Este artículo aporta información sobre los electrodos obtenidos mediante LS con las distintas formulaciones obtenidas y los resultados de los ensayos de EDM realizados con la aplicación de distintos posprocesados y recubrimientos de PVD y electrodeposición

Electrodos para Electroerosión obtenidos mediante Sinterizado Láser

Josefa Galvañ Gisbert, Asunción Martínez García y Juan Antonio Maciá (proyectos@aiju.info), de Aiju; Angel Mira (tallerestibi@tallerestibi.com), de Talleres Tibi; Rubén Paz (ruben.paz@ulpgc.es) y Pablo Bordón, de la Universidad de las Palmas de Gran Canaria (ULPGC)

21/10/2021

Las tecnologías de fabricación aditiva (AM), permiten la obtención de piezas de geometrías y texturas complejas, que podrían facilitar la obtención de electrodos para electroerosión (EDM) con motivos intrincados y llevar a nuevas concepciones de modelos en el ámbito de la producción de moldes. Asimismo, pueden reducir significativamente el plazo de entrega y los costes inherentes al mecanizado de los electrodos tradicionales, puesto que pueden incluirse varios electrodos de diversas geometrías, tamaños y precisiones y proceder a su fabricación entre 24 y 48 horas en una misma bandeja de producción.

El proyecto EDM-Additive investiga la obtención de electrodos para electroerosión (EDM) mediante tecnologías de AM, en concreto el sinterizado láser (LS) y la extrusión de material (también conocido como modelado por deposición fundida, FDM) con materiales poliméricos (utilizando nuevas formulaciones eléctricamente conductoras desarrolladas en el marco de ejecución del proyecto). Estos electrodos deben alcanzar las especificaciones del proceso, lograr una alta precisión dimensional, rugosidad superficial adecuada y conductividad eléctrica.

Estos desarrollos se han abordado con éxito de forma consorciada entre las empresas Talleres Tibi, S.L., ADD:North y +90 3B Dijital Fabrika y con el soporte técnico de la Universidad de las Palmas de Gran Canaria (ULPGC) y el Centro Tecnológico Aiju.

1. Introducción

Este artículo es la continuación del publicado en la edición de mayo de la Revista Moldes¹ de Interempresas Media. Según se indica en dicho artículo, hasta ese momento se habían obtenido cuatro formulaciones de materiales para LS y se habían hecho las primeras pruebas de EDM con la formulación inicial. Estas pruebas ofrecieron como resultado un optimista rendimiento en el proceso de EDM con las piezas sin infiltración. Asimismo, estaba pendiente, por una parte, la determinación de la estrategia VDI para la aplicación del proceso de EDM de forma que se optimizase la relación de desgaste de los electrodos con respecto a su eficiencia en la aplicación de la electroerosión, y por otra, la aplicación de recubrimientos de PVD y electroerosión para determinar la mejora en su rendimiento.

Los resultados de la aplicación de los tratamientos superficiales, del mismo modo, se analizaron en el artículo publicado en la edición de septiembre de la revista Tratamientos Térmicos y de Superficie² de Interempresas Media. En este artículo se detalló el proceso para la aplicación de los recubrimientos de PVD y electrodeposición con Cobre (Cu). Asimismo, se determinaron las conclusiones principales:

la conductividad base de las piezas ofrecía soporte a la adhesión de los recubrimientos
el recubrimiento de PVD aumenta la conductividad y, en consecuencia, adhesión de la capa electrodepositada
el testeo de EDM (con electrodos obtenidos mediante FDM) sobre placa de aluminio con la estrategia de mínimo desgaste y máximo rendimiento ofrece resultados esperanzadores, si bien la estabilidad dimensional supone un factor importante a tener en cuenta

En este artículo podrá comprobarse la producción de nuevos electrodos para SL, los detalles específicos sobre el recubrimiento de estas piezas y sus resultados y, en especial, el desempeño en el proceso de EDM, aplicación objetivo del proyecto EDM-Additive.

2. Obtención y análisis de los electrodos recubiertos

2.1 Obtención de electrodos de LS

En el marco de ejecución del proyecto se desarrollaron de forma iterativa cuatro formulaciones distintas en base a la patente sobre la que se basa la investigación³ con distintos porcentajes de resinas fenólicas y grafito. Los ensayos de EDM referidos en este artículo se han realizado sobre las piezas de la formulación base con 1 y 2 ciclos de infiltración de resina líquida.

No obstante, de estas cuatro formulaciones, una se mostró como la que más conductividad aportaba antes del proceso de infiltración (véase la introducción de este artículo). En consecuencia, recientemente se ha procedido a la fabricación y posprocesado (sin infiltración) de electrodos sencillos para realizar testeo en distintas combinaciones posibles (figura 1).

Figura 1: Electrodos de electroerosión fabricados por LS con la formulación de mayor conductividad eléctrica.

2.2 Piezas de sinterizado láser recubiertas mediante PVD y/o electrodeposición

En artículo anterior se detalló el proceso para la aplicación de los recubrimientos por PVD y/o electrodeposición con Cobre (Cu), con electrodos que se habían infiltrado previamente con resina (1 y 2 ciclos de infiltración). Se parte de estas piezas para el estudio de la mejora funcional en su uso como electrodos (figura 2).

Figura 2: Piezas de LS con la cara que entra en contacto con la pletina recubierta con PVD.

Según se especificaba en el artículo mencionado, una de las principales preocupaciones del consorcio era la precisión dimensional de las piezas recubiertas. Esta precisión se midió antes de la aplicación de los recubrimientos (en los distintos posprocesados de las piezas obtenidas directamente después del sinterizado láser o ‘piezas en verde’) y a lo largo de los procesos de recubrimiento. A tal fin se determinó la planitud, altura y rugosidad de las piezas antes y después del recubrimiento electrodepositado.

La conclusión alcanzada determinó que el proceso de electrodeposición no tiene una influencia negativa en la planitud de la pieza, la medición de la altura coincide con la altura de la capa electrodepositada y la rugosidad no se modifica significativamente con el proceso de recubrimiento.

3. Pruebas de electroerosión

Tal y como se estableció en el artículo anterior de la revista Moldes, las muestras sin recubrir y sin infiltrar ofrecieron un resultado interesante. Quedaba pendiente de validar el funcionamiento de estos mismos electrodos recubiertos mediante PVD y electrodeposición en el proceso de EDM. Asimismo, se estaban realizando los análisis experimentales para la aplicación de una estrategia VDI que tuviese mejor rendimiento frente al menor desgaste.

Las pruebas realizadas durante el período transcurrido han ofrecido resultados reveladores y de gran interés para la investigación que ocupa al consorcio del proyecto EDM-Additive.

3.1 Pruebas de EDM con electrodos recubiertos mediante PVD

Los resultados obtenidos de las pruebas realizadas con los electrodos recubiertos exclusivamente por PVD demostraron que el marcado no era suficientemente bueno (figura 3) y los electrodos perdieron su capa de cobre aplicada mediante PVD figura 2).

Figura 3: Pletina con los resultados de los ensayos de EDM realizados con la primera formulación con recubrimiento por PVD.

Se aplicó asimismo un cambio de polaridad con la finalidad de comparar el resultado de la electroerosión. Los resultados no variaron significativamente.

3.2 Pruebas de EDM con electrodos recubiertos mediante PVD desgastado y electrodeposición

Con los electrodos resultantes de la aplicación de las pruebas de electroerosión de la sección anterior, se procedió a aplicar el recubrimiento de Cu mediante electrodeposición y aplicar los ensayos de EDM correspondientes.

Los resultados obtenidos demostraron que, según la estrategia aplicada, el resultado variaba en función del material de soporte de la pletina (aluminio o acero). De este modo, las estrategias 27 a 30 sobre pletina de aluminio funcionaron bien, en tanto que la de 35 regular y la de 39 deficientemente.

Figura 4: Pletina con los resultados de los ensayos de EDM realizados con la primera formulación y recubrimiento desgastado por PVD y electrodeposición sobre aluminio.

En el caso de pletina de acero, las estrategias VDI 27 y 30 funcionaron bien. No obstante, la estrategia 35, funcionó incorrectamente.

Figura 5: Pletina con los resultados de los ensayos de EDM realizados con la primera formulación y recubrimiento desgastado mediante PVD y electrodeposición sobre acero.

En todos los casos, el desgaste de los electrodos fue notable, tal como se muestra en la figura 6.

Figura 6: Desgaste del electrodo: a) un ciclo de infiltración sobre placa de aluminio, b) dos ciclos de infiltración sobre aluminio, c) un ciclo de infiltración sobre acero, y d) dos ciclos de infiltración sobre acero.

Asimismo, a pesar de que la electrodeposición no afecta negativamente a la planitud y rugosidad, implica cierta pérdida de precisión dimensional, puesto que la capa de cobre (Cu) tiende a depositarse en los bordes, creando nódulos en los mismos. Además, tanto el espesor de recubrimiento electrodepositado como el 'gap' del propio proceso de EDM deben tenerse en cuenta en el diseño de los electrodos, para así conseguir las dimensiones deseadas en la electroerosión.

3.3 Pruebas de EDM con electrodos recubiertos mediante PVD y electrodeposición

Estas pruebas se volvieron a repetir con electrodos que tenían intacto el recubrimiento por PVD y electrodeposición, con resultados óptimos según puede observarse en las siguientes figura 7 y figura 8.

Según se aprecia, las estrategias 27, 30, 35 y 37 sobre aluminio funcionaron bien. La aplicación de la estrategia 39 actuó de forma regular, mientras que la estrategia 42 trabajó de forma deficiente.

Figura 7: Pletina con los resultados de los ensayos de EDM realizados con la primera formulación y recubrimiento por PVD y electrodeposición sobre aluminio.

En referencia a su aplicación sobre placa de acero, puede observarse cómo ambos electrodos (con 1 y 2 ciclos de infiltración) realizaron un buen desempeño con las estrategias VDI 27, 30 y 35, mientras que las estrategias 37 y 39 funcionaron de forma inadecuada.

Figura 8: Pletina de aluminio con los resultados de los ensayos de EDM realizados con la primera formulación y recubrimiento mediante PVD y electrodeposición.

4. Resultados

Los electrodos realizados con materiales eléctricamente conductores mediante LS, recubiertos con una ligera capa de Cu mediante PVD y otra capa aplicada mediante electrodeposición tienen un buen funcionamiento en el proceso de EDM y estrategias con VDI bajas. Específicamente una de estas estrategias ha sido determinada como aquella en la que se obtiene un mejor rendimiento del proceso con el menor desgaste del electrodo. Estos electrodos serían aptos para acabados.

En el momento actual, se están obteniendo nuevos electrodos con formas más intrincadas que permitan validar los resultados obtenidos, así como el ajuste de las dimensiones del fichero STL para su utilización con las garantías y el ajuste necesario al desempeño esperado. Esto es lo que se pretende obtener en los próximos meses de desarrollo del proyecto, que se encuentra en su recta final. Confiamos en la obtención de unos resultados óptimos a tal fin.

5. Agradecimientos

Las actividades desarrolladas en el presente artículo han sido llevadas a cabo en el marco del proyecto ‘EDM-Additive: Nuevos electrodos fabricados con materiales eléctricamente conductores mediante fabricación aditiva‘, apoyado por el programa Eureka – Smart (expediente S0110) y financiado por el programa del CDTI Innoglobal (Ref.: 00116798 / INNO-20182043).

Galvañ et al; Electrodos de electroerosión fabricados mediante impresión 3D, Moldes y Matrices – Interempresas núm. 2, May 2021 [online: http://www.interempresas.net/Moldes/Articulos/350139-Electrodos-de-electroerosion-fabricados-mediante-Impresion-3D.html]
Galvañ et al, Mejora de la conductividad eléctrica mediante PVD y electrodeposición, Técnica y Tecnología para Tratamientos Térmicos y de Superficies, núm. 11, septiembre 2021 [online: https://www.interempresas.net/TTS/Articulos/358680-Mejora-de-la-conductividad-electrica-mediante-PVD-y-electrodeposicion.html]
Carratala, J et al, (2013), Method for the Production of Monolithic Carbonaceous or Ceramic Systems (Spain/ Comunidad Valenciana núm. Patente: WO2013144399). WIPO. https://patentscope.wipo.int/search/en/detail.jsf?docId=WO2013144399