partículas metálicas
alcanzada por este tipo de material. La otra ventaja radica en que se pueden
moldear herramientas para producir formas que, cuando son completamente sinterizadas,
requerirán de pocas operaciones secundarias para su acabado. Algunas
de estas geometrías habrían sido imposibles o difícilmente
mecanizadas comenzando desde blancos de carburos convencionales.
Los prototipos le permiten al cliente evaluar
los diferentes tipos de carburo de tungsteno entre sí o compararlos frente
a aquellos obtenidos convencionalmente. Estas pruebas no solamente comprueban
la superioridad de este material para herramientas sobre otros carburos o HSS,
sino también optimizan la selección del tipo de carburo para el
proceso MIM. Asimismo, las pruebas determinan cuál va a ser la contracción
de la pieza durante el sinterizado. Conociendo el factor de contracción,
el molde definitivo puede ser diseñado con las sobredimensiones apropiadas
para su compensación.
Sería muy costoso y tomaría mucho
tiempo producir estos prototipos en moldes permanentes, por eso Industrias Ryer
los mecaniza a partir de blancos moldeados por inyección de metal. Cada
uno de estos moldes produce diversas piezas de diferentes materiales, cuyo material
tendrá características similares a aquellas obtenidas en moldes
permanentes.
Los moldes para producir blancos son relativamente
simples y su construcción es sencilla. Sin embargo, tanto la electroerosionadora
por hilo como la de penetración son utilizadas para mecanizar los blancos
y darles la forma que corresponda a la pieza final.
El carburo de tungsteno que Industrias Ryer
ha desarrollado para la producción de tornillos es difícil de
mecanizar, aún utilizando electroerosión, proceso que se destaca
por su habilidad para mecanizar materiales duros. Los carburos son difíciles
de electroerosionar ya que el proceso puede disolver el aglomerante de cobalto
de la superficie, dejándolo vulnerable a microfracturas.
Por esta razón, Industrias Ryer utiliza
los dispositivos para metal duro que hacen parte del circuito eléctrico
de la máquina Roboform 35P. Esta opción es diseñada especialmente
para la electroerosión de metales duros como los carburos. En esencia,
los circuitos especiales en el suministro eléctrico de la máquina
la habilitan para monitorear y ajustar los parámetros de la chispa a
altas velocidades. Un control casi perfecto de la chispa previene las condiciones
que degradan la integridad de la superficie de los carburos, sin prolongar el
tiempo de 'quemado' o experimentar excesivo desgaste del electrodo, lo que implicaría
una pérdida de la precisión geométrica.
Herramientas para producción
Lo moldes permanentes para producción involucran
tolerancias estrechas y geometrías más complejas que los moldes
para la producción de blancos. Un molde que Ryer hizo recientemente,
consistía en una familia de herramientas de múltiples cavidades
para producir dos tipos de partes diferentes para un mismo ensamble. La primera
pieza fue una válvula en forma de Y, donde las tres proyecciones requerían
de electroerosión por hilo para su manufactura. La segunda pieza fue
una caja de ventilación la cual fue construida utilizando partes que
encajaban entre sí. La geometría de cada una de esas partes se
obtuvieron en la máquina de elctroerosión por penetración,
utilizando electrodos producidos en fresadoras CNC.
El taller de la compañía se encuentra
muy bien equipado para la manufactura de electrodos. Normalmente, los ingenieros
de manufactura evalúan que métodos son mejores para producir el
acabado requerido por un producto. Si se escoge la electroerosión, ellos
diseñan los electrodos que serán manufacturados posteriormente.
Dependiendo de la forma y cantidad, entre otros factores, serán mecanizados
en fresadoras CNC o por electroerosión de hilo. En ocasiones, se utilizan
los dos procesos. En el caso de electrodos fresados, Ryer utiliza un sistema
de portapiezas que permite ligar la fresadora CNC con la máquina Roboform
35P. Cuando se trata de electrodos obtenidos mediante electroerosión
por hilo, se utiliza un portapiezas diseñado especialmente para las piezas
y los ground blanks para mantener la precisión. Se hace énfasis
en la fabricación de los electrodos ya que sí son de buena calidad
producen piezas de alta calidad.
Cómo mejorararon la electroerosión
por penetración
Dado que el costo de producción de moldes
de inyección de metal es uno de los mayores factores asociados al costo
total del proceso MIM, Industrias Ryer constantemente intenta incrementar su
eficiencia en las operaciones de manufactura de los moldes, especialmente en
aquellas que involucran electroerosión. Uno de los proyectos más
prometedores en desarrollo es un nuevo material para electrodos basado en el
proceso MIM.
Ya que la compañía conoce el
tungsteno, como diría Sanford, es natural que Industrias Ryer explore
aleaciones de tungsteno con posibles aplicaciones, tales como electrodos para
electroerosión. El tungsteno con cobre ha sido utilizado como material
para electrodos por varias décadas y fue un punto obvio de inicio.
Convencionalmente, el tungsteno con cobre es
formado por la infiltración de lingotes de tungsteno puro con cobre puro
dentro de un horno. Infortunadamente, el material final no es completamente
uniforme en su metalurgia. El cobre no siempre se dispersa uniformemente a través
del tungsteno, haciéndolo impredecible para utilizarlo como electrodo,
ya que las condiciones de la chispa varían de acuerdo con la cantidad
de cobre sobre su superficie. Asimismo, el tungsteno con cobre es más
dif&iacu
te;cil de mecanizar que los otros tipos de materiales para electrodos.
El proceso MIM brinda soluciones para ambas
dificultades. Como el material inicial es una mezcla de partículas que
pueden ser completamente fundidas, se puede formar una pieza uniforme y de estructura
cristalina homogénea de cobre y tungsteno luego de retirar el aglutinante.
Esta uniformidad facilita la estabilidad del proceso de electroerosión.
De igual forma, ya que el material puede ser moldeado en complejas geometrías,
la necesidad de fresado, torneado o rectificado puede reducirse. Es más,
el material es uniformemente conductivo lo que se presta para la electroerosión
por hilo.
Actualmente, Industrias Ryer evalúa
diferentes tipos de tungstenos con cobre. Sanford cree que los electrodos de
tungsteno con cobre producidos por MIM permitirán remover material de
manera más rápida y con menos requerimientos energéticos.
Los beneficios incluyen la reducción de tiempo en electroerosión
y un mejor acabado superficial, manteniendo la precisión geométrica
asociada con el menor desgaste de los electrodos de tungsteno.
Cómo mejorararon la electroerosión
por hilo
Dado el interés de Industrias Ryer en la
electroerosión y su experiencia en materiales para herramienta resistentes
al desgaste, no es sorpresivo que la compañía centre su atención
en el estudio de partes antidesgaste para la electroerosión por hilo.
Por ejemplo, Industrias Ryer trabaja con Charmilles
Technologies para obtener juegos de contactores de alta y baja tensión
moldeados por inyección utilizando el carburo de tungsteno desarrollado
por Ryer. Dichos contactores transmiten corriente eléctrica al hilo de
la electroerosionadora, así como lo haría con otros contactos.
Igual que la mayoría de sus proyectos en desarrollo, Ryer está
mecanizando los prototipos de los contactores a partir de blancos.
Ryer utiliza su máquina de electroerosión por hilo Robofil 240 para cortar los contactores a partir de diferentes tipos de blancos de carburo de tungsteno producidos mediante el MIM. Se han dado cuenta que esos contactores tienen larga vida utilizando hilos para electroerosión de latón.
Una vez haya sido identificado el tipo óptimo de carburo de tungsteno, Ryer fabricará un molde con múltiples cavidades para la producción en masa de esos contactores, los cuales estarán disponibles para las electroerosionadoras por hilo de Charmilles.
Un caso similar se presenta con las cuchillas para cortadores por hilo (también conocidas como interruptores), los cuales juegan un muy funcional pero poco sofisticado papel en el proceso de electroerosión. Dado que el hilo no puede ser reutilizado (la superficie del hilo es sometido a cambios térmicos, químicos y físicos durante la electroerosión), debe ser reemplazado. La mayoría de máquinas electroerosionadoras están equipadas con cortadores de hilo, los cuales cortan el hilo utilizado en pequeños trozos, para luego depositarlo en canecas de gran capacidad.
Aunque el corte del hilo no es una operación de precisión, el desempeño confiable del cortador es uno más de los muchos aspectos que no pueden ser pasados por alto. Los hilos usados tienden a endurecerse y quebrase, por lo tanto, el cortador se desgastará y necesitará ser reemplazado. Por las mismas razones que el carburo de tungsteno moldeado por inyección de metal es apropiado para los contactores, también lo es para los cortadores de hilo.
Más electroerosión
Desde su desarrollo a finales de los ochenta, el proceso MIM ha crecido en importancia como una alternativa de los procesos de manufactura convencionales. Sanford confía que este crecimiento continúe a medida que más ingenieros conozcan su potencial, el cual es aplicable en la reducción de tiempos de producción y eliminación de pasos, a la vez que permite alcanzar propiedades superiores en las piezas. "Estamos ampliando las fronteras para el proceso mediante el desarrollo de materiales nuevos y métodos innovadores para hacer piezas más grandes, durables y resistentes al desgaste mediante MIM, comenta Sanford. Necesitaremos capacidad adicional en la medida en que surjan nuevas aplicaciones MIM".
No solamente se necesitarán electroerosionadoras para las diferentes aplicaciones que tiene la compañía sino también para las nuevas aplicaciones que se vayan descubriendo. "La electroerosión es como esto que ya hemos aprendido, anota Sanford. El MIM y la electroerosión tienen un gran potencial por explotar que revolucionará la forma de hacer piezas".
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