Los talleres mecánicos crean piezas metálicas complejas utilizando láminas delgadas de metales similares o distintas junto con la unión por difusión; ventilación conforme, intercambiadores de calor, dispensación de líquido/gas y otras aplicaciones beneficiosas.
por PVA TePla America*
Un proceso único de fabricación de aditivos está ayudando a los talleres de máquinas de precisión a crear piezas metálicas con complejos conductos de refrigeración interna o canales para dispensar líquidos o gas por capas antes del mecanizado final.
El proceso de fabricación aditiva se puede utilizar para construir una pieza desde cero con láminas delgadas de 1-2 mm de metales y aleaciones. Al igual que con técnicas similares, el software de modelado 3D se utiliza para trazar canales internos o pasajes sofisticados antes del corte con láser de CO2 de cada capa.
La clave del proceso es la unión por difusión, que esencialmente fusiona las capas combinadas bajo presión y calor, sin la necesidad de soldadura fuerte u otro material de relleno. Luego se utiliza el mecanizado tradicional para llevar el exterior de la pieza a su forma final.
Con esta técnica, se pueden construir piezas acabadas de hasta 900 mm (35.43”) x 1250 mm (49.21”) x 500 mm (19.69”) de acero inoxidable, titanio, circonio, berilio, aluminio de alta aleación, Inconel y tungsteno. El proceso también se puede utilizar para soldar metales diferentes como cobre a titanio, cobre a aluminio, cobre a tungsteno e incluso molibdeno a aluminio.
Para los talleres de máquinas de precisión que atienden a las industrias médica, aeroespacial, semiconductora y automotriz, la técnica proporciona un método para crear piezas que son difíciles, si no imposibles, utilizando equipos de CNC tradicionales o técnicas de soldadura con latón/soldadura menos eficaces.
Pasajes internos sofisticados
Para piezas metálicas que requieren geometrías de canal interno sofisticadas, ya sea con una entrada y una salida, o ninguna, puede haber muchos giros y vueltas.
Los ejemplos incluyen aplicaciones de intercambio de calor, donde los canales se mecanizan en aluminio para dispersar el calor por aire o enfriamiento por líquido. Dado que el área de superficie de la zona de enfriamiento es un factor principal en la transferencia de calor, cuanto más extensos sean los canales, mejor.
Los canales de enfriamiento conformes también pueden aumentar la eficiencia y los tiempos de ciclo de los moldes de inyección de plástico. Estos pasajes de enfriamiento siguen la forma o el perfil del núcleo del molde o la cavidad para realizar un proceso de enfriamiento rápido y uniforme para inyección y moldeo por soplado.
También existen aplicaciones con equipos de dispensación de líquidos y gases. En la fabricación de semiconductores y microelectrónica, por ejemplo, se utilizan conjuntos sofisticados de distribución de gas tipo «cabezal de ducha» para dispensar gases de procesamiento en un semiconductor de grabado y cámaras de deposición. Estos cabezales dispensadores a menudo tienen múltiples pasillos internos separados.
Capas de unión de metales y aleaciones
Dado que las herramientas de corte CNC tradicionales no se pueden usar para este propósito, una alternativa que ya está en uso para elementos como los conjuntos de cabezales de ducha es un proceso aditivo similar que varía en la forma en que une las capas: con el material de soldadura fuerte.
La soldadura fuerte es un proceso de unión de metales en el que dos o más elementos metálicos se unen entre sí mediante la fusión y el flujo de un metal de relleno en la junta. El metal de relleno fluye en el espacio entre las capas a través de la acción capilar.
Aunque la soldadura fuerte tiene la capacidad de unir metales similares o diferentes con una resistencia considerable, también tiene inconvenientes importantes cuando se trata de pasillos internos.
La soldadura fuerte puede hacer que se formen pequeños «filetes» en los pasillos que obstruyen el flujo e incluso pueden romperse durante el uso. Poco material de soldadura fuerte puede crear vacíos donde se acumula líquido o gas y la corrosión, especialmente en presencia de productos químicos agresivos como los que se utilizan en la industria de los semiconductores.
El resultado puede ser la deslaminación de las capas y el reemplazo prematuro de lo que pueden ser piezas extremadamente caras hechas de materiales exóticos.
La unión por difusión, por otro lado, crea una unión superior sin la necesidad de ningún tipo de material de relleno.
En el proceso de unión por difusión, se aplican altas temperaturas y presiones a metales similares o diferentes en una prensa en caliente, lo que hace que los átomos en las superficies metálicas sólidas se intercalan y se unan. A diferencia de las técnicas tradicionales de soldadura fuerte, la unión resultante exhibe la resistencia y la resistencia térmica de los metales básicos.
Para que los átomos de dos superficies sólidas y metálicas se interpenetren, típicamente deben estar a aproximadamente de 50 a 70 % de la temperatura de fusión absoluta de los materiales. Para lograr estas temperaturas, las superficies se calientan en un horno o por resistencia eléctrica a temperaturas tan altas como 1400˚C.
Durante muchos años, esta técnica se ha utilizado para unir metales de alta resistencia y refractarios que son difíciles o imposibles de soldar por otros medios. Sin embargo, fue solo a través de las recientes mejoras en las prensas de unión por difusión que este nuevo proceso se ha vuelto aún más atractivo.
Esto incluye mejoras en las prensas hidráulicas de un solo cilindro que requerían que los accesorios aplicaran una cantidad de fuerza constante y medible, un factor clave en el proceso.
En la actualidad, los fabricantes líderes como PVA TePla de Corona, California, ofrecen sistemas de varios cilindros con grandes placas de presión que pueden acomodar una variedad de piezas. El más grande, El MOV 853 HP de la compañía puede procesar piezas de hasta 900 mm x 1250 mm con una fuerza de prensado de 4000 kN.
Al controlar cada cilindro de manera independiente, compañías como PVA TePla pueden proporcionar una prensa que proporciona una presión extremadamente constante en toda la superficie. El MOV 853 viene con transductores de presión incorporados a lo largo de la parte inferior de la placa de presión que permiten ajustar los cilindros hidráulicos individuales para lograr una uniformidad de presión superior en grandes áreas.
Además de vender el equipo, PVA TePla puede crear piezas ligadas por difusión utilizando esta técnica a través de los servicios de procesamiento de peaje que ofrece su empresa matriz en Alemania.
Cómo unir materiales disímiles
Según Walt Roloson, gerente de ingeniería de I&D en PVA TePla, uno de los aspectos más atractivos del proceso es su capacidad no solo para crear las estructuras internas, sino también para unir capas de metales diferentes. A este respecto, no hay restricción de materiales ya que todos los aceros para herramientas están disponibles en hojas a granel.
«Los clientes a menudo acuden a nosotros con solicitudes para unir aluminio con molibdeno o acero inoxidable», dice Roloson. «Podemos hacer eso con la unión por difusión».
El diseño de múltiples capas también mejora el enfriamiento conformado de moldes de inyección de plástico hechos en diseños de 2 capas de herramientas de acero y materiales como el acero inoxidable (STAVAX).
«Para obtener el rendimiento más eficiente, los canales de enfriamiento conformes deben adaptarse con la mayor precisión posible a la forma exterior del molde», dice Roloson. «Cuanto mayor sea el número de capas unidas entre sí, más precisamente podrá coincidir con la forma exterior».
Al mejorar el rendimiento del enfriamiento, las resinas fundidas se pueden inyectar a presiones más altas para aumentar significativamente los tiempos de ciclo hasta en un 40 % al tiempo que mejora la calidad del producto.
Una vez que las capas se unen entre sí mediante la unión por difusión, Roloson dice que las técnicas de mecanizado tradicionales pueden utilizarse para crear la forma externa final.
«Debido a la unión molecular de las capas, la parte final a menudo no muestra líneas de interfaz o estrías. La interfaz de un material se mezcla con el otro, y viceversa, incluso con materiales diferentes», dice Roloson.
Si bien este enfoque de fabricación aditiva con unión por difusión es para aplicaciones especializadas, puede ser un complemento perfecto para talleres de máquinas de precisión que ya cuentan con capacidades internas de corte y mecanizado por láser y buscan diversificar sus ofertas.
* Para mayor información visite www.pvateplaamerica.com
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