Resultados del proyecto de I+D co-financiado por el Ministerio de Ciencia y Tecnología

Sinterizado láser directo de polvo metálico para la fabricacióin de moldes

Joan Guasch Ingeniero Industrial
Jefe de Proyectos de Rapid Tooling & Materiales Fundación ASCAMM15/10/2003

Desde que el sinterizado por láser de polvo metálico fue introducido al mercado, se han desarrollado y ampliado muchas aplicaciones. Este es el caso de la fabricación de moldes. La reducción del time-to-market de los productos fue apuntada como mejor ventaja por los moldistas europeos. Sin embargo, a medida que la tecnología se ha ido utilizando, nuevas mejoras en los materiales, el proceso y la experiencia de los usuarios está mostrando nuevos horizontes para estas tecnologías. En el presente trabajo se presentan los resultados obtenidos hasta la fecha del proyecto de I+D “Aumento de la productividad de los moldes de inyección de termoplásticos construidos mediante sinterizado directo de polvo metálico por láser, Moldart” y fue presentado en primicia el pasado IX Congreso Nacional de Tratamientos Térmicos y de Superficie. Este proyecto dota de co-financión por parte del Ministerio de Ciencia y Tecnología.

Repaso de la técnica

Partiendo de material en polvo, se aprovecha el calor aportado por un haz de láser para sinterizar por capas la geometría deseada. Las capas son de grosor mínimo equivalente al tamaño del polvo que, actualmente, puede ser de 20 o 50 _m y como máximo pueden ser de 60 _m. El láser utilizado es de CO2 y ofrece un mínimo de 200 W. La precisión óptica viene marcada por las lentes que son del tipo F-theta. Para evitar la formación de óxidos u otras impurezas el proceso tiene lugar en una atmósfera controlada de N2, con una concentración de O2 no superior a 0,5%.

La máquina está formada por el láser, el sistema de espejos focalizadores, dos cubetas (una de alimentación y una de crecimiento) con sus motores para desplazamiento vertical, una rasqueta niveladora con su motor para desplazamiento horizontal, el sistema generador y distribuidor de N2, el equipo de refrigeración, un sistema de extracción y purificación de gases, un ordenador de control y diversos sensores para control y seguridad del proceso.

El siguiente esquema resume las etapas necesarias para poder sinterizar una capa.

1 El haz láser es focalizado sobre la cubeta de crecimiento de pieza y va resiguiendo la geometría establecida por el programa de control, gracias al sistema de espejos que lo conducen. El polvo, al recibir la energía del láser, llega a la temperatura de sinterizado. El sinterizado en sí mismo tiene lugar entre las partículas de una misma capa pero además también con el material de la capa inmediatamente inferior, hecho que garantiza la máxima adherencia entre capas. Con la finalidad de compensar las tensiones introducidas en el rápido proceso de calentamiento-enfriamiento y la contracción del material, la exposición del láser se realiza según unas estrategias de alternancia continua.

2 La cubeta de crecimiento de capa desciende el valor del grueso de capa con el que se esté trabajando y la cubeta de alimentación de polvo desciende un valor superior.

3 La rasqueta niveladora se desplaza desde la cubeta de crecimiento hacia la cubeta de alimentación para nivelar la última capa sinterizada y recuperar el polvo que pudiera haber quedado sin sinterizar. Este polvo es depositado en la cubeta de alimentación.

4 La cubeta de alimentación asciende un valor determinado que garantiza suficiente material para la siguiente capa a sinterizar.

5 La rasqueta niveladora se desplaza desde la cubeta de alimentación hacia la cubeta de crecimiento para depositar la capa de polvo a sinterizar. El polvo sobrante cae en un recogedor para ser rehusado posteriormente.

Estas cinco etapas se repiten para cada capa hasta el final del proceso, al final del cual se desciende la cubeta de alimentación al mismo tiempo que se asciende la cubeta de crecimiento de pieza. El polvo que no ha sinterizado es depositado de nuevo en la cubeta de alimentación. Finalmente, el componente sinterizado se saca de la máquina listo para recibir si se requiere el acabado necesario. En este instante se acaba la fase de fabricación del postizo y puede pasarse a la fase de ensamblaje en un portamolde estándar o específico.

Para la realización del postizo sinterizado la máquina parte de un fichero consistente en las “rebanadas” de la pieza que se desea obtener. El fichero original de la pieza debe ser un fichero STL de alta calidad y resolución a gusto del usuario.

Objetivos del proyecto

El objetivo del proyecto es mejorar el rendimiento productivo de los moldes de inyección de termoplástico construidos mediante la tecnología Direct Metal Laser Sintering (DMLS), a través del diseño del molde, el uso de herramientas y tecnologías —convencionales o no— también disponibles en el mercado. La investigación se centra en cómo usar todas las tecnologías para que DMLS pueda ser más provechosa para los productores nacionales de moldes.

Estudio de la desviación dimensional y rugosidad del proceso

Para la determinación de la desviación dimensional se sinterizaron las siguientes piezas en un mismo trabajo:

El diseño de las probetas se realizó con el software I-Deas, el formato Iges fue traducido a formato STL mediante el software Magics y finalmente el programa de control de sinterizado se preparó con el software propio del fabricante de DMLS.

Las probetas se realizaron con polvo de acero de 20 _m de tamaño de partícula y el proceso llevó 17,3 horas de máquina, de las cuales 15,2 fueron de exposición de láser.

La siguiente tabla muestra los valores reales después de realizar el control dimensional:

D= Diámetro exterior, d= Diámetro interior

La siguiente tabla muestra los valores reales después de realizar el control dimensional:

La siguiente tabla muestra los valores medios de desviación entre el valor nominal y el real:

En estos casos no se ha tenido en cuenta la rugosidad de la superficie que es analizada más adelante.

El análisis de los resultados permite afirmar que la desviación dimensional es excelente en comparación con otras tecnologías convencionales de fabricación. Esta afirmación es especialmente cierta para la desviación vertical —eje Z—, aunque para ella se aprecia una considerable desviación cuando se trata de superficies esféricas o quasiesféricas.

Además del control dimensional se ha realizado un control de rugosidad en planos:

De los valores obtenidos se puede concluir en primer lugar que la rugosidad es elevada para procesos de inyección. En segundo lugar se observa que para los planos cuya pendiente asciende en el mismo sentido que el nivelador o recapador la rugosidad es más elevada (caso Plano 2 de la superficie inclinada).

Si bien las conclusiones pueden parecer contraproducentes para fabricar moldes de inyección de plástico, debe mencionarse la excelente capacidad del material para ser pulido. Se recomienda el uso de un simple sistema de granallado para reducir la rugosidad y aumentar la facilidad de pulido.

Superfície plana:

Superfície inclinada:

Plano 1 _ Inclinación 16.71º con eje Y • Plano 2 _ Inclinación 26.71º con eje X

Superfície plana (pieza de revolución):

Estudio de la dureza del componente

Otro ensayo realizado ha sido el de dureza para determinar la diferencia de valores entre la piel más externa del componente sinterizado y el núcleo puesto que la estrategia de sinterizado es distinta para ambas zonas. Para ello se ha aprovechado uno de los insertos de un molde cuya imagen se acompaña y a continuación se indican los valores promedios en ambas zonas:

Se trata de unos valores admisibles para las aplicaciones que suelen cubrir la mayoría de los casos de inyección de plástico. Debe advertirse que para moldes de gran producción y para casos de inyección de materiales muy abrasivos esta dureza es baja y se debe plantear entonces un recubrimiento o tratamiento en la superficie del inserto.

Haciendo la equivalencia numérica de dureza Brinell a dureza Rockwell puede resumirse y compararse la dureza en la superficie externa con aquellos valores para otros materiales comúnmente usados en inyección de plásticos:

Por lo que se puede asemejar a las durezas típicas de moldes de aluminio (antigua y actualmente usados como alternativa al molde de acero para moldes prototipo). Ello hace presuponer que valdría la pena hacer la comparación entre un molde desarrollado en aluminio y el mismo desarrollado con sinterizado. Por otro lado, disponer de baja dureza en el núcleo implica disponer de un material más tenaz.

Aplicación de un caso concreto

Se propuso la realización de un molde para inyección del logotipo de la firma automovilística Toyota. La pieza debe ser inyectada en ABS para poder ser cromada posteriormente. El diseño del molde se realizó incorporando un circuito de refrigeración de geometría libre para reducir el tiempo de ciclo de inyección sin perjudicar a la calidad del componente. Las siguientes figuras muestras el postizo de expulsión con el citado canal.

Con la finalidad de cubrir las exigencias de acabado de superficie en la cara vista del logo y el plazo de fabricación se decidió fresar la mitad inyección y sinterizar la mitad expulsión.

El tiempo necesario para sinterizar el postizo de expulsión fue de 46 horas de máquina. Posteriormente el postizo fue separado del resto de plataforma mediante fresado de alta velocidad en seco. A continuación el postizo fue fresado en su cara superior para garantizar un buen ajuste de molde. No se aplicó ningún tipo de pulido ni tratamiento especial en la superficie.

Finalmente, se realizó el ensamblado de todos los elementos del molde, ajustes y retoques finales. El siguiente cuadro muestra los tiempos necesarios para este molde:

Opcionalmente, se podría haber templado el postizo fresado, aumentando el plazo de fabricación en 3 días según proveedor de tratamiento. Se desestimó en esta primera prueba.

La siguiente fotografía muestra el molde abierto con los dos insertos:

El molde fue montado en máquina de inyectar y se realizó una serie de 500 piezas en ABS. El plazo final de entrega de piezas a partir de recepción de fichero CAD 3D de la pieza ha sido de 25 días. Llegados aquí se debería realizar el control dimensional y el metalizado de las piezas para validar finalmente la calidad de las piezas. Esta última labor se ha desestimado por el coste que supondría no contemplado originalmente en el presupuesto del proyecto.

Las conclusiones que se han sacado de esta primera experiencia con un molde son las siguientes:

Debe mejorarse el acabado superficial mediante, como mínimo, granallado de bola de acero.
Debe reducirse el tiempo de programación de las estrategias de sinterizado mediante la exigencia de buena calidad en el fichero original Cad 3D de la pieza y los postizos a sinterizar.
El DMLS se complementa perfectamente con el fresado de alta velocidad en cuanto a la fabricación del molde.
El canal de refrigeración realizado no ha aportado mucha mejora en el tiempo de ciclo, desde el punto de vista de una serie corta de 500 piezas. El tiempo empleado en su diseño y vaciado de polvo sobrante no se justifica por la reducción del tiempo de ciclo.
No haber sellado el circuito de refrigeración ha conllevado problemas de filtraje de agua en todo el postizo. Ello hubiera traído problemas en la calidad de las piezas inyectadas más adelante. Se debe infiltrar el canal de refrigeración con resina epoxi que evite el paso de agua o refrigerante al molde.
El operario de taller ha considerado que el trabajo con el postizo mecanizado y con el postizo sinterizado es prácticamente el mismo.

Conclusiones y siguientes acciones a realizar

Las experiencias realizadas hasta ahora demuestran que el sinterizado por láser está muy cerca de ser una tecnología de procesado de materiales más a incorporar en los talleres de fabricación de moldes. Que se tarde más o menos en lograrlo va a depender de los siguientes factores.

Reducción del coste de los materiales
Aumento de la velocidad de proceso
Reducción de la rugosidad de la pieza sinterizada
Aumento de la dureza de la superficie del postizo sinterizado

Los aspectos positivos que se han determinado son:

Excelente comportamiento dimensional
Grado de porosidad bajo
Facilidad de mecanizado posterior
Comodidad para repetitividad de postizos
Buen comportamiento frente a recubrimientos y tratamientos que no requieran de altas temperaturas (Tmax < 600º C para base bronce y Tmax < 800º C para base acero)

Puesto que el proyecto no está todavía acabado, en las inmediatas pruebas se pretende evaluar la idoneidad de determinados recubrimientos y tratamiento térmicos.