Diseño adaptativo de una máquina para inyección de polvos metálicos

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(1)DISEÑO ADAPTATIVO DE UNA MAQUINA PARA INYECCIÓN DE POLVOS METALICOS. CARLOS EDUARDO GÒMEZ CARDOZO 200211148. PROFESOR ASESOR: MSc. Dr. Ing. JAIRO ARTURO ESCOBAR GUTIERREZ. DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA FACULTAD DE INGENERIA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES BOGOTA D.C. 2007.

(2) INDICE PAG. 1. INTRODUCCIÓN.. 4. 1.1. Contexto del proceso.. 4. 1.2. Moldeo por inyección de polvos.. 4. 1.3. Concepto del proyecto.. 5. 2. OBJETIVOS. 6. 3. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA.. 7. 3.1. Diseño Adaptativo.. 7. 3.1.1. Introducción. 7. 3.1.2. Proceso de diseño. 7. 3.2. Metalurgia de polvos (MP).. 9. 3.2.1. Introducción.. 9. 3.2.2. Procesos Metalurgia de polvos.. 10. 3.3. Moldeo de polvos por inyección.. 12. 3.3.1. Introducción.. 12. 3.3.2. Formación y características del material base.. 12. 3.3.2.1.. Material base.. 12. 3.3.2.2.. Polvos.. 14. 3.3.2.3.. Ligante.. 16. 3.3.3. Proceso de moldeo por inyección con polvos.. 17. 3.3.3.1.. Introducción.. 17. 3.3.3.2.. Metodología del proceso.. 18. 3.3.3.3.. Extracción del ligante.. 22. 3.3.3.4.. Sinterización.. 23. 3.3.4. Máquina de inyección.. 24. 3.3.4.1.. Especificaciones de la máquina de inyección.. 24. 3.3.4.2.. Herramientas de la máquina de inyección.. 29. 3.3.5. Diferencias entre el proceso de inyección de polímeros y el. 35. proceso de inyección de polvos. 3.3.6. Modelos para la simulación del proceso de inyección.. 37. 2.

(3) 4. PROCEDIMIENTOS Y METODOLOGÍA DEL DISEÑO ADAPTATIVO. 42. 4.1. Metodología del diseño. 42. 4.2. Definición de características de la máquina de inyección de polvos.. 42. 4.2.1. Características ideales de la máquina de inyección.. 42. 4.2.2. Opciones de máquinas investigadas.. 43. 4.2.3. Máquina de inyección seleccionada.. 45. 4.3. Diseño de adaptación de la máquina para procesos de inyección. 49. con polvos. 4.3.1. Elementos a adaptar. 49. 4.3.2. Adaptación de la máquina para el proceso con polvos.. 50. 4.3.3. Proceso de adaptación.. 53. 4.4. Modelo para la caracterización del material base. 5. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS.. 55 56. 5.1. Selección de la máquina de inyección.. 56. 5.2. Manual de la máquina de inyección de polvos.. 58. 5.3. Caracterización de la máquina de inyección de polvos.. 61. 5.4. Modelo. 64. 5.5. Instalación y pruebas de la máquina de inyección.. 69. 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.. 71. 7. LISTA DE REFERENCIAS.. 73. 7.1. Bibliográficas.. 73. 7.2. Internet.. 76. 8. LISTA DE FIGURAS Y TABLAS.. 78. 8.1. Lista de imágenes. 78. 8.2. Lista de tablas. 80. 9. ANEXOS.. 81. 3.

(4) 1. INTRODUCCIÓN. 1.1. Contexto del proceso El moldeo por inyección es un proceso altamente usado en la industria de los polímeros y hasta hace unos 20 años esta técnica solo se utilizaba para procesar estos tipos de materiales. La base de este proceso es obligar a fluir un material hacia un molde, en donde el material toma la forma de la cavidad del molde. Para obligar a fluir el material este se debe encontrar en un estado viscoso, el cual se logra llevando el material a temperaturas que son dependientes del material, las cuales hacen que el material llegue a su estado viscoso deseado. La mayor ventaja de este proceso es que se puede tener como elemento final piezas con un gran número de características. Con la innovación de la tecnología de fabricación de componentes a partir de polvos y las ventajas de forma que provee el proceso de inyección, este proceso se convirtió en una muy buena opción para realizar elementos con materiales metálicos y cerámicos. En términos de propiedades estos materiales poseen mejores características que los polímeros en términos de esfuerzo, temperaturas de operación entre otro (Ref. [1]). En si el procesamiento de polvo metálico por inyección de polvos es uno de los varios procesos por los cuales se pueden obtener geometrías mediante la metalurgia de polvos. Además de la inyección también se tienen procesos de compactación, forja, entre otros (Ref. [2]). La base de todos estos procesos es la misma, el polvo metálico se mezcla con algún aditivo o lubricante, normalmente polimérico, con el cual se facilita el proceso de moldeo, y luego de procesarlo por medio de calor se realiza la unión química del material particulado mediante un proceso denominado sinterización.. 1.2. Moldeo por inyección de polvos La producción de elementos mediante el proceso de inyección de polvos ha aumentado en una gran proporción en los últimos 20 años a nivel mundial, pero en Colombia es nula la producción de elementos por este tipo de proceso (Ref. [3]).. A nivel industrial se. encuentran una gran variedad de elementos hechos por este proceso, entre los que se. 4.

(5) encuentran carcazas para celulares, dispositivos de comunicación óptica, elementos deportivos, componentes odontológicos, entre muchos mas (Ref. [1]). Los primeros trabajos de este proceso se realizaron a mediados de 1902, pero solo fue hasta 1960 que se empezaron a realizar procesos completos de inyección de polvos, y ya es los años 90 donde se da la estructura necesaria para realizar todo el proceso completo (Ref. [1]). Este proceso se basa esencialmente en 3 pasos (Ref. [4]): 1. Formulación del material base (mezcla entre polímeros y polvos metálicos) para los polímeros y polvos necesarios. 2. Moldeo del material base en herramientas que son diseñadas para la parte final. 3. Proceso térmico del polvo formado para extraer el polímero y sinterización del polvo. Durante el moldeo el polvo permanece sin verse afectado debido a que la temperatura utilizada es mucho menor a la temperatura de fusión del mismo. Después que se extrae la pieza del molde se remueve la porción de polímero por un proceso térmico denominado extracción del ligante o debinding en inglés. Durante este último proceso en la pieza alcanzan a quedar residuos de polímero en la pieza, residuos que finalmente se descomponen durante el proceso de sinterización (Ref. [2]). 1.3. Concepto del proyecto. En Colombia existe una alta diversidad a nivel de procesamiento por el moldeo de inyección de polímeros, y lo que se busca con este proyecto es contextualizar el diseño de una máquina de inyección de polímeros en una máquina para producir elementos con polvos metálicos. Y como base durante el proyecto se espera definir de una forma muy clara los parámetros que definen el proceso de inyección de polvos, y llevar esto a una máquina que se adquirirá durante el proceso de realización de este proyecto.. 5.

(6) 2. OBJETIVOS. Objetivo principal Realizar la adaptación de una máquina para. inyección, con el propósito de efectuar. procesos de moldeo por inyección de polvos metálicos.. Objetivos específicos 1. Definición del funcionamiento de una máquina para inyección con sus características principales. 2. Estudio de las características completas de la maquina para inyección, para poder dar una definición completa de los parámetros a modificar con el objetivo de realizar procesos de inyección de polvos. 3. Estudio de los modelos teóricos que existen para la simulación del proceso de inyección con polvos, con el objetivo de realizar la introducción a futuros estudios teóricos para la creación y/o optimización de modelos y simulaciones del proceso de inyección de polvos metálicos. 4. Adaptación de los parámetros a modificar en la máquina de inyección para realizar los procesos con polvos que se desean.. 6.

(7) 3. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 3.1. Diseño adaptativo. 3.1.1. Introducción El diseño adaptativo es aquel proceso de diseño que tiene como objetivo el realizar modificaciones a un elemento ya existente, esto con el objetivo de realizar trabajos de la misma naturaleza pero con especificaciones diferentes. Industrialmente este proceso va muy ligado al diseño concurrente en el cual se busca ir modificando los elementos en la búsqueda de nuevos mercados o en el afianzamiento en los mercados donde ya se trabaja. En estos años la especialización de los productos tanto al nivel del proceso como al nivel de comercialización ha dado una mayor entrada a este tipo de diseño mundialmente. (Ref. I [1]). Teniendo como base el proceso de inyección, la base del diseño adaptativo dentro de este proyecto es la misma que dio como resultado hace varios años atrás el inicio de los trabajos en proceso por moldeo de inyección de polvos. La base de este proceso siempre ha sido el proceso de inyección de polímeros y la adaptación a los polvos se dio por la necesidad de tener piezas metálicas y cerámicas con formas muy complejas de realizar que se dificultaban con procesos comunes, y en polímeros el proceso que daba estas ventajas era el de inyección, por lo cual se realizó la entrada de este proceso a elementos metálicos y cerámicos (Ref. [1]).. 3.1.2. Proceso de diseño El diseño es la formulación de un plan, mediante el cual se busca satisfacer una necesidad especifica o resolver un problema. Para el proceso de diseño, es importante que la persona que se denomina diseñador pueda reconocer cuales son las mejores alternativas, y que pueda reconocer entre dos alternativas satisfactorias cual es mejor para la solución del problema o con cual se tendría una mayor satisfacción. Y entre las características que se pueden recalcar del diseñador durante el proceso de diseño son: •. Crear soluciones alternativas.. 7.

(8) •. Establecer claves de comportamiento dimensional.. •. A través de análisis y pruebas, simular y predecir el comportamiento de cada alternativa.. •. Escoger las mejores alternativas con el objetivo de optimizar el proceso.. •. Implementación.. Un diagrama de cómo debería organizarse un plan de diseño se puede ver en la figura 1.. Definición del problema. Realizar decisiones a priori.. Escoger nuevas variables de diseño. Especificación de elementos Hecho. Decisión final de elementos. Valoración adecuada. Especificación final. Satisfacción. Estrategia de optimización Producto terminado. Figura por mérito. Figura 1. Metodología de diseño. (Ref. [5]). A nivel mecánico el termino diseño habla sobre la producción y procesamiento de energía, además de términos de producción, herramientas de transporte y técnicas de automatización. El diseño adaptativo tiene las mismas cualidades que el diseño común a nivel metodológico, con la diferencia que en el diseño adaptativo el objetivo no es obtener la invención de un elemento, sino que el objetivo es la especialización de algo. En otras palabras con el diseño adaptativo no se busca crear sino modificar La metodología del proceso es igual se comienza por definir un problema en el cual se tiene que tener en cuenta todas las especificaciones de la adaptación. Además hay que tener en cuenta los puntos de diseño importante como son (Ref. [5]):. 8.

(9) •. Conveniencia, facilidad y aceptabilidad. •. Alternativa satisfactoria. •. Especificaciones de elementos (alternativas). •. Decisión de los elementos → Establecer especificaciones de los elementos.. •. Decisión a priori contra variables de diseño. •. Valoración adecuada → Simulación. •. Figura por mérito → Formulación. •. Propiedad de sintetizar. Al final del diseño adaptativo se podrá obtener un elemento con mejores características para el trabajo que se va a realizar Ref. [5].. 3.2. Metalurgia de polvos. 3.2.1 Introducción El significado de la metalurgia habla sobre el procesamiento de elementos metálicos y como tal la metalurgia de polvos es una rama de la misma donde la materia base son materiales particulados de elementos metálicos, y dentro de este mismo concepto también se puede trabajar con elementos cerámicos. El proceso con polvos se puede ver de forma global en la figura 2. Como se puede ver en la figura 2, el procesamiento de polvos comienza con un proceso de mezcla entre el polvo metálico o cerámico con algún aditivo, el cual normalmente es un elemento polimérico. Este aditivo denominado ligante se utiliza como apoyo para realizar el procesamiento. Y funciona como lubricante y adhesivo entre el polvo metálico (Ref. [6]). Luego que se tiene la mezcla se procede a procesar el material base por alguno de los métodos que se nombran. Luego de realizar el proceso y para tener finalmente una unión química entre las diferentes partículas se realiza un proceso denominado sinterización, donde el material se expone a una rata de temperatura y ambiente donde se lleva a cabo la unión tomando como base un proceso de difusión. El procesamiento de polvos ha cogido mucha fuerza a nivel mundial en los últimos años. Este éxito se debe a la alta variedad de materiales que se pueden manejar así como de 9.

(10) variables que se tienen durante los diferentes procesos, los cuales resultan en una alta variedad de propiedades accesibles.. En este momento el número de industrias que. tienen procesos de metalurgia de polvos es muy alto, entre las que se encuentra la industria automotriz, aeroespacial, agricultura, defensa militar, telefonía, entre muchas más (Ref. [4]).. Material Crudo. Elementos o aleaciones de polvos metálicos. Aditivos. Mezcla. Mezcla. Compactación en caliente. Forma. • Isoestática • Extrusión • Compactación • Impregnación •Sinterización sin presión. Compactación con Temp. Medias • Compactación •Moldeo por inyección. Compactación en frió Compactación • Isoestática • Rolling • Moldeo por inyección • Forja en frío. Sinterizado Sinterizado. Operaciones opcionales. •Atmósfera •Vacío. Manufactura. Terminado. • Reprensado • Resinterizado • Forja • Rerolling •Infiltración de metal. • Maquinado • Tratamiento térmico • Impregnación de plástico • Revestimiento • Impregnación de aceite. Producto final. Producto final. Figura 2. Diagrama del proceso de metalurgia de polvos. (Ref. [2]). 3.2.2. Procesos en la metalurgia de polvos Aunque en el diagrama anterior se mostró una alta cantidad de procesos con los que se puede trabajar dentro de la metalurgia de polvos, hay 4 procesos que son de alguna manera básicos en el procesamiento de polvos y con los cuales se realiza la mayoría de elementos con polvos estos son: •. Metalurgia de polvos convencional.. •. Moldeo por inyección de polvos.. •. Forja de polvos.. •. Presión isoestática por frío o por calor.. 10.

(11) La metalurgia de polvos convencional se basa en el proceso mediante un dado en el cual se da la forma a la pieza mediante compactación, para luego retirarla del dado. Mediante este proceso se podrá tener una microporosidad controlada, la cual puede ser utilizada para agregar aceites o lubricantes y así tener elementos autolubricados, como por ejemplo algunos tipos de rodamientos. La forja es un proceso que comparte mucho el proceso convencional. Esto maneja una preforma la cual se realiza por medio de un proceso de metalurgia de polvos convencional, para luego si pasar por la operación de forja. Durante este proceso se elimina virtualmente cualquier microporosidad, además de obtenerse un elemento con una alta ductilidad, y. una energía de impacto y un esfuerzo a la fatiga mayor a la. encontrada en el proceso de metalurgia de polvos convencional. En el proceso isoestático se utiliza una prensa preformada con un fluido presurizado y una membrana flexible o un container hermético el cual rodea el polvo, este a su vez provee una diferencia de presión entre el contenido y el medio presurizado dándole la forma al elemento. (Ref. [2]). Por último el proceso en el cual se basa este proyecto el de moldeo por inyección de polvos, este proceso se explico brevemente durante la introducción al trabajo y una pequeña comparación con otros procesos de procesamiento de metales se puede ver en la figura 3.. Figura 3. Comparación del proceso de inyección de polvos con otros procesos de procesamiento de metales (Ref. I[2]). 11.

(12) 3.3. Moldeo de polvos por inyección. 3.3.1. Introducción El moldeo de polvos por inyección es un proceso basado en el proceso de inyección de polímeros, como ya se dijo anteriormente en la introducción del trabajo la producción mundial de elementos mediante este proceso ha aumentado significativamente en los últimos años. La metodología del proceso se puede ver en la figura 4.. Polvo. Binder. Mezcla y peletización. Inyección. Sinterización. Producto final. Terminado • Maquinado • Tratamiento térmico • Impregnación de plástico • Revestimiento • Impregnación de aceite. Figura 4. Metodología del proceso de moldeo por inyección de polvos. (Ref. [9]). En la figura 4 hace falta el proceso de extracción del ligante que viene luego de la inyección, durante el cual se extrae la mayoría del material polimérico que acompaña la pieza durante el moldeo por inyección.. 3.3.2. Formación y características del material base. 3.3.2.1. Material base El material base para la inyección de polvos es la unión de varios materiales. Principalmente se tiene el polvo metálico, y acompañando a este uno, o varios materiales poliméricos, los cuales se denominan ligante polimérico. Este ligante apoya el proceso facilitando el moldeo disminuyendo los rangos de temperaturas que se utilizan para realizarlo. Normalmente este material es un polímero de bajo peso molecular para que se tenga una baja viscosidad del material base (Ref. [8]).. 12.

(13) Las cantidades de ligante polimérico y polvos que se utilizan en el material base, y el tamaño del polvo son características importantes para realizar el proceso de inyección, ya que esto genera la separación a la cual está cada partícula de polvo. •. Una poca cantidad de ligante polimérico da genera un material base con alta viscosidad lo que dificulta la plastificación y el moldeo del material base.. •. Una alta cantidad de polvos en el material base da como resultado una gran cantidad de espacios que no se llenarán con mezcla situación que también dificultara el proceso de moldeo, además que durante los procesos posteriores a la inyección estos espacios podrían causar fracturas a la pieza.. •. Un exceso de ligante polimérico genera separaciones muy altas entre cada partícula del polvo, situación que podría generar una lámina delgada de ligante entre la pieza y el molde en el momento del moldeo, o también puede causar que el elemento verde no se encuentre homogéneo en la distribución de los polvos (Ref. [1]).. Para poder obtener un estimado de las necesidades de cantidad de polvo y de ligante en el material base para el proceso de inyección, se tiene en cuenta la carga sólida crítica del material base.. Carga sólida crítica La cantidad de mezcla polimérica depende del empacamiento de la partícula en el polvo, y una forma de caracterizar el estado del material base dependiente del polvo y del ligante polimérico se denomina carga sólida (ϕ) el cual se denomina como se ve en la ecuación 1.. Wp. ϕ=. Wp. ρp. WB ρp + ρB. W → Fracciones de peso. ρ → Densidad. (1). P → Polvo B → Binder. (Ref. [4]).. 13.

(14) La carga sólida siempre se da en términos de porcentaje y de este mismo significado hay un porcentaje en el cual las partículas se encuentran con un empaquetamiento breve y todos los intersticios que hay entre las partículas de polvo están llenos con mezcla polimérica. Este punto se denomina carga sólida crítica y normalmente para el proceso de inyección este se debe encontrar cercano al 60%. Para tener una mejor fluidez y una mejor flexibilidad en el proceso con respecto a los ajustes finales se podría tener un pequeño exceso en la cantidad de mezcla polimérica (Ref. [4]). Hay algunas formas cualitativas de medir el estado sólido crítico, y entre ellas se encuentra, viscosidad contra composición, mediciones de densidad, flujo viscoso, mediciones de densidad, torque de la mezcla y reometría. (Ref. [4]). Preparación El objetivo principal de la preparación es obtener una mezcla uniforme con una dispersión del polvo homogénea sobre la mezcla polimérica sin poseer porosidad interna o aglomerados. La no homogeneidad de la mezcla puede resultar en dos situaciones, la primera es la separación del ligante con el polvo y la segunda es que se genere segregación. Durante el proceso la homogeneidad varía de forma exponencial con el tiempo y esta se puede medir mediante ciclos de torque, ya que el torque varia dependiendo de la homogeneidad de la mezcla. Otro punto importante es la contaminación de la mezcla y este varia dependiendo del tiempo del ciclo de mezcla, es por eso que durante el proceso se busca tener tiempos pequeños durante este ciclo. (Ref. [4]).. 3.3.2.2. Polvos Se denomina polvo a una partícula que se encuentra entre tamaños nanométricos, hasta elementos que rondan las 100 µm. La inyección de polvos metálicos se podría realizar con cualquier forma y tamaño de polvo metálico, pero mediante trabajos empíricos se a definido algunos parámetros que mejoran y facilitan el moldeo. Una definición de cómo debería ser un polvo ideal para el proceso de inyección se muestra en la tabla 1 y las ventajas que se pueden dar durante el proceso dependiendo de la forma se pueden ver en la figura 2.. 14.

(15) Tabla 1. Definición de un polvo idea para realizar procesos de inyección (Tabla 3.1 Ref. [4]) Definición de un polvo ideal para PIM tamaño de la partícula entre 0.5 y 20 µm con un D50 entre 4 y 8 µm. distribución del tamaño de la partícula bien estrecho, deseablemente Sw entre 2 y 8 densidad total mayor al 50% de la teórica sin aglomeración elemento casi esférico, polvo equivalente, un aspecto de coeficiente levemente mayor a la unidad, típicamente de 1.2 un ángulo de reposo a compactación mayor a 55º partícula densa libre de vacíos internos baja explosión y peligro por toxicidad superficie de partícula limpia segregación mínima. Tabla 2. Características del polvo (Tabla 3.6 Ref. [4]) Características del polvo y sus efectos en PIM Ventajas. Desventajas. tamaño. rápida sinterización. lenta remoción del ligamento. pequeño. pequeños defectos de moldeo. costos mas altos. de. se mantiene la forma. mayor contaminación mayor contracción en la sinterización. partícula. alta viscosidad de la mezcla mayor aglomeración forma. alta densidad de empaquetamiento. formación de rechupes durante la. esférica. alta. bajos esfuerzos. baja viscosidad de la mezcla. extracción de ligante. mejoramiento del flujo. costos mas altos. alta densidad de empaquetamiento. mas problemas de calidad. distribución menor contracción durante sinterización. microestructura no homogénea lenta remoción de ligantes mas propensa a la segregación por tamaño. Para poder tener un elemento homogéneo durante el proceso de moldeo algo que se debe evitar es la aglomeración de los polvos, este aglomerado aumenta la carga sólida. 15.

(16) del material base dificultando el proceso, por lo que al polvo antes de realizar la preparación del material base se le debe realizar un proceso de deaglomeración con el cual se rompe este problema.. 3.3.2.3 Ligante El objetivo del ligante es tener unidos y en un empacamiento homogéneo los polvos metálicos hasta que se llega al proceso de sinterización. Al igual que sucede con los polvos la selección del ligante es de alta importancia durante el proceso. Normalmente para el ligante se utilizan polímeros termoestables, termoplásticos, sistemas de aguabase, sistemas de gel y material inorgánico. Una especificación de cómo seria un ligante ideal para el proceso de inyección se puede ver en la tabla 3.. Tabla 3. Características del ligante ideal (Tabla 4.1 Ref. [4]) Atributos ideales del ligante características de flujo viscosidad debajo del 10 Pa·s a la temperatura de moldeo bajos cambios de viscosidad con la temperatura durante el moldeo rápidos cambios de viscosidad durante el enfriamiento fuerte y rígido después del enfriamiento moléculas pequeñas para que quepan entre las partículas y evitar orientación mientras fluyen mínima orientación de flujo. interacción con el polvo bajo contacto angular adherente al polvo químicamente pasivo, inclusive bajo altos esfuerzos cortantes y altas temperaturas térmicamente estable durante la mezcla y el moldeo. remoción de ligante varios componentes con diferentes características no corrosivo y con productos de descomposición no tóxicos bajo contenido de ceniza, bajo contenido metálico temperatura de descomposición mayor a temperaturas de moldeo y mezclado descomposición con temperaturas menores a las de sinterización. 16.

(17) remoción completa manteniendo rigidez estructural en el polvo. manufactura sin altos costos y disponible seguro y ambientalmente aceptable larga vida de almacenamiento, baja absorción de agua, sin componentes volátiles no degradable ante ciclos de calentamiento alta lubricidad alta resistencia y rigidez alta conductividad térmica bajo coeficiente de expansión térmica soluble en solventes comunes baja longitud de la cadenas, sin orientación.. 3.3.3. Proceso de moldeo por inyección de polvos. 3.3.3.1. Introducción El proceso de moldeo por inyección de polvos tiene el mismo principio del proceso de moldeo por inyección de polímeros, la diferencia radica en variables durante el proceso. El objetivo del proceso es obligar a fluir el material base hacia el molde, en el cual el material base toma la forma del molde por un proceso de enfriamiento (Ref. [1]). Durante el proceso se busca que el elemento obtenido tenga una distribución homogénea y que durante la eyección y los procesos subsecuentes no se generen defectos en la pieza. Entre esto se tiene que tener en cuenta las variables de temperatura y presión dependientes del material base a utilizar, las herramientas del moldeo y además el proceso de extracción del ligante y sinterización donde la mayoría de las fallas que se tuvieron en los anteriores procesos cobran vida. Entre las ventajas mas llamativas de este proceso se encuentran: •. Alto nivel en la complejidad de las formas, normalmente con un pequeño costo adicional.. •. Posibilidad de tener la forma exacta durante el proceso. Reduce y en algunos casos elimina la necesidad de realizar maquinados finales a la pieza.. 17.

(18) •. Un alto uso del material, casi entre el 95 y el 98% del material de entrada queda en el elemento final.. •. Alto control dimensional teniendo varias características a la vez.. •. Producción de microestructuras con múltiple fase para tener resistencia al desgaste y dureza.. •. Buenas terminaciones de superficie.. •. Posibilidades de control de porosidades para lubricación, filtración o controles de flujo.. •. Satisfacción natural a la automatización y a la producción en masa. (Ref. [1]).. 3.3.3.2. Metodología del proceso. Figura 5. Figura esquemática maquina de inyección horizontal con tornillo recíproco. (Ref. I [2]). Con base en la figura 5, inicialmente se llena la tolva con el material base y mediante el movimiento del tornillo se va llevando el material base a través del recipiente. Mientras se realiza este proceso los calentadores entregan al material base la temperatura necesaria para que este baje su viscosidad al punto en el que pueda fluir. Esta temperatura debe otorgar un calentamiento uniforme y seguro para el material base. Durante el movimiento del tornillo por las propiedades viscosas del material se crean resistencias de flujo y gradiantes de presión los cuales deben ser compensados mediante el control de la posición del tornillo y el control del sistema hidráulico (Ref. [4]). Se debe tener unas buenas especificaciones en el control de las diferentes variables para poder reducir en el componente los gradiantes de presión. Luego que se tiene la cantidad necesaria dentro del recipiente se lleva a cabo el llenado con el molde cerrado y en ese momento las operaciones varían hacia la presión del sistema hidráulico, para el control del enfriamiento de la pieza y luego la extracción del mismo mediante la apertura del molde y el movimiento de los eyectores. El tiempo de 18.

(19) moldeo debe ser dependiente del tamaño de la cavidad, del tiempo de llenado y del tiempo de enfriamiento, pero normalmente este varía entre 5 segundos y un minuto máximo (Ref. [4]). En la tabla 4 se muestran las condiciones de algunos elementos de la maquina de inyección durante el proceso de moldeo. En este la operación de llenado corresponde al punto en el que el tornillo se encuentra avanzando y obligando al material base a pasar a través de la cavidad.. Tabla 4. Figura sobre la posición de diferentes elementos de la máquina de inyección durante el proceso (Figura 6.19. Ref. [4]) Tiempo del ciclo operación. llenado. desplazamiento del tornillo. empaquetamiento. enfriamiento. apertura del molde. cierre del molde. plastificación. revoluciones del tornillo adelante. atrás. eyectores. activos. movimiento de la base. afuera. adentro. retroceso. avance. unidad de inyección. Los parámetros típicos en los que se encuentra normalmente el moldeo por inyección de polvos se puede ver en la tabla 5. Tabla 5. Parámetros típicos de un proceso de inyección con polvos (Tabla 6.4 Ref. [4]) Parámetros típicos de moldeo parámetro rango típico temperatura del recipiente, ºC 100 a 200 temperatura del inyector, ºC 80 a 200 temperatura del molde, ºC 20 a 100 velocidad de rotación del tornillo, rpm 35 a 70 presión de inyección, MPa. 0,1 a 130 presión de empaquetamiento, Mpa. 0 a 10 tiempo de llenado, s 0,2 a 3 tiempo de empaquetamiento, s 2 a 60 tiempo de enfriamiento, s 18 a 45 tiempo del ciclo, s 8 a 360. Para realizar este proceso se encuentra también la posibilidad de utilizar pistones con gas comprimido con lo que se tiene un moldeo a bajas presiones.. Pero, aunque esto. disminuye el desgaste, se tiene un proceso que no posee un buen control, pero es una gran opción en la producción de elementos biomédicos y piezas electrónicas (Ref. [7]). 19.

(20) Llenado del molde El llenado del moldeo corresponde al momento en el ciclo donde el tornillo tiene un movimiento de avance y a su vez el material base se va presurizando, en este punto el material base se va introduciendo a través de la cavidad hacia el molde en un estado viscoso. El desplazamiento del tornillo debe ser rápido, si se realiza el llenado a una sección gruesa, y para secciones delgadas o finas el movimiento se debe procurar tener un movimiento lento. Como recomendación, si el componente es demasiado grande para realizar la inyección en una sola carga, la rotación del tornillo se debe activar justo antes que el momento de inyección con lo que se tiene un extra de material base dentro del dado en el momento que se realiza la presión de inyección (Ref. [4]). La velocidad de inyección es un parámetro muy importante debido a que velocidades muy altas generan aire concentrado que no alcanza a escapar por lo que el elemento tiene la posibilidad de no alcanzar a quedar completo o de poseer burbujas internas de aire. Por otro lado, velocidades bajas causaran tazas de enfriamiento muy rápido del material base con lo que no se tendrá un llenado completo (Ref. [4]). El flujo volumétrico de entrada al molde se puede calcular como se muestra en la ecuación 2.. Q=. P. η⋅K. Q → Flujo volumétrico P → Pr esión aplicada. (2). η → Vis cos idad del feedstock K → Re sistencia del molde (Ecuación 6.2 Ref. [1])). La resistencia del molde depende de la geometría del mismo, y para geometrías complejas se debe dividir el molde en pequeñas partes de formas rectangulares o capilares y realizar las series para hallar la resistencia total. El control sobre las diferentes variables como son temperatura, presión, viscosidad de material y esfuerzo cortante son indispensables para un óptimo moldeo, debido a sus efectos sobre la viscosidad del material base.. 20.

(21) Empacamiento y eyección El empacamiento es el punto en el cual la máquina cambia su estado de desplazar material a realizar presión. La idea en este punto es mantener el material bajo presión durante el principio del enfriamiento y así evitar posibles defectos en el material.. El. tiempo que toma la mezcla para endurecerse en el dado varía con el cuadrado del grosor (Ref. [4]). En la figura 6 se muestra la relación de presión contra la temperatura durante el empacamiento y el enfriamiento de un material base con densidad constante.. llenado. temperatura. empaquetamiento. Sellado (enfriamiento de compuertas). enfriamiento. Apertura del molde. presión. Figura 6. Comportamiento de la presión contra la temperatura durante el ciclo de inyección. (Figura 6.22 Ref. [4]). La temperatura a la que se da la apertura del molde depende de la condición de sellado, dado que la compactación bajo esfuerzo genera dificultades a la hora de la eyección de la pieza. Durante el enfriamiento de las cavidades el tornillo comienza la preparación del material base para el nuevo ciclo de la máquina y cuando se tiene la apertura del molde la rotación del tornillo se detiene y se mueve hacia la parte trasera de la máquina para realizar la descompresión del material base de entrada (Ref. [4]). Para el punto de eyección de la pieza se tiene que tener en cuenta el tamaño y la forma del elemento verde y normalmente se utiliza el enfriamiento como el control para llegar a este punto.. La temperatura a la cual se abre el molde como ya se comento antes. depende la condición de sellado, por lo cual para este punto se tiene que tener en cuenta el punto en el cual se da la dureza deseada del material base. Un rango apropiado de la. 21.

(22) apertura del molde se puede ver en la siguiente figura y depende de temperaturas en la cuales se mantiene la forma del elemento en el momento de la eyección.. temperatura. Tmax. temperatura de llenado. apertura del molde. Tmin. temperatura del molde. Pmin cavitación. Pmax adhesión. presión de empaquetamiento. Figura 7. Visión simplificada de la relación entre temperatura y presión durante el enfriamiento del molde, y el rango seguro para la apertura del molde. (Figura 6.24 Ref. [4]). 3.3.3.4. Extracción del ligante La extracción del ligante se utiliza para extraer la mayor cantidad de ligante que sea posible, esto con el objetivo de llegar al proceso de sinterizado solo con el polvo compactado. Fallas en la remoción del ligante podrían causar en la pieza distorsión, fracturas, y contaminación. Situaciones que solo se pueden ver luego del sinterizado. Normalmente al finalizar el proceso de extracción del ligante, quedan residuos del ligante dentro de la pieza (entre el 5 y el 2% de todo el ligante), los cuales alcanzan a ser extraídos durante el proceso de sinterización (Ref. [4]). Existen varias técnicas utilizadas para la extracción del ligante, estas técnicas se pueden categorizar en dos grupos térmicos y solventes. La extracción térmica se basa en remover el ligante mediante calor, lo cual puede ser tanto por degradación, evaporación o extracción líquida utilizando algún material de contacto que ayude a la extracción. Mientras tanto, la extracción por solvente se basa en la inmersión del elemento verde en un fluido, fluido que disuelve aunque sea una fase del ligante con lo cual deja poros abiertos en el elemento que sirvan para la subsiguiente quema del ligante. La selección del fluido es dependiente del ligante utilizado. Algunas técnicas de extracción de ligante pueden verse en la figura 8.. 22.

(23) Técnicas de extracción de ligante térmicas. solvente. Difusión. Extracción. vacío. inmersión. Impregnación. Supercrítica. atmósfera. alta presión. Wicking. Condensación. encajamiento. vapor. Oxidación. Catalítica. aire. acido nítrico. Figura 8. Clasificación de los procesos básicos para la extracción de ligante. (Ref. [4]). 3.3.3.4. Sinterización Al realizar el moldeo de la pieza por inyección de polvos o por cualquiera de los diferentes métodos de procesamiento de polvos, el elemento en verde posee entre cada uno de los elementos una unión mecánica lo cual deriva en un elemento con esfuerzos casi nulos. Para obtener una unión química entre las partículas y así obtener una fase continua en el elemento, se realiza un proceso de sinterización en el cual se produce la unión mediante unas condiciones de atmósfera y temperatura que dependen de cada proceso y de cada material. Durante la sinterización son varios factores de transporte que dominan el proceso de difusión por el cual se realiza la unión. Este proceso puede involucrar solamente un estado sólido o puede darse también en algún punto de la sinterización un estado líquido. El proceso solamente en estado sólido es más común debido a que se minimizan cambios en la densidad y se tiene un mejor control dimensional. La densidad resultante en un proceso de estado sólido es del rango de 85 a 90% de la densidad aparente (Ref. [8]). Las ventajas que se tiene con un proceso de sinterización en estado líquido es que se tiene una mejoría en las propiedades mecánicas debido a que se reduce la microporosidad, aunque por lo mismo no se tiene el mismo control dimensional, debido a. 23.

(24) que la contracción es mayor al llenar con material esta porosidad. Por ejemplo unas temperaturas comunes en este proceso para aleaciones ferrosas son en estado sólido de 1095 a 1150ºC y en estado líquido mayor a 1370ºC (Ref. [9]).. 3.3.4 Máquina de inyección.. 3.3.4.1 Especificaciones de la máquina de inyección.. Tipo de máquina •. Tornillo recíproco. Este sistema es basado en un tornillo como el de la figura siguiente el cual su movimiento se centra en el movimiento de un motor eléctrico o hidráulico.. Figura 9. Ilustración de un tornillo reciproco. (Ref. I [3]). El proceso con este tipo de tornillo es: Al principio del proceso de moldeo el tornillo se encuentra en su posición más retrasada durante el cual se realiza la carga del material base, Luego el molde se cierra y el tornillo comienza a avanzar obligando al material a pasar por la boquilla y llenar el molde. Mientras se llena el molde la presión se mantiene y al entrar en el proceso de enfriamiento de la cavidad el tornillo regresa a su posición inicial para empezar a preparar el próximo proceso. •. Émbolo hidráulico. En este proceso aunque el principio de inyección es el mismo en vez de utilizar un tornillo para llevar el material base hasta la boquilla se utiliza un especie de pistón que con ayuda de un sistema hidráulico realiza la presión que obliga al material base a atravesar la boquilla y llenar el molde.. 24.

(25) •. Neumático. Este proceso tiene el mismo principio del anterior pero en vez de realizar su movimiento por un sistema hidráulico, utiliza un elemento gaseoso para realizar el movimiento. El más utilizado de estos tres tipos es el de tornillo recíproco debido a su facilidad de controlar su movimiento con respecto a los demás y que da una mayor homogeneidad de los componentes, por lo cual se creería que es la mejor opción para la máquina que se busca adaptar. Y con este concepto no se manejaría un sistema adicional de plastificación lo cual se hace directamente con el movimiento del tornillo reciproco.. El uso de. maquinaria hidráulica y neumática se utiliza más que todo en pequeños componentes con formas simples, debido a que si tiene una cantidad alta de cambios de dirección el polvo va a tender a segregarse con mucha facilidad debido a que no tendrá una buena homogeneidad del material base a la entrada del molde. Esto ocurre ya que el material base no pasa por la etapa de plastificación por el cual se pasa con el tornillo reciproco. Además, se debería trabajar con bajas velocidades de producción para evitar la separación de los dos componentes. (Ref. [4]).. Orientación Se encuentra maquinaria con dos tipos de orientación: horizontal y vertical. La más utilizada en la producción mundial es la horizontal, pero en procesos de polvos se utiliza con mucha frecuencia maquinas de inyección vertical debido a que son mas fáciles de realizar su sistema de control, además que hay menos perdida de material por cada ciclo debido a su sistema de posición (Ref. I [4]).. Unidad de cerrado La unidad de cerrado es el lugar de la máquina donde se encuentra el molde de inyectado, y provee así mismo el movimiento de cierre y apertura del molde. Para la unidad de cerrado se utilizan de tres formas.. 25.

(26) •. Hidráulica. Una unidad de cerrado Hidráulica o totalmente hidráulica es en la cual el movimiento del molde lo da un sistema hidráulico dominado por un émbolo el cual transmite la fuerza con la cual se cierra y se abre el molde de inyectado. Un diagrama de que como es una unidad de cerrado hidráulica se puede ver en la figura 10.. Figura 10. Unidad de cerrado con sistema Hidráulico. (Ref. I [2]). •. Palanca. Este sistema aunque también utilizado un sistema con acusador por un medio hidráulico o eléctrico pero este actúa sobre un mecanismo de palanca que da el cierre al molde, como se muestra en la figura 11.. Figura 11. Unidad de cerrado con sistema de palanca (Ref. I [2]). 26.

(27) •. Eléctrico. Este sistema actúa con el mismo principio de los anteriores pero el sistema se basa en un motor eléctrico que da la fuerza de cerrado. Este también actúa con base en un sistema hidráulico. (Ref. I [2]). Fuerza de cerrado La fuerza de cerrado es la fuerza necesaria para mantener cerrado el molde de inyección mientras este es llenado y se realiza el enfriamiento del material base. Esta fuerza debe ser mayor a la fuerza que da la presión que genera el material base sobre toda el área proyectada del molde. Y esta se puede definir como se ve en la ecuación 3. Fuerza mínima de cerrado = Área proyectada X Presión plástica en la cavidad. (3). (Ref. [8]). Y se debe incluir además incluir un factor de seguridad de aproximadamente de 10 a 20 por ciento para asegurar la presión correcta en el molde. Y además normalmente esta fuerza se da en toneladas (Ref. [8]) Si para el proceso de inyección se utilizara un fluido hidráulico como agua la fuerza de cerrado requerida por el área proyectada seria igual a la presión aplicada por el émbolo de inyección (presión a la cual de ahora en adelante se le denominara presión de inyectado), pero como se tiene un endurecimiento parcial del material base cuando este atraviesa el molde, entonces la presión que genera la fuerza de cerrado es mucho menor que la fuerza aplicada en la inyección. En procesos con polímeros la relación entre la fuerza de cerrado y la presión de inyección es cercana a 0.5 (ref. [8]). Y como en este punto el que gobierna el proceso de inyectado y el que da la fluidez del material base es el ligante entonces la relación para un proceso con polvos no debe variar de manera drástica. En el mercado normal se puede encontrar maquinaria con fuerza de cerrado casi desde 5 Ton mínimo y hasta 500 Ton, que generan una fuerza en las cavidades de hasta 1500 Kg/cm2. Lo mas típico a encontrar son maquinas entre 10 y 100 Ton de cerrado, las cuales generan una presión en la cavidad entre 250 y 500 Kg/cm2. Las presiones de. 27.

(28) inyección mas altas encontradas a nivel de procesamiento con polvos se de alrededor de los 26 MPa los cuales son utilizadas o fueron utilizadas en procesos con Titanio y 316L con la presencia de gases que disminuyen la presión (Esta presión se tomo de papers en los que se trabajaron con estos elementos como se cuenta en la ref. [9]) y teniendo como base un molde que aproximadamente tiene un área proyectada aproximada a 676 cm2 por lo que la máxima fuerza de inyectado seria aproximadamente de 9,7 Ton para este caso. En nuestro caso debido a la variedad de materiales que se busca procesar y que no se van a utilizar gases de disminución de presiones seria difícil realizar un estimado exacto de la fuerza que se necesitaría, pero como son procesos de laboratorio donde no se busca ni producción en masa ni elementos muy grandes a producir se esperaría una maquina con una no tan grande fuerza de cerrado, por lo cual a lo mucho seria una maquina con una fuerza de 40 ton.. Tamaño entre barras Este punto se refiere a la distancia que hay entre las barras que sostienen los platos donde se sostiene el molde, esta referencia es importante para conocer cual debe ser el tamaño que deben tener los moldes a utilizar en la máquina. En si esta característica delimita el proceso de diseño de las herramientas, y en nuestro caso que se tienen las herramientas se espera que esta propiedad este acorde con el espacio para utilizar estas herramientas. Para tener una idea de esto, nuestras herramientas tienen un área de 220 x 250 mm, y la distancia entre barras debe permitir el montaje de las herramientas dentro de la máquina, por lo cual una distancia entre barras de 220 es lo mínimo que se requiere para el montaje.. Diámetro del tornillo Normalmente en procesos con polvos los tamaños de los tornillos varían entre 22 a 25 mm de diámetro, pero el tamaño de este puede ser tan grande como justifique el material a construir y como lo máquina lo permita (Ref. [4]).. 28.

(29) Tamaño del disparo Dentro de esto se tiene que el tamaño del disparo varia normalmente entre 20 a 200 cm3 y en promedio la mayormente utilizada es 30 cm3 (Ref. [4]) por lo cual se esperaría que la maquina tuviera un tamaño igual o aproximado a este.. En si el molde de inyección. diseñado por Jarret Smith para un esquema de llenado completo se necesitaría un disparo de 30 cm3. (Ref. [8]). Potencia del motor Normalmente la potencia de los motores a utilizar en este proceso varia de 5 a 25 KW y típicamente son de 15 KW y aunque este parámetro no es de gran relevancia en el proceso de selección de la máquina (Ref. [4]).. 3.3.4.2. Herramientas de la máquina de inyección. Consideraciones de diseño Para las consideraciones de diseño hay que tener en cuenta las características geométricas del elemento a realizar, a continuación en la tabla 7 se mostrara una pequeña guía para tener en cuenta con respecto al moldeo. Tabla 6. Moldeo por inyección de polvos nominal – pautas para el diseño de componentes (Tabla 4.2 Ref. [1]) características deseables cambios graduales de grosor en las secciones dimensiones mas largas por debajo de 125 mm. características mas largas que 0.1 mm. masas menores a 1 Kg. grosor de paredes menores a 10 mm. combinación de ensambles en una sola pieza moldeada por lo menos una superficie plana que sirva como soporte durante la sinterización libertad para tener algunos defectos - línea de partición, líneas de división y marcas por los eyectores. características de diseño permitidas axisimetrico, no simétrico, prismático, cuadrados y formas libres de características. agujeros - una gran cantidad de formas están permitidas, incluyendo agujeros pasantes y ciegos. agujeros a los ángulos de uno a otro. socavo, surcos, agujeros, depresiones.. 29.

(30) voladizos y formas no simétricas. protusiones, biseles y prisioneros. roscas helicoidales externas. roscas externas o internas número de parte o logo de identificación creado para el molde características a evitar cavidades internas cerradas esquinas o ángulos muy agudos - radios de ángulo mayores que 0.05 mm. piezas grandes sin bosquejo para permitir la eyección agujeros menores a 0.1 mm. de diámetro paredes con grosores menores a 0.1 mm. secciones delgadas unidas a secciones gruesas componentes mayores a 22 mm. de grosor componentes mayores a 1 Kg. de masa. Entre estos puntos hay que tener en cuenta que la realización del molde tiene mucha relación con los moldes de inyección de polímero, con diferencia de algunos puntos como son los siguientes: •. Hay que tener en cuenta que durante los procesos posteriores al inyectado (extracción del ligamento y sinterizado) se tiene una contracción del elemento, el cual normalmente queda en el 85% del volumen original.. •. Los materiales que se utilizan para la construcción del molde deben poseer una dureza mayor a los materiales comunes que se utilizan en este tipo de molde, debido al desgaste que se tiene por el paso de material metálico.. •. Las dimensiones de la boquilla, los canales y la entrada deben ser mayores a las utilizadas con polímeros, esto debido a las propiedades reológicas del material base con polvos metálicos. (Ref. [10]).. Normalmente los elementos que se realiza a través de la inyección de polvos poseen entre un rango de 100 características geométricas (Ref. [1]).. Movimiento de las herramientas En la figura 12 se muestra un esquema sobre el movimiento de las herramientas. Los movimientos tanto de la unidad de cerrado como de la unidad de inyección deben ser sincronizados.. 30.

(31) Figura 12. Movimiento de las herramientas. (1) Inicio del ciclo. (2) Inyección y plastificación. (3) Solidificación. (4) Apertura del molde y extracción compacta. (Ref. I [2]). El ciclo de inyección comienza con el molde cerrado, el inyector se inserta en el buje de la entrada de la herramienta, y mediante el movimiento horizontal del tornillo se obliga a fluir el material base a través de la entrada. Luego mediante presión sobre el molde comienza el ciclo la solidificación de la pieza, mientras tanto el tornillo empieza a realizar el proceso de retorno para preparar el material para el nuevo ciclo. Cuando se llega a la temperatura de solidificación y se tiene la pieza compacta, ocurre la apertura del molde y la eyección del elemento en verde. Luego de la expulsión de la pieza se vuelve a cerrar el molde y comienza el nuevo ciclo. (Ref. [11]). Diseño de las herramientas. Figura 13. Esquema de un molde de 2 partes. (a) Molde cerrado. (b) Molde abierto (Ref. I [2]). o. Cavidad. La cavidad es el lugar donde se captura la forma del componente. En un mismo molde se puede tener hasta doce cavidades, y este número de cavidades depende en la misma naturaleza del componente, en la capacidad de la máquina y del número de piezas a construir.. 31.

(32) El punto a tener en cuenta durante el diseño de la cavidad es sobre la contracción del elemente. Como ya se comento antes, durante los procesos posteriores la pieza sufre una disminución de volumen y el porcentaje que se contrae la pieza es el mismo porcentaje a la cual tiene que estar sobredimensionada la cavidad (Ref. [10]). La contracción Y se puede calcular mediante la carga sólida ϕ y la fracción de densidad de sinterizado ρ/ρT donde ρ es la densidad final y ρT es la densidad teórica del material sinterizado la cual es mayor a la densidad final, y se puede ver en la ecuación 4.. Y = 1 − [ϕ / (ρ / ρ T )]. 1/ 3. (4). (Pág. 60 Ref. [1]). Al realizar el diseño de las cavidades se tiene que tener en cuenta el factor de expansión de la cavidad, el cual depende de la contracción de sinterizado. El factor de expansión Z se puede calcular como en la ecuación 5.. Z = 1 / (1 − Y ). (5). (Pág. 60 Ref. [1]). Dado el factor de expansión se puede calcular cual debe ser el tamaño de la cavidad L0 si la pieza final debe ser de tamaño Lf, y esta relación esta dada por la ecuación 6.. L0 = L f ⋅ Z. (6). (Pág. 60 Ref. [1]). o. Línea de partición. La línea de partición es el lugar donde se encuentran las secciones del molde. En este lugar los problemas radican en la alineación de las partes en el cierre del molde o en la fuerza con que se cierra el molde, lo que puede causar que haya material que se desliza a través de esta parte creando rebaba en el elemento (Ref. [1]). La locación de la línea de partición, así como su distancia y tamaño son dependientes del proceso de manufactura.. 32.

(33) o. Entrada y corredor. La entrada es el lugar donde se conecta el inyector de la máquina y los corredores que sirvan de paso del material base hacia la cavidad del molde.. Esta entrada posee. normalmente un diámetro entre 4 y 6 mm y un ángulo aproximado de 5º (Ref. [4]). Cuando se tiene una alta producción normalmente se debe mantener caliente con el objetivo de evitar recalentamiento en el material base que pasa por este punto (Ref. [1]). Luego de pasar a través de la entrada el material base llega a los corredores, los cuales dirigen el flujo de material base con dirección a la cavidad. El diámetro promedio de los corredores es normalmente de 3 a 6 mm. En este punto se tiene que tener varias características en cuenta que pueden mejorar el moldeo como son: •. El tamaño de los corredores. Corredores pequeños reducen la velocidad de llenado y corredores largos dan facilidades de llenado pero reducen volúmenes de disparo permitido.. •. Forma de los corredores. Un corredor circular disminuye las perdidas de calor, pero otras formas de corredores dan ventajas económicas al proceso.. •. Cambios de dirección. Los cambios de dirección deben ser suaves, cambios muy repentinos podrían causar separación entre el polvo metálico y el ligante polimérico. (Ref. [4]). El caudal a través del corredor se puede calcular como en la ecuación 7, donde Q es el caudal, P es la presión aplicada al material base, L es la longitud del corredor, y µ es la viscosidad del material base.. Q=. P ⋅π ⋅ D 4 128 ⋅η ⋅ L. (7). (Ecuación 5.3. Ref. [4]). o. Ventosas. Durante el inicio del moldeo por inyección la cavidad se llena de aire, este aire en el momento del moldeo debe extraerse de la cavidad para evitar defectos en el elemento verde. El modo de extraer este aire es a través de ventosas que deben ser ubicadas en el lugar más alejado del moldeo, opuestas al lugar donde se encuentra la compuerta. Estas deben ser bien delgadas de aproximadamente 0.015 mm de profundidad y hasta 12 mm. 33.

(34) de largas en partes muy largas, además las ventosas ayudan al momento de la eyección del elemento ya que si no se tuvieran se crearía vacío en el momento del moldeo (Ref. [1]). Las ventosas pueden causar unas pequeñas marcas en la superficie del elemento y en ocasiones si la presión es demasiado alta en este lugar puede ocurrir rebaba (Ref. [4]).. o. Pasajes de control de temperatura y eyectores. Son pasajes ubicados en la herramienta que contienen flujos de agua o aceite para tener un control de la temperatura sobre el molde. En ocasiones si se necesita realizar un enfriamiento alto se puede utilizar fluidos refrigerantes.. El proceso de enfriamiento es el. más lento durante la inyección de polvos, y la transferencia, y la transferencia de calor entre la herramienta y el material base determina el tiempo de enfriamiento después que se tiene llena la cavidad (Ref. [4]). Luego que se realiza el enfriamiento se debe realizar la eyección del elemento. La fuerza de eyección depende de varios factores del elemento como son: área de contacto, acabado superficial de la herramienta, coeficiente de fricción, y contracción térmica de la cavidad (Ref. [1]). Para ayudar en la eyección se busca que las esquinas del elemento se encuentran algo redondeadas, normalmente para esto se utilizan esquinas con un radio aproximado a 0.2 mm y la ubicación de los pines de eyección se debe encontrar en un área larga del elemento con lo cual las marcas que generan no causan daño sobre la pieza.. Construcción de las herramientas Las herramientas que se utilizan en el proceso de inyección de polvos son usualmente de materiales endurecidos, debido a la abrasión a la que se enfrenta el moldeo con el material base y sobretodo por el polvo metálico. La selección del material para realizar un equipo de herramientas para la inyección de polvos metálicos depende dos factores principalmente: de la vida útil del molde que en este caso se da por el número de ciclos que se realizaran con el mismo, y de la resistencia a la abrasión que se necesita dependiendo del polvo metálico a utilizar (Ref. [4]). En las tabla 8 se muestra una lista de materiales que se utilizan en la construcción de herramientas.. 34.

(35) Tabla 7. Materiales de construcción para la herramienta del moldeo por inyección de polvos (Tabla 5,1 Ref. [4]) Dureza material composición (HRC) aplicaciones sugeridas acero 4130 Fe-1Cr-0,25Si-0,2Mo-0,3C 35 generalmente platos del molde cavidades resistentes a la corrosión, inoxidable 420 Fe-14Cr-1Si-1Mn-0,3C 50 corazones e insertos resistencia al desgaste, insertos inoxidable 440C Fe-18Cr-1Si-1Mn-1C 57 pequeños, cavidades y corazones acero herramienta Fe-5Cr-1,2Mo-1Mn-0,3VA2 1C 58 pequeños insertos, alto desgaste acero herramienta Fe-8,75V-5,25Cr-2,45CCPM 10V 1,3Mo 63 alta dureza, alta desgaste, altos esfuerzos acero herramienta Fe-12Cr-1V-0,9Mo-0,5Si57 alta abrasión, herramientas pequeñas D2 1,5C Elmax Fe-18Cr-3V-1Mo-1Si-1,7C 58 alto desgaste, alta corrosión 45 vol.% TiC en matriz de Ferro-Tic CM 69 alta temperatura, desgaste, abrasión Fe-10Cr-3Mo-0,9C Fe-5Cr-1,5Mo-1Si-1Vestructuras grandes, cavidades H13 50 0,4Mn-0,4C intrínsecas, alta dureza, poco desgaste acero herramienta Fe-6W-5Mo-4Cr-2V-0,3Mn61 corazón y pines eyectores M2 0,8C enfriamiento rápido, pines, alta Moldmax Cu-2Be 40 conductividad térmica acero herramienta Fe-1,2Mn-0,5Cr-0,5W-1C 60 películas y platos de desgaste O1 Fe-1,7Cr-0,8Mn-0,5Mopropósitos generales, corredores acero P20 30 0,4V-0,35C calientes, grandes cavidades carburo de carga en compresión, alto desgaste y Por ejemplo WC-10Co 80 tungsteno frágiles. Normalmente se propone que la rugosidad típica para un molde que trabaja con polvos debería ser del orden de 0.2 µm, con una dureza aproximada a 30 HRC, estos parámetros con un polvo común de hierro causaría una vida útil aproximada de 100.000 ciclos, si se tiene una alta frecuencia de mantenimiento (Ref. [4]).. 3.3.4. Diferencias entre el proceso de inyección de polímeros y el proceso de inyección de polvos. Como ya se comento anteriormente el proceso de inyección tuvo sus inicios en el mundo de los polímeros, y en si la mayoría de las personas relacionan este proceso directamente con este proceso. Pero las ventajas geométricas y de niveles de producción llevaron a probar este proceso con elementos metálicos y cerámicos, elementos que normalmente ofrecen propiedades mecánicas mayores a los polímeros, como es esfuerzos, durezas, fatigas entre otros (Ref. [4]). En si, la base del proceso es la misma para las dos clases. 35.

(36) de materiales, y la mayoría de la tecnología utilizada en el proceso de inyección de polímero se utiliza también en el proceso de inyección de polvos como son: los tipos de inyección, los moldes y hasta los ciclos que se manejan en el proceso de inyección son familiares a los utilizados en el mismo proceso pero con polvos. Uno de las diferencias tiene que ver con las cavidades del molde, en el proceso con polímeros no se tiene el mismo concepto con respecto a la composición y al control microestructural que se tiene después del moldeo, por lo cual la contracción dimensional que se tiene durante el proceso de sinterizado (aproximado al 15%) no es de importancia en el proceso de inyección con polímeros. Lo que nos lleva a que en el proceso con polímeros no se debe tener sobredimensionalidad en las cavidades, lo que si se debe tener en el proceso de inyección de polvos por la contracción de sinterizado. Otras diferencias que se encuentran entre los dos procesos de inyección son respecto a los estados económicos. En el moldeo de polímeros uno de los factores económicos más relevantes en el proceso tiene que ver con el alto costo de las resinas que se utilizan. Con respecto al proceso con polvos es de mayor relevancia económica los procesos posteriores a la inyección como son la extracción del ligante y el sinterizado, procesos que no se encuentran en el proceso de inyección de polímeros. Esto causa una gran diferencia entre los estados económicos entre los dos procesos de inyección. Otro punto relevante entre las dos tiene que ver con las propiedades que se tienen en los materiales base. Los metales así como los cerámicos poseen una densidad mucho mayor que los polímeros, además poseen propiedades térmicas, eléctricas, magnéticas, mecánicas y hasta de corrosión que son completamente diferentes a las de los polímeros. Esto lleva a tener elementos en el procesamiento de polvos con mejores características de dureza y desgaste, y con diferentes niveles térmicos que las utilizadas en los polímeros, para tener características similares de cantidad de procesamiento en los dos procesos de inyección. Los dos procesos comparten muchos factores entre los dos, en si en los dos procesos se utiliza la misma máquina de moldeo, los mismos conceptos de diseño de molde y hasta las mis mas practicas de moldeo. Pero las propiedades ingenieriles que se pueden. 36.

(37) alcanzar con el procesamiento de polvos por inyección se encuentran fuera del alcance para los polímeros contemporáneos (Ref. [1]).. 3.3.6. Modelos para simulación del proceso de inyección. Existen en forma general tres formas con las que normalmente se realizan modelos sobre el comportamiento del material base durante el proceso de moldeo de polvos por inyección. Estas tres formas son por mecánica media granular, modelos para la inyección de polímeros y el modelo bifásico. Todos estos sistemas basan el proceso de modelamiento mediante elementos finitos. Para el proceso de inyección como tal los modelos se basan en tres puntos importantes. Uno es en el llenado del molde, este punto es de gran relevancia a la hora de realizar diseños, además de ser el más complicado de predecir para los diseñadores de moldes. La información que se obtiene en este punto es completamente dependiente de la información de entrada debido a que no se puede observar bien lo que realmente esta sucediendo dentro del molde mientras el flujo. El otro punto importante es la solidificación, este es el proceso mas demorado dentro del ciclo de moldeo y un ahorro de tiempo durante esto aumenta de manera significativa la cantidad de producción. Este tipo de programas se basan en un análisis térmico en la que se mide la relación tiempo contra temperatura para establecer el punto preciso de apertura del molde y extracción del elemento. Otro tipo de programas para la simulación del moldeo por inyección son programas denominados paquetes para la ayuda de diseño, estos programas ayudar a escoger el tipo de tecnología que se debe utilizar durante el proceso. Tomando como base materiales y forma de los elementos a inyectar entrega que tipo de herramientas y de maquinaria se debe utilizar. (Ref. [31]). 37.

(38) •. Mecánica granular media. Este sistema de modelo se basa en el conocimiento y modelamiento de cada granulo de polvo que se encuentra dentro del material base. Este tipo de modelo es muy acertado pero a niveles industriales se tienen muchas complicaciones para realizar este tipo de modelos debido a la alta cantidad de elementos que se utilizan y de la cantidad de formas que se pueden encontrar en polvos irregulares. La base para realizar este proceso es que cada grano tiene movimientos independientes los cuales se basan en la mecánica clásica de cuerpos rígidos. El arreglo de granos se mantiene mediante fuerzas y se realiza el modelo tomando como base la interacción entre cada par de granos. Debido a que cada grano se simula como un cuerpo rígido, todo el sistema se describe mediante la asignación a cada grano y en cada tiempo de la posición del centro de masa y de la orientación. (Ref. [21]).. Figura 14. Sistemas de las fuerzas externas a las que se tienen un par de granos teniendo en cuenta gravedad e interacción con otros granos y con una superficie. Se muestra un grano interno (λ) y uno externo (Φ) en una organización granular. (Fig. 3 Ref. [21]). En la figura 14 se muestra la forma en que se simulan las fuerzas externas a las que se ven sujetas cada grano dependiendo de la posición en la que se encuentra dentro del arreglo. Aunque la anterior figura pertenece a una simulación donde el material granular se encuentra en un estado de quietud, la información que se tiene en este estado es útil también para expresar el sistema cuando se tiene un comportamiento de fluidez (Ref. [9]). Para realizar este tipo de programas se deberían utilizar programas matemáticos de programación como MATLAB o Pascal, debido a que aun no existen programas especializados con este tipo de modelos.. 38.

(39) •. Modelo general del proceso de inyección. Existe otro tipo de modelaje el cual se basa principalmente en los modelos que se utilizan para la inyección de polímeros. Para esto se toma el material base como un material homogéneo con densidad iguales en todos los puntos del mismo. Para realizar el modelaje con este tipo se tiene en cuenta que el material base dentro del proceso de inyección de polvos se comporta como un material no-newtoniano, y la viscosidad del material base se toma mediante algún proceso reologico o mediante alguno de los aproximadamente 100 métodos que existen para modelar la viscosidad del material base para inyección de polvos (Ref. [12]). Con respecto al modelo del material base, este se toma como un solo fluido no newtoniano, con densidades homogéneas en todo el material, y que cumple con las propiedades de fluidos de conservación de masa y de momento. Para realizar este tipo de modelos se podrían utilizar programas ya establecidos para la simulación del proceso de inyección de polímeros, con la condición de entregarle al programa las características de procesamiento del material base, como si fuera un solo material. Con respecto a este tipo de programas uno de los más conocidos programas de simulación es el melt flow, y aunque es un ejemplo de este tipo de programas, los demás poseen de alguna u otra manera las mismas características. Normalmente este tipo de programas se dividen en diferentes módulos, dependiendo del momento en el cual se vaya a realizar la simulación durante el ciclo. (Ref. [31]) Este modelo se utiliza con el objetivo de evaluar los estados a los que va a estar a consideración la máquina, las herramientas y el material base, como son temperaturas y presiones, y se utiliza mayormente a nivel industrial con el objetivo de optimizar el proceso con respecto a tiempos y tecnología. Aunque para nuestro proyecto este tipo de programas tienen un gran inconveniente y es que no se puede simular la segregación del polvo en el material base situación que restringe y que le quita exactitud a la simulación que se obtiene con polvos (Ref. [7]).. 39.

(40) •. Modelo bifásico.. El modelo bifásico el cual se basa en la teoría de mezcla consiste en modelar el material base como la interacción de dos fases, una sólida y otra líquida, que fluyen de manera conjunta. En este sentido el ligante se denomina como la fase líquida y el polvo metálico como la fase sólida.. La interacción de las dos fases es obtenida con base en el. intercambio de momento entre las dos. Y mediante la conservación de masa se obtiene la densidad de cada fase dentro de la mezcla y como resultado de esto se tiene el efecto de la segregación (Ref. [7]). Esto es de gran utilidad para poder caracterizar el material dentro del moldeo por inyección. Los resultados según los estudios que se realizaron en la referencia [7] fueron muy acertados con respecto a las situaciones que se obtuvieron de manera empírica, lo que implica la utilidad de este tipo de procesos teóricos y la ayuda que nos podría entregar dentro de los objetivos de la universidad. Para realizar este tipo de programas, primero se establecen las relaciones de interacción entre las dos fases, por medio de ecuaciones de conservación de masa y conservación de momento con base en la teoría de mezcla. Luego se establecen las propiedades reológicas de los materiales con alguno de los modelos que existen para esto. Y por último se establece una ecuación para modelar el llenado del molde. Luego estas ecuaciones se programan mediante elementos finitos, para realizar modelos gráficos de la segregación del material. Un trabajo realizado con este tipo de programas se puede ver en la figura 15, donde se llena un molde de 4 cavidades y se puede ver como ocurre la segregación con diferentes estados de llenado. (Ref. [7]) Este tipo de programas se tienen que realizar mediante un programador, el cual permita trabajar con elementos finitos. Ya que al igual que los programas de mecánica media granular aun no hay ningún software especializado que realice la simulación de este tipo de programas.. 40.

(41) Figura 15. Ejemplo práctico y teórico del modelaje del proceso de inyección mediante el modelo bifásico, y en el cual se puede ver la simulación de la segregación del polvo durante el ciclo de inyectado. (Ref. [7]). 41.