Posprocesado en fabricación aditiva de Rösler

Acabado eficiente y completamente automático de los canales internos impresos en 3D

Redacción Interempresas26/03/2020

La fabricación aditiva permite la integración de canales de refrigeración internos colocados con precisión en los componentes. Con el enfoque en el posprocesamiento automatizado —eliminación de polvo residual y alisado de la superficie de estos canales— los departamentos de Ingeniería Mecánica y Química del Politécnico de Milán (Italia) junto con Rösler Italiana S.r.l. llevaron a cabo un estudio con los métodos de tratamiento de superficie acabado en masa, granallado y acabado en masa con soporte químico. Los resultados demostraron claramente que con los tres métodos se podía lograr una mejora significativa de la calidad general de la superficie.

Especialmente para la industria de fabricación de herramientas y matrices, la integración de canales de refrigeración ofrece importantes ventajas técnicas, ya que las fluctuaciones de temperatura durante la fase de enfriamiento aumentan el riesgo de que las piezas se deformen. Además, con un sistema de refrigeración que sigue con precisión los contornos de un componente, los tiempos globales de enfriamiento pueden reducirse considerablemente. Foto: Rösler Oberflächentechnik GmbH.

Con la fabricación aditiva (AM por sus siglas en inglés) se pueden producir geometrías de componentes extremadamente precisas que no son posibles con las tecnologías de fabricación convencionales. Entre otras cosas, permite la creación de componentes altamente complejos con características funcionales integradas como canales de refrigeración colocados con precisión. Estas características únicas son de gran interés para la fabricación de herramientas y matrices, componentes hidráulicos y la industria aeroespacial. Especialmente para la industria de fabricación de herramientas y matrices, la integración de canales de refrigeración ofrece importantes ventajas técnicas, ya que las fluctuaciones de temperatura durante la fase de enfriamiento aumentan el riesgo de que las piezas se deformen. Además, con un sistema de refrigeración que sigue con precisión los contornos de un componente, los tiempos de enfriamiento generales pueden reducirse considerablemente. Por último, como se pueden evitar los fallos de las piezas de trabajo como el alabeo y los controles de calor, una función de refrigeración más eficaz para los componentes moldeados por inyección da lugar a una mayor calidad general del componente.

Fusión láser selectiva: forma perfecta pero alta rugosidad de la superficie

Para la producción de componentes de utillaje, la Fusión Láser Selectiva (SLM) es el principal método de fabricación. La creación de un componente mediante la fusión selectiva del polvo en capas definidas por un rayo láser da como resultado una pieza de trabajo extremadamente densa. Las desventajas de este método de fabricación son que el polvo residual debe ser eliminado de los canales de refrigeración y la elevada rugosidad inicial de la superficie de los componentes con valores Ra entre 10 y 20 µm. La elevada rugosidad de la superficie, así como los depósitos de polvo en los canales afectan negativamente a la funcionalidad de las piezas de trabajo, lo que da lugar a una reducción de los caudales debido a la elevada fricción, las turbulencias, la pérdida de presión en el sistema y las partículas sueltas que pueden dañar otros equipos. Dado que las superficies internas de los componentes complejos con cavidades integradas no pueden tratarse con las tecnologías de acabado convencionales, se requieren nuevos e innovadores métodos de posprocesamiento.

Por consiguiente, la elección del sistema de acabado de superficies más adecuado es fundamental para la vida útil de un componente y la eficiencia general de un sistema. Una opción para suavizar las superficies externas e internas de los componentes fabricados aditivamente es el acabado en masa. Durante el proceso de acabado, las piezas de trabajo se sumergen en un recipiente de trabajo circular lleno de medios de procesamiento especiales. Además, durante el proceso se añaden compuestos especiales. La vibración de la cubeta de trabajo hace que los medios y las piezas de trabajo se muevan alrededor de la cubeta en un movimiento espiral. El constante ‘frotamiento’ de los medios contra las piezas de trabajo produce un efecto de molienda/alisado que resulta en la calidad de la superficie deseada.

El método de impresión en 3D de SLM es ideal para la fabricación de componentes de herramientas. Sin embargo, su superficie, incluyendo los pasajes internos, contiene polvo residual del proceso aditivo y muestra una alta rugosidad inicial. Por eso, los componentes fabricados aditivamente deben pasar por una etapa de posprocesamiento adecuada. Foto: Rösler Italiana S.r.l.

El acabado en masa permite el alisado eficiente de las áreas de superficie de los canales internos

Para evaluar los diferentes métodos de tratamiento, entre ellos el acabado en masa, para el alisado de las superficies externas e internas de los componentes impresos en 3D, los departamentos de Ingeniería Mecánica y Química del Politécnico de Milán (Italia), junto con Rösler Italiana S.r.l., realizaron un estudio exhaustivo. Esto supuso el tratamiento de piezas de diferentes formas y pasajes internos de diferentes diámetros (3, 5, 7,5 y 10 mm) con acabado en masa, granallado y acabado en masa con soporte químico. Los tres sistemas de tratamiento de superficies produjeron resultados sorprendentemente similares. El acabado en masa convencional y la granalladura eliminaron sistemáticamente los picos de rugosidad y produjeron perfiles de rugosidad superficial similares. Sin embargo, los mejores resultados se lograron con el acabado en masa apoyado químicamente: las piezas de trabajo tenían la superficie más lisa, como se muestra en las lecturas de rugosidad superficial comparativamente más bajas, y mostraban el típico acabado acelerado químicamente. Con valores de Ra de 0,7 µm, el método de acabado en masa apoyado químicamente produjo no sólo los valores más bajos de rugosidad superficial, sino que también requirió el tiempo de ciclo más corto. Los resultados también mostraron que los valores finales de rugosidad eran más o menos idénticos en los pasajes internos verticales y horizontales.

Los ensayos se realizaron con diferentes geometrías que contenían pasajes interiores con diámetros de 3, 5, 7,5 y 10 mm. Foto: Rösler Italiana S.r.l.

El estudio también demostró que el acabado en masa puede crear el efecto de alisamiento requerido en las áreas de los canales de la superficie interna sin afectar a la geometría del canal. Las áreas de superficie tratadas estaban libres de ‘salpicaduras’ de polvo y restos de polvo suelto. Los tres métodos de tratamiento mejoraron las lecturas de la rugosidad de la superficie en las áreas de los canales internos. Sin embargo, como ya se ha señalado, el acabado en masa con soporte químico produjo los mejores resultados en el menor tiempo de ciclo.

Considerando la estructura de la superficie de los pasajes internos y la alta rugosidad inicial de la superficie de los componentes tridimensionales, los ensayos mostraron claramente que el método de acabado en masa apoyado químicamente produjo los mejores resultados de acabado. Foto: Rösler Italiana S.r.l.

Proceso completamente automático en una sola máquina

Las pruebas se llevaron a cabo en un desarrollo posterior de una máquina M3 de AM Solutions. Esta última es una marca del grupo Rösler que se ha especializado en el posprocesamiento de componentes impresos en 3D y ofrece una gama de soluciones de equipos adecuados. Estas incluyen el espectro completo de funciones de posprocesamiento como el desembalaje, la eliminación de estructuras de soporte, la eliminación de polvo residual, la limpieza y el alisado de la superficie, el radiado de bordes, el pulido de alto brillo y la preparación de la superficie para el posterior recubrimiento de los componentes fabricados aditivamente.

El desarrollo ulterior del actual sistema M3 no sólo permitirá el tratamiento eficaz y específico de los pasajes internos en el futuro, sino que también será un sistema totalmente automatizado para el acabado coherente de los componentes impresos en 3D sin necesidad de trabajo manual. Por supuesto, la carga y descarga de las piezas de trabajo también puede automatizarse con un robot. La dosificación precisa de los medios de molienda y del compuesto con una reposición especial, respectivamente, el sistema de dosificación y la función ‘Start’ del equipo también están totalmente automatizados. Dependiendo de los requisitos de acabado de la superficie, se pueden ejecutar varios procesos de esmerilado y pulido en secuencia. Después de la descarga automática de los medios de trabajo del recipiente de trabajo, las piezas de trabajo tratadas se retiran del dispositivo de sujeción. Si es necesario, se puede añadir una etapa de limpieza y secado separada, por supuesto, también totalmente automatizada. Lo mismo ocurre con la manipulación de las piezas de trabajo, incluida la transferencia a las etapas de fabricación posteriores. Los controles del sistema permiten el almacenamiento y la llamada de múltiples programas de procesamiento específicos para las piezas de trabajo. Los parámetros de proceso para las distintas piezas de trabajo pueden seleccionarse simplemente pulsando un botón o con un sistema de reconocimiento de piezas de trabajo.

Con los tres métodos de procesamiento los valores de rugosidad de la superficie alcanzados en los pasajes internos verticales y horizontales fueron casi idénticos. Foto: Rösler Italiana S.r.l.

Hasta la fecha, los pasajes internos de las piezas de trabajo que son difíciles de alcanzar no podían ser procesados en absoluto, o sólo con un alto grado de trabajo manual. El posprocesamiento automatizado de los componentes permite ahora realizar este trabajo en tiempos de ciclo cortos a una fracción de los costes y, sobre todo, con unos resultados de acabado consistentes y excelentes.

El desarrollo ulterior del sistema M3 de AM Solutions permite el posprocesamiento económico y automatizado de componentes impresos en 3D, no sólo en el exterior sino también en la superficie de pasajes internos de difícil acceso. Hasta la fecha, esto sólo podía lograrse mediante operaciones de acabado manual que requerían mucho tiempo. Foto: Rösler Oberflächentechnik GmbH.