Ehla: recubrimiento rápido y amigable con el medio ambiente

El nuevo proceso de deposición de soldadura por láser de alta velocidad (Ehla) es una verdadera historia de éxito. Inició con un desarrollo intensivo en Aachen (Alemania) en 2012 y desde entonces ha sido probado e implementado en los Países Bajos e industrialmente utilizado en China. El 21 de septiembre de 2018, este proceso —desarrollado por el Instituto Fraunhofer para la tecnología láser ILT y la dirección de Manufactura Aditiva Digital de la Universidad RWTH Aachen— fue galardonado con el premio a la Innovación Berthold Leibinger.

 

Las instrucciones para construir lo que es probablemente el sistema de recubrimiento láser más rápido del mundo en realidad son muy simples: tome un torno CNC y luego instale una fuente de generación de láser, un cabezal de procesamiento y un sistema de alimentación de polvo, y eso es todo.

El nuevo proceso resuelve un problema familiar para los fabricantes de componentes metálicos altamente solicitados. Tienen que recubrir los componentes para evitar la corrosión o desgaste. Hay exigencias extremadamente rigurosas, por ejemplo, en recubrimientos para cilindros marinos de un metro de largo que se oxidan y desgastan rápidamente en el mar debido al medio salino; sin embargo, los procesos de recubrimiento habituales (cromo duro, el rociado térmico y la soldadura por deposición) tienen sus desventajas. Incluso la soldadura por deposición láser solo ha podido utilizarse en casos aislados.

Alternativa al cromo duro 

El proceso más común hasta la fecha para la protección contra el desgaste y la corrosión ha sido el cromado duro con cromo (VI), pero este ha sido incluido en la regulación de Químicos EC 1907/2006 (REACH) de la Unión Europea debido a sus efectos nocivos en el medio ambiente.

Como resultado, desde septiembre de 2017 solo ha sido posible utilizarlo con autorización o aprobación especial. La empresa Cilindros IHC Vremac B.V. de Apeldoorn (Países Bajos), que produce cilindros hidráulicos con vástagos de pistón de hasta 10 m de longitud, se enfrentó a este problema. Los vástagos se utilizan bajo condiciones extremas de trabajo pesado en excavadoras, plantas costa afuera, ingeniería civil y aplicaciones de maquinaria pesada.

“Desde hace algún tiempo hemos estado buscando nuevas empresas que puedan aplicar recubrimientos dúctiles y más duros de alta calidad”, explica Andrés Veldman, gerente de Ingeniería en Cilindros IHC Vremac. Los procesos electrolíticos son adecuados recubrimientos dúctiles, mientras que el rociado de combustible oxígeno a alta velocidad (HVOF) es una posible solución para recubrimientos duros. Pero la compañía de Apeldoorn también decidió analizar el uso de láseres. Las investigaciones iniciales en 2006 revelaron que la soldadura por deposición láser normal es demasiado costosa y complicada. “Sin embargo, estábamos convencidos de que este proceso tenía un futuro prometedor”, recuerda Veldman.

Veldman no estaba equivocado: el proceso finalmente logró su gran avance gracias a una innovación en el control de procesos que permite velocidades de recubrimiento mucho más altas. El metal de aporte se funde directamente en el rayo láser y no en el baño de soldadura. ¿El resultado? Recubrimiento Ehla con velocidades de proceso de hasta 500 m/min mientras que las tasas típicas previamente eran de 0.5 a 2 m/min. Ehla también permite aplicar capas mucho más delgadas. Mientras que anteriormente solo eran posibles capas de más de 500 μm, ahora se pueden obtener capas delgadas de entre 25 y 250 μm. Además, las capas son más suaves y la rugosidad se ha reducido a una décima parte del valor típico para soldadura por deposición láser.

Pero los desarrolladores con sede en Aachen también deben su éxito en el mercado a dos pioneros de los Países Bajos. En su búsqueda de un fabricante de sistemas, los científicos se encontraron con la relativamente joven empresa Hornet Laser Cladding B.V. de Lexmond. La primera planta de Ehla fue establecida en la fábrica de Hornet en 2014. Esta fue básicamente un torno automático mejorado.

Thomas Schopphoven, jefe del equipo de Productividad y Tecnología de Sistemas en el grupo de soldadura por deposición láser en Fraunhofer ILT, explica el contexto: “La ventaja para el recubrimiento de componentes rotacionalmente simétricos es que los componentes necesarios: la fuente del rayo láser, el cabezal de procesamiento Ehla y sistema de alimentación de polvo, se puede integrar fácilmente, incluso en el sistema de control”.

Proceso en uso internacional 

Los resultados de la colaboración entre el Fraunhofer ILT y Hornet convencieron a IHC en Apeldoorn. “Se creó un sistema completamente nuevo basado en un tipo de torno que ya usábamos en Apeldoorn”, recuerda Veldman. “Lo que fue ingenioso sobre esto fue que, de ser necesario, podríamos haberlo utilizado como un torno, lo que significaba que teníamos un plan B. La adquisición y conversión del torno a la planta de Ehla de aproximadamente 14 metros de longitud, seguida de la instalación y puesta en servicio, tomó un poco menos de seis meses”.

Los holandeses ya han comenzado la producción en serie. Ahora que una serie de proyectos se han completado, Veldman reconoce que el proceso actualmente cuesta aproximadamente lo mismo que el rociado térmico. Él estima que será más barato una vez que se hayan optimizado los procesos de acabado; sin embargo, la empresa ya ha sido capaz de convencer a los clientes en el sector off shore, por ejemplo, sobre los beneficios del nuevo decubrimiento y han obtenido la certificación de Ehla según DIN EN ISO 15614-7 por Lloyd’s Register (LR), la organización de gestión de riesgos.

“Los expertos inicialmente eran muy escépticos porque solo habíamos probado capas delgadas de hasta 200 μm en el laboratorio, que luego se rectificaron a 150 a 100 μm. Queríamos asegurarnos de que los recubrimientos proporcionaran una buena protección contra la corrosión incluso después del desgaste”. Los técnicos de IHC sabían lo que estaban haciendo. Desde 2015, la compañía ha recubierto varios cientos de cilindros hidráulicos con aleaciones para trabajo pesado resistentes al desgaste y la corrosión para uso en alta mar en todo el mundo, con longitudes de hasta 10 m y diámetros de hasta 500 mm.

Trumpf Laser, en Ditzingen, también es consciente del gran número de aplicaciones posibles y ahora ofrece sistemas láser que incluyen procesos Ehla para diferentes tamaños de componentes. Esta tecnología rápida y amigable con el medio ambiente también está atrayendo la atención fuera de Europa. Usuarios chinos también han comenzado a usar el proceso recientemente. Chen Hong, director General de ACunity de Aachen, un spin-off de Fraunhofer ILT, explica: “Hay una gran demanda para el proceso EHLA porque China está buscando regular el recubrimiento basado en cromo duro con base en el modelo europeo en los próximos dos años”.

En consecuencia, en 2017 este spin-off entró en una cooperación estratégica con la Academia de Ciencias de Maquinaria de China y Tecnología (CAM) en Beijing y suministró un sistema de 5 ejes con tecnología de boquilla Ehla adaptada por el Fraunhofer ILT. Después de los proyectos exitosos para CAM en Beijing, la compañía Hebei Jingye Additive Manufacturing Technology ordenó dos sistemas para el recubrimiento exterior de cilindros hidráulicos que operan en alta mar de hasta cinco metros de longitud con un diámetro máximo de un metro, así como otro sistema de recubrimiento interno.

Luego del éxito inicial del proceso de Ehla en China, el director general Hong es optimista en que pedidos de cinco y diez turbinas para la industria off shore vendrán pronto. Aquí se verá también un cambio en el método de producción. Mientras que anteriormente se trataba de crear máquinas a medida, el énfasis ahora es desarrollar un sistema modular para plantas pequeñas, medianas y muy grandes.

Ehla ahora supera otros procesos

Además de Ehla, también se están creando otros nuevos procesos, como la deposición de nanoestructuras, basada en láser (proyecto Laser-4-Fun, www.laser4fun.eu), o nuevos desarrollos de procesos convencionales tales como el gas inerte de tungsteno o soldadura por deposición de polvo por plasma (PTA). “En todo el mundo, sin embargo, no hay otro proceso de recubrimiento para la aplicación de capas finas de alta calidad unidas por fusión metalúrgica que sea tan flexible, efi ciente en recursos y al mismo tiempo económica como Ehla”, puntualiza Schopphoven.