Pioneros en procesos de electroerosión

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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".

© Reproducido de Modern Machine Shop con autorización expresa del editor.

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