Electrodos de grafito para electroerosión

En el proceso de electroerosión por penetración los electrodos de grafito se destacan por su desempeño a nivel mundial: ¿Por qué no se utilizan en nuestra región?

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Por sus características la electroerosión permite mecanizar formas complejas, materiales duros con alta precisión, y buen acabado superficial. En las operaciones de electroerosión, una pieza fundamental es el electrodo, pues puede llegar a representar más del 70% del total de la operación de EDM, según el artículo “Materials used for sinking EDM electrodes: a review”, de Tiago Czelusniak y otros autores de la Pontificia Universidad Católica de Paraná en Brasil.

Esa es la razón por la que la elección del material del electrodo es clave en el proceso. Y es que la conductividad térmica y eléctrica, y la temperatura de fusión y ebullición influyen considerablemente en el rendimiento del proceso de electroerosión. Esto impacta en la tasa de eliminación de material, desgaste del electrodo, y la integridad de la superficie de la pieza de trabajo.

En suma, los materiales con buena conductividad eléctrica y térmica y alto punto de fusión son los más adecuados como electrodos EDM, entre ellos, están el cobre, grafito, grafito de cobre, cobre telurio, latón, tungsteno, tungsteno de cobre, carburo de tungsteno, plata, tungsteno de plata y aluminio.

En el panorama mundial, hay un debate sobre cuál es el mejor material para los electrodos utilizados en electroerosión, en particular, la discusión se centra entre los dos más usados que son el cobre y el grafito.

La razón por la que los electrodos de grafito se han posicionado en un lugar predominante en operaciones de electroerosión en el mercado estadounidense, es porque ahí se desarrollaron y los equipos de EDM se diseñaron en torno a ellos. Pero también es por su conductividad eléctrica y térmica, el desgaste de electrodos de este material es menor a 1% en relación con la profundidad del corte.

 

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Cuando son electrodos de grafito de grano fino, proporcionan acabados superficiales similares a los del cobre, pero con velocidades mucho más rápidas y un desgaste reducido. Los partidarios del grafito destacan que este material permite lograr ahorros de costos por tiempos de mecanizado y velocidad de corte más reducidos, así como un mejor rendimiento de las máquinas de electroerosión.

Por el lado del cobre, además de su conductividad eléctrica y térmica, su costo más bajo que el grafito es un factor importante. Se logran acabados superficiales muy finos, también es mejor para cavidades pequeñas, donde el pulido es difícil. Una ventaja muy apreciada es que es un material limpio en el mecanizado y no deja polvo como el grafito.

 

Las primeras máquinas de electroerosión utilizaban electrodos de cobre y latón porque eran los que mejor funcionaban. Pero, a medida que la tecnología va evolucionando, las nuevas generaciones de máquinas EDM ya están diseñadas para usar el grafito más que cobre. Así que se podría esperar que conforme la industria se va modernizando también irá optando más por el grafito.

 

Panorama en México

En México, no hay datos sobre qué tipo de electrodos se utilizan más en la actualidad, pero de acuerdo con diversos especialistas el mercado de electrodos EDM podría estar dominado por el cobre. Hoy, la electroerosión en el país está muy enfocada en la elaboración de moldes, y si bien es una industria que está creciendo y evolucionando, actualmente en su mayoría se fabrican moldes de menor complejidad y la tecnología existente parece ser todavía diseñada para el cobre.

CNC Maquinados es un taller metalmecánico dedicado a la fabricación de moldes, troqueles y refacciones para los mismos. Está ubicado en Tultitlán, Estado de México, y se fundó en 1989, apenas unos años después de que las primeras máquinas de electroerosión llegaran al país.

Jaime González, fundador y director general de la compañía, cuenta que en esos primeros años, las máquinas EDM eran de origen japonés y se utilizaban electrodos de cobre, y en particular, de cobre electrolítico. Sin embargo, en esa época había un problema de abasto de este tipo de cobre en el país y con el tiempo se terminaron haciendo de cobre puro.

“Hace tiempo las empresas buscaban los electrodos de grafito, pero de nuevo, el material no se conseguía en México. Con grafito es más rápido el maquinado porque es como carbón, entonces las herramientas duran más, pero es difícil también conseguirlo en las medidas que se requieren de acuerdo a las necesidades”, explica el directivo.

Otro inconveniente de trabajar con grafito es que es un material que genera polvo, lo que en equipos de uso común puede llegar a tapar y contaminar el soluble. En general, se requiere de equipos adicionales que estén succionando el polvo, sin embargo, no se evita la contaminación del líquido dieléctrico.

Según su experiencia, Jaime González afirma que actualmente en el país los electrodos de cobre son los de más demanda. De hecho, desde que comenzó a especializarse en operaciones de electroerosión, de los años 80 a la fecha, en las diferentes empresas en las que ha trabajado y con sus clientes, aproximadamente el 98% de los electrodos que ha usado y fabricado son de cobre y sólo 2% han sido de grafito.

“Cuando se trabaja con grafito, no se puede trabajar con el refrigerante, entonces todo ese polvo se mete en las coladeras, en las tuberías y eso es lo que a la larga daña la máquina, por eso es que no acostumbramos a trabajar tanto con grafito. Sí lo hacemos, pero es poco porque no se acostumbra en México”, comenta. Frase destacada.

El especialista señala que el cobre requiere mayor tiempo de trabajo, y tiene mayor desgaste, aunque sería mejor el cobre electrolítico, también es difícil conseguirlo. Al final aun cuando cuentan con capacidad para fabricar electrodos de grafito, el mercado no lo está pidiendo, al menos por el momento.

 

Oportunidades futuras

Como sea, la demanda de operaciones de electroerosión sigue al alza en el país. De acuerdo con Data México, en 2006 las compras internacionales de máquinas de electroerosión ascendieron a USD 7.68 millones, y los países con mayores ventas a México fueron China, Japón y Suiza.

Los estados que más compras realizaron fueron Nuevo León, Estado de México y Ciudad de México. Cabe aclarar que estas compras se refieren a adquisiciones que realizaron empresas instaladas en el país, a proveedores internacionales con sucursales ubicadas en territorio nacional, no a importaciones de máquinas. 

Para 2021, las compras internacionales de máquinas EDM fueron de USD 15.9 millones, y los principales proveedores fueron Taiwán, Japón y China. Y Querétaro fue el que más compras realizó, seguido de Estado de México y Nuevo León.

El año récord en compras mexicanas de máquinas de electroerosión fue 2017, con USD 27.4 millones. Esto coincidió con el mejor año para la industria automotriz del país que llegó a 3.7 millones de unidades ensambladas y 3.1 millones vehículos exportados.

“Al ser un proceso altamente especializado, la electroerosión se utiliza mucho en la industria médica, en todo tipo de piezas, en aeronáutica, en automoción, en piezas de alta calidad, sobre todo en industrias de alta gama, de mayor valor agregado”, comenta Arturo Romero Karam, CEO de Especialidades de Grafito (Esgraf), proveedora de grafito para México y Latinoamérica.

Para el especialista, según su visión, en el mercado mexicano existe mucha oportunidad de negocio para los talleres de maquinado, sobre todo de cara a la relocalización de operaciones de Asia a Norteamérica, pues hacen falta talleres especializados que le entren al grafito.

En su opinión, los talleres que quieran tomar esta oportunidad tendrán que enfrentarse con un material muy sucio, que requiere equipos adicionales para extracción de polvo o equipos de última generación, pero también van a necesitar cierto expertise porque a diferencia del fierro o el acero que generan rebaba, el grafito se despostilla.

“Para los electrodos de grafito hay un área de oportunidad en México de especializarse en este tipo de fabricación para moldes (…) realmente hay mercado, cada vez hay más inyectoras de plástico en México con la industria automotriz y aeronáutica creciendo enormemente y requieren de refacciones para sus utillajes y piezas, entonces definitivamente hay un mercado”, asegura Arturo Romero Karam.

En ello coincide Héctor Flores Esquivel, gerente de Aplicaciones Centro Sureste y responsable de Hi-Tec Institute de Grupo Hi-Tec, pues asegura que la inyección de plástico crece cada vez más en el país y eso impulsa el crecimiento de la fabricación de moldes.

 

Al hablar de las ventajas del grafito, explica que es más fácil de mecanizar y es mejor conductor que el cobre. En el proceso ayuda a erosionar más rápido, lo que es una ventaja, por ejemplo, al reducir el tiempo de fabricación de un molde.

“El grafito es un polvo unido por un pegamento, entre más grueso el grado del polvo, menor será la calidad, pero hoy existen grafitos con un tamaño de grano por debajo de las 3 micras, entonces podemos tener electrodos donde podemos hacer un nivel de detalle muy fino”, asegura Héctor Flores Esquivel.

En pruebas que hacen con los propios equipos de la compañía, un electrodo de grafito se fabrica en un tercio del tiempo que toma hacer uno de cobre. Sin embargo, el especialista reconoce que es un material sucio y que presenta dificultades para evitar que contamine los gabinetes eléctricos del centro de maquinado, o incluso, que los operadores respiren el polvo que se desprende en el proceso.

También es un material que requiere de herramientas especiales que pueda soportar la abrasividad del grafito y que no se pueden usar para otros equipos. Pero la tecnología ha avanzado y en la actualidad existen equipos para trabajar el grafito, pero que al mismo tiempo se pueden usar para otros materiales como el acero y el cobre.

Los centros de maquinado para trabajar grafito tienen gabinetes eléctricos y cubiertas para las guías mejor selladas. Los equipos que ofrece Grupo Hi-Tec para esto, cuentan con una especie de velo dieléctrico que atrapa perfectamente el polvo de grafito y lo lleva a un sistema de filtrado.

Si bien son equipos que tienen un costo 30% mayor al de un centro de maquinado que no es para grafito, al final de cuentas, adecuar uno convencional para trabajo con este material puede costar ese 30% adicional. Aquí la ventaja es que el polvo se captura mejor y es un equipo diseñado especialmente para eso, además, se puede usar para mecanizar otros materiales.

“Como cualquier tecnología es cosa de que la gente lo vaya comprendiendo, adaptando y va a ser la misma necesidad de los tiempos de respuesta la que nos va a llevar. Creo que ya no tarda tanto en despegar los centros de maquinado para grafito”, confía el especialista.

La necesidad de moldes cada vez más complejos y de alta gama, así como los costos logísticos desde Asia o Europa, hacen menos rentable la importación que la fabricación local, así que en definitiva sí hay futuro para el cambio tecnológico hacia electrodos de grafito u otros materiales de más alto desempeño.

“En el sector de plásticos se están fabricando muchos moldes, tal vez moldes sencillos, pero son talleres que están agarrando ese expertise, y que no en mucho tiempo van a tener la necesidad de hacer moldes más complejos, por ejemplo para la industria automotriz, donde los electrodos de grafito son muy usados”, dice el especialista de Hi-Tec.