Pulido automático de moldes

Entre los mercados objetivo se encuentran el moldeo de microconjuntos de lentes, en aparatos ópticos donde se necesita direccionar rayos, o lentes de teléfonos celulares. Además de incrementar la exactitud, también se persigue un aumento en la velocidad de producción y la reproducibilidad.

En Alemania se encuentran dos de los institutos más importantes en el ámbito mundial en la producción de moldes, el Instituto de Técnicas de Producción Fraunhofer IPT y el Laboratorio de Máquinas Herramientas WZL, de la universidad RWTH, en Aachen. En este artículo resumimos algunos de los proyectos de investigación de tecnología de punta, en los que estos dos institutos trabajan para incrementar la calidad superficial de moldes de forma automática. Los trabajos, supervisados por el profesor Fritz Klocke, están orientados a integrar los procesos de pulido a procesos CNC, por un lado imitando con una herramienta de pulido lo que se hace en un proceso de fresado y, por otro lado, usando el dieléctrico que se usa en el proceso de electroerosión como un medio portador de partículas que mejoran el acabado superficial.

Celda de pulido automatizada
Uno de los grupos de trabajo en el IPT se ocupa de desarrollar una celda de pulido automatizada, con la que sea posible desarrollar acabados de moldes de precisión de manera más sistemática, precisa y económica.

El proceso de pulido se basa en un robot de brazo articulado, en el que se puede instalar una rueda de pulimento de manera axial. Por medio de una membrana de caucho instalada en la herramienta de pulir se logra tener una distribución  de presión uniforme sobre la pieza de trabajo. Esto permite pulir superficies de geometrías "de todo tipo, por ejemplo, aristas o superficies redondeadas", de acuerdo con un comunicado de prensa emitido por el investigador responsable, Richard Zunke.

Para lograr una remoción uniforme de material, a la vez que tener resultados de pulido uniformes, el IPT trabaja en el desarrollo de estrategias confiables de control de proceso. El proceso de pulido se controlará con un módulo CAD/CAM, con lo cual las carreras de pulido y los parámetros de proceso se controlarán de manera análoga a una máquina de fresado

El objetivo del proyecto es extrapolar los pasos de proceso que ya se conocen para geometrías planas a geometrías de cualquier forma. Para lograr una superficie de alto brillo libre de defectos, el control de robot trabaja con una pista, que asemeja el movimiento de pulido al movimiento manual que desarrollaría un operario.

Pulido con electroerosión
Las ventajas de precisión geométrica que se pueden obtener con la electroerosión se conocen hace muchos años. La electroerosión por penetración se usa ampliamente para manufacturar cavidades complejas en aceros de herramienta endurecidos y constituye una alternativa muy flexible, no sólo por ser automatizable y por poder trabajar geometrías en tres dimensiones, sino también porque evita las imprecisiones de proceso que se inducen cuando se cambia de maquinaria. Sin embargo, el proceso siempre ha estado relacionado con acabados superficiales deficientes, relacionados con la descarga eléctrica que tiene lugar al remover material.

Recientemente, investigadores del instituto de máquinas herramientas WZL, han descubierto un nuevo proceso, a través del cual se pueden emplear aditivos en el dieléctrico para incrementar la calidad superficial. El proceso de pulido por electroerosión se define como el proceso de acabado superficial donde se usan pequeñas descargas de energía y aditivos en polvo en los dieléctricos basados en aceite. Los investigadores reportan rugosidades superficiales por debajo de 0,1 micrómetros Ra, así como espesores de la capa resolidificada alrededor de 4 micrómetros, con tiempos de proceso menores. Adicionalmente, se ha reportado que el electrodo tiene menos desgaste y que se puede mejorar la precisión en la pieza de trabajo.
El objetivo es tener mejores acabados superficiales en menos tiempo. "Entre más energía haya en la descarga, el acabado superficial es peor, pero se remueve más material. Lo que hacen estos aditivos es que para esta misma cantidad de energía, se remueve más cantidad de material, pero el acabado superficial es mejor", explica Miguel Garzón, investigador encargado del proyecto.

Garzón explica que en el proceso de electroerosión existe un campo eléctrico entre los dos electrodos. El principio de remoción de material es térmico; el calor generado por la descarga hace que se funda y se evapore el material de los electrodos. Al tener el aditivo del dieléctrico, una partícula que es eléctricamente conductora, en el espacio en el que ocurre la descarga eléctrica, la resistencia dieléctrica del material disminuye. Esto permite que pueda haber más descargas con la misma energía de proceso, por tanto se  obtienen mayores tasas de remoción de material. Al mismo tiempo, el aditivo mejora la conductividad térmica en el dieléctrico, por lo que después de la descarga se disipa mejor el calor y éste no penetra tanto el material, haciendo que los cráteres después de cada descarga no sean tan profundos.

La combinación de una mayor cantidad de cráteres de menor profundidad aumenta la remoción de material mejorando a la vez la calidad superficial.
Compañías como Agie Charmilles ya ofrecen la tecnología GammaTec, en la que se vende el paquete completo de máquina de electroerosionado y aditivos para pulido. La máquina ya tiene el sistema de tanques que puede manejar los dieléctricos con base en aceite con los polvos utilizados para pulido.

Garzón hace énfasis en que la selección del material base del molde también es crítica, ya que no todos los aceros de molde se dejan pulir igual. "Uno no debe escoger un acero únicamente basado en las necesidades de propiedades mecánicas y térmicas, ya que la microestructura, el tamaño de grano (o de carburos) y la composición química del acero influyen en la capacidad de ser pulido". Por ejemplo, aunque los aceros con alto contenido de carburos de cromo de gran tamaño tienen buena resistencia a la corrosión y al desgaste, no permiten dar un acabado superficial tipo espejo, como sí lo hacen aceros desarrollados con la tecnología de metalurgia de polvos, porque cuentan con microestructuras muy finas.

Definición de estándares
Uno de los campos en los que se requiere actualmente más trabajo es en la definición de estándares de calidad de pulido. De acuerdo con los investigadores, muchas preguntas con respecto a la capacidad de pulido y a la calidad superficial de aceros pulidos no tienen, hasta hoy, una respuesta satisfactoria. "No existe una definición única de qué procesos pueden resumirse bajo el término de pulido", afirma en un comunicado de prensa Barbara Behrens, investigadora del proyecto.

Por ejemplo, en electroerosión el criterio de calificación de una calidad superficial se determina a través del estándar VDI 3400, en el cual se emplea una pieza de metal con una colección de superficies de diferente rugosidad, logradas a través de diferentes condiciones de proceso de electroerosión por penetración. Para determinar con qué calidad se quiere trabajar, el operador o el fabricante de moldes palpa la superficie, de manera que el criterio de selección es puramente cualitativo y subjetivo. Adicionalmente, los estándares dependen de la longitud en la cual se pasa la medición. "Se obtienen valores distintos de Rz y Ra si se mide en 2 mm ó en 40 mm", afirma Garzón.

En este sentido, los institutos Fraunhofer IPT, la Universidad Sueca Halmstad y Uddeholm Tooling han iniciado un proyecto de investigación que busca formular definiciones únicas y establecer un nuevo estándar sobre el pulido de acero.

Otra de las limitaciones de las actuales técnicas de medición de rugosidad superficial es la unidad entre la apariencia óptica y la medición mecánica. La misma medida Ra puede generar valores de brillo muy diferentes. Entre las metas del grupo de trabajo del profesor Klocke está definir qué es el brillo, así como establecer estándares para determinar qué define el brillo en un acabado superficial. El acabado ‘espejo’ hasta ahora es una medida subjetiva, y el objetivo del equipo de trabajo es encontrar medidas cuantitativas, que permitan establecer un estándar que facilite la comunicación en la industria.