Tecnologías ecológicas de mecanizado: mecanizado en seco y biomecanizado

Para que una empresa se mantenga en el mercado de la tecnología debe centrar sus objetivos en mejorar la calidad del componente que ofrece al cliente y guiar el proceso hacia un proceso óptimo. Cumplir con las expectativas en cuanto a precisión, tolerancia y acabado superficial que un cliente desea con el menor gasto son las claves para el éxito.

Por otro lado, un tema a la orden del día es la contaminación ambiental. Impulsadas por el afán de reducir el impacto ambiental generado mediante el ecodiseño, el número de empresas que se suman al cuidado del planeta Tierra va en aumento. El ecodiseño implica la obligación de incorporar e integrar criterios específicos medioambientales en todo el ciclo de vida de un componente: producción, distribución, utilización, reciclaje y tratamiento final. En el ámbito de fabricación este hecho se relaciona con el denominado ‘Mecanizado Ecológico’ (‘Green Machining’). Debido a esta idea, las empresas se ven obligadas a apostar por nuevos procesos de mecanizado o por la mejora de procesos ya existentes para cumplir con la normativa medioambiental y mantenerse a la vanguardia en la innovación tecnológica.

Esta conciencia medioambiental ha perjudicado seriamente a la industria de la ‘taladrina’ ya que cada vez son más los procesos que omiten el uso de tal refrigerante. Algunas empresas minimizan este impacto introduciendo pulverización de aceite biodegradable, en lo que se denomina MQL (Minimum quantity of Lubricant) y otras incorporan sistemas nuevos como el mecanizado criogénico o el mecanizado en seco.

El mecanizar en seco trae ventajas no sólo favorables para el medio ambiente, sino que es beneficioso también para el propio trabajador, pues crea una atmósfera de trabajo limpia, contribuyendo a la satisfacción del mismo. Sin embargo, este proceso presenta limitaciones en cuanto a las soluciones obtenidas dependiendo del material, herramienta de corte y proceso de corte empleado.

En el Departamento de Ingeniería Mecánica de la UPV/EHU se está trabajando en el estudio de técnicas ecológicas de mecanizado sobre un material de alta pureza como es el cobre libre de oxígeno (OFC). Siendo un material ampliamente utilizado en instalaciones científicas y equipamiento médico, se caracteriza por sus altos requerimientos de calidad y precisión. Fabricarlo en condiciones óptimas y sin afectación alguna se ha convertido en un reto para el equipo de investigación del citado departamento, suscitando a su vez el interés de varias empresas.

Con el objetivo de definir un proceso de fresado de OFC con herramientas óptimas y técnicas de lubricación más eficientes que garanticen la calidad del componente, se ha determinado un plan de estudio desde tres puntos de vista: opciones de lubricación, posibles herramientas de corte y optimización del proceso. Primero se ha trabajado bajo diferentes condiciones de corte con diversos tipos de lubricación: mediante taladrina, MQL, Cold Gun y seco. Estudiando la rugosidad y dureza de la pieza en cada caso se ha determinado bajo qué condiciones de corte se consiguen buenos acabados finales en cada tipo de lubricación. A su vez, se han llevado a cabo pruebas de desgaste con herramientas de acero rápido y metal duro, llevando ambas hasta un valor de desgaste correspondiente al criterio fin de vida determinado según norma. Determinado el tipo de lubricación más ecológico y la herramienta que mejor resistencia al desgaste presenta, se ha dado paso a la optimización del proceso, respetando los parámetros de corte máximos que el fabricante del centro de mecanizado empleado aconseja.

Del estudio llevado a cabo se ha concluido que existe la posibilidad de mecanizar el cobre sin lubricación alguna, mediante herramientas frontales de metal duro y alcanzando velocidades de hasta 24.000 rpm y avances de 0,15 mm/diente, obteniendo acabados finales precisos (ver figura 1). Mencionar que la elevada velocidad ha impedido la adhesión del cobre sobre la herramienta.

Paralelamente a este estudio, se está investigado sobre el mecanizado asistido mediante bacterias, comúnmente denominado: biomecanizado. El emplear como herramienta para la eliminación de metal microorganismos, hace que el proceso no afecte a la integridad del material, siendo a su vez totalmente ecológico y de bajo coste, pues no requiere de instalación específica alguna. Todo esto hace que el biomecanizado pueda llegar a ser un proceso de alto valor si se estudia en profundidad.

De manera resumida, el biomecanizado se podría explicar cómo la eliminación de material mediante dos reacciones químicas encadenadas: las bacterias en su proceso metabólico convierten la especie química Fe²⁺ en Fe³⁺ y el Fe³⁺ reacciona con el cobre puro (Cu⁰), convirtiéndolo en Cu²⁺. La reacción entre el hierro y el cobre es la que hace que se elimine material de la pieza, mientras que las bacterias hacen la continua conversión del Fe²⁺ al Fe³⁺ para que tal reacción sea posible. El proceso resulta ser pues un proceso cíclico. Mencionar, que para que el biomecanizado tenga lugar, es necesario sumergir la pieza en el denominado Medio 9K (ver figura 2), disolución preparada a base de sales férricas para poder asegurar la conservación de las bacterias.

Junto con el Departamento de Ingeniería Química y del Medio Ambiente de la UPV/EHU el Grupo de Fabricación de Alto Rendimiento del Departamento de Ingeniería Mecánica trabaja en la investigación de este proceso emergente sobre piezas de OFC.

Con objeto de tener un primer acercamiento al tema de estudio, se han realizado una serie de ensayos en un medio bacteriano natural activo (Río Tinto, Huelva) y en condiciones de laboratorio, los segundos realizados sobre disoluciones férricas sin bacterias. De esta manera se ha llegado a entender la reacción química entre el hierro y cobre y por consiguiente la parte del proceso correspondiente a la eliminación de material. Así mismo, se ha determinado la influencia de algunos factores sobre el proceso, como la temperatura y la concentración del hierro entre otros.

Tras esta primera etapa, se ha dado paso al estudio del propio proceso de biomecanizado, preparando un cultivo de bacterias extremófilas de la familia Acidithiobacillus Ferrooxidans.

Tanto en las fases previas como en los ensayos de biomecanizado, han sido objeto de estudio factores cómo: tasas de remoción de metal, concentración del hierro en la disolución, evolución del pH de la disolución y calidad superficial tras el proceso.

Mediante estos ensayos se ha podido constatar que el proceso de biomecanizado es más complejo de lo que se esperaba en un principio. Al contrario de lo que se preveía en la teoría las tasas de arranque no se mantienen constantes y la calidad superficial empeora una vez expuesta la pieza a los microorganismos (ver figura 3).

La investigación sobre estas técnicas emergentes de mecanizado ecológico sigue siendo clave para este grupo de investigación y se vaticina que en un futuro próximo los resultados obtenidos serán de importancia. De esta forma nos sumamos a la idea de aprovecharse de la naturaleza en nuestro beneficio, en este caso la bacteria trabaja en nuestro provecho. Otros ejemplos son aquel que respondía a la pregunta “¿quién es el mayor consumidor de acero del mundo?, respondiendo: “evidentemente la corrosión”. Pues en esa línea estamos, en qué trabajen las bacterias.