Cepillado, rectificado e impresión láser 3D: cómo se forman las piezas metálicas

Descripción general: rutas de corte, abrasivas y aditivas

Un componente metálico alcanza su geometría final a través de una o más de tres familias de operaciones: corte de un solo punto, acabado abrasivo y conformado basado en aditivos o deformación. El cepillado y el rectificado se encuentran en las dos primeras familias, mientras que la fusión selectiva por láser, la sinterización selectiva por láser, la deposición de energía dirigida, el perfilado, la forja por matriz y los diversos procesos de fundición y trefilado cubren el resto. Cada ruta ofrece una combinación diferente de tolerancia dimensional, rugosidad de la superficie, utilización de material y costo por pieza, por lo que la elección práctica es siempre un equilibrio entre geometría, tamaño de lote y requisitos de inspección. A lo largo de este artículo, los grados de tolerancia siguen la norma ISO 286-1, los parámetros de textura de la superficie siguen la norma ISO 4287 y la terminología de fabricación aditiva sigue la norma ISO/ASTM 52900.

Cepillado: precisión y aplicaciones típicas

El cepillado es un proceso de corte de un solo punto en el que una herramienta de cepillado se desplaza en una trayectoria alternativa recta con respecto a la pieza de trabajo. El material se elimina en la carrera de avance, mientras que la carrera de retorno se aleja de la superficie recién cortada. Debido a que el portaherramientas se transporta sobre un ariete pesado, el proceso tolera cortes interrumpidos, puntos duros y piel fundida o forjada que astillaría una fresa.

Precisión dimensional: IT9 a IT7 según ISO 286-1

Rugosidad de la superficie: Ra 6,3 a 1,6 micrómetros, evaluada según ISO 4287

Muy adecuado para: planos largos y estrechos, guías de máquinas, colas de milano, ranuras en T, bancadas y marcos, trabajos de reparación en superficies desgastadas.

Limitación principal: tasa de eliminación de metal más baja que el fresado frontal cuando se debe producir en volumen una superficie plana ancha

Rectificado: acabado de precisión con abrasivo aglomerado

El esmerilado elimina el material con abrasivo adherido o recubierto en lugar de con un filo definido. Los granos abrasivos actúan como miles de pequeños puntos de corte, cada uno de los cuales elimina una viruta de sólo unos pocos micrómetros, por lo que el rectificado suele ser la última operación de una pieza y define la tolerancia y el acabado finales. Las especificaciones de la rueda, el tipo de unión y la estrategia de rectificado se seleccionan de las familias de productos abrasivos aglomerados descritas en la norma ISO 603, y el comportamiento de la vida útil de la herramienta se evalúa comúnmente siguiendo la metodología ISO 3685.

Rectificado superficial y de avance lento: caras planas, ranuras, correderas de máquina

Rectificado cilíndrico y sin centros: ejes, pasadores, casquillos, barras

Precisión típica: IT6 a IT5 con Ra 0,8 a 0,1 micrómetros

Riesgos a controlar: quemaduras por rectificado, tensión residual de tracción y una capa blanca retemplada en los aceros endurecidos, todo lo cual reduce la vida útil a la fatiga si no se controlan la profundidad de corte y el suministro de refrigerante.

Fusión de lecho de polvo láser: SLM y SLS

En la fusión de lecho de polvo, se extiende una fina capa de polvo metálico sobre una plataforma de construcción y un rayo láser controlado por computadora escanea la sección transversal que pertenece a esa capa, de modo que la pieza crece capa por capa dentro de una cámara sellada llena de gas inerte. La fusión por láser selectiva utiliza una fuente de láser de fibra de alta potencia, que normalmente emite a 1064 nanómetros con una potencia de 200 a 400 vatios y suficiente densidad de energía para fundir el polvo por completo, produciendo piezas con una densidad relativa superior al 99 por ciento. La sinterización selectiva por láser aplica una menor densidad de energía, por lo que las partículas de polvo se unen en sus puntos de contacto en lugar de fundirse por completo; El proceso se comercializó por primera vez con cera y polvos de polímeros, y la sinterización de metales y cerámicas sigue siendo un área de desarrollo activo.

Deposición de energía dirigida y reparación local

La deposición de energía dirigida es conceptualmente cercana a la extrusión de material basada en fusión, excepto que el medio extruido es polvo metálico o alambre. Una boquilla suministra la materia prima a un charco de fusión creado por un láser o un arco eléctrico, y un gas protector protege el charco de la oxidación. Debido a que el depósito se construye sobre una superficie abierta en lugar de dentro de una caja de polvo, el tamaño de la pieza no está limitado por una cámara de construcción, por lo que se pueden producir grandes volúmenes y los daños localizados en piezas de precisión costosas, como muñones de eje desgastados o caras de sellado dañadas, pueden reconstruirse en lugar de desecharse. Las tasas de deposición son mucho más altas que en la fusión en lecho de polvo, mientras que el acabado de la superficie depositada y la resolución de las características son más gruesos, por lo que normalmente se requiere un corte de acabado.

Perfilado, forjado y prensado

El perfilado pasa una tira o lámina a través de un tren de rodillos contorneados. Cada soporte deforma la sección un poco más y la secuencia de rodillos se diseña de manera que el metal alcance el perfil requerido sin pandeo local. Un perfil complejo puede necesitar hasta treinta y seis soportes, mientras que un canal o ángulo simple suele producirse en tres o cuatro soportes. Las tolerancias para secciones de acero conformadas en frío se definen en la norma EN 10162.

La forja con troquel deforma un tocho calentado entre troqueles de impresión cerrados, por lo que el metal llena la cavidad y el excedente escapa en forma de relámpago. El flujo de grano resultante sigue el contorno de la pieza, lo que proporciona un mejor rendimiento ante la fatiga que una pieza mecanizada a partir de una barra, y las tolerancias dimensionales y los márgenes de mecanizado para piezas forjadas de acero se especifican en GB/T 12362. El estampado aplica una prensa y una matriz a láminas, tiras, tubos o perfiles para que el material se deforme plásticamente o se separe, produciendo piezas a un alto ritmo para aplicaciones automotrices, de electrodomésticos y de gabinetes.

Rutas de fundición, embutición y moldeado

La fundición centrífuga vierte metal líquido en un molde que gira rápidamente, de modo que la fuerza centrífuga presiona el metal contra la pared del molde; La técnica se adapta a piezas cilíndricas como tuberías, casquillos y rodillos, y los moldes pueden ser de arena, carcasa, revestimiento, metal o metal recubierto, según la aleación y el tamaño del lote.

La fundición a la cera perdida forma un conjunto de patrones de cera o espuma, lo recubre con lechada refractaria, lo incrusta en arena vibratoria y lo vierte bajo presión negativa para que el patrón se gasifique y el metal ocupe su lugar; no hay línea divisoria ni núcleo, por lo que se eliminan en gran medida las rebabas y las corrientes de aire. Las tolerancias de fundición siguen la norma ISO 8062-3.

La fundición por compresión, también llamada forja con matriz líquida, llena una matriz abierta con una aleación fundida o semisólida, cierra la matriz para formar la forma y luego aplica alta presión para que la carcasa parcialmente solidificada se deforme plásticamente y el líquido restante se solidifique bajo presión; En la variante indirecta, el metal se inyecta en una cavidad cerrada mediante un punzón.

La colada continua vierte metal líquido a través de un molde enfriado por agua en un extremo y retira la hebra solidificada en el otro, dando una sección transversal constante para su posterior laminado o estirado.

El estirado en frío empuja un tocho a través de un orificio de troquel para reducir y dar forma a la sección a temperatura ambiente, lo que aumenta la resistencia y mejora el acabado de la superficie y la consistencia dimensional.

El moldeo por inyección de metal mezcla un polvo metálico fino con un aglutinante polimérico, moldea la materia prima hasta darle una forma casi neta y luego despega y sinteriza la pieza; Las especificaciones de materiales están cubiertas por la norma ISO 22068, y la ruta es económica para piezas pequeñas, complejas y de gran volumen que serían costosas de mecanizar.

El torneado hace girar la pieza de trabajo contra una herramienta de un solo punto, por lo que la energía de corte es suministrada principalmente por la pieza de trabajo; Los tornos manejan ejes, discos y anillos, y la vida útil de la herramienta se evalúa comúnmente según la norma ISO 3685.

Comparación de procesos en tolerancia, acabado y volumen

La lógica de selección se deriva directamente de la tabla. Utilice el cepillado y el esmerilado cuando la planitud y el acabado sean más importantes que el tiempo del ciclo; utilice la fusión de lecho de polvo por láser cuando se requieran canales internos, celosías o pequeños lotes de formas complejas; utilizar deposición de energía dirigida para reparaciones y para volúmenes muy grandes construidos de forma aditiva; y utilizar laminado, forjado, estampado o fundición cuando la cantidad anual justifique el utillaje. Una pieza en bruto casi neta seguida de un rectificado de acabado suele ser más barato que mecanizar toda la geometría a partir de una barra sólida.

Preguntas frecuentes

P: ¿Qué precisión se puede lograr al cepillar en superficies planas?
El cepillado normalmente mantiene IT9 a IT7 y deja una rugosidad superficial entre Ra 6,3 y 1,6 micrómetros, adecuada para carriles-guía y bancadas pero no para caras de sellado que requieren un acabado fino.

P: ¿Por qué se utiliza la molienda después del tratamiento térmico?
El acero endurecido no se puede cortar de manera efectiva con una herramienta de borde definido, pero los granos abrasivos aún eliminan material, por lo que el esmerilado restaura la precisión dimensional y el acabado después del endurecimiento, siempre que la profundidad de corte y el flujo de refrigerante se controlen para evitar quemaduras y tensiones residuales de tracción.

P: ¿Cuál es la diferencia entre la fusión selectiva por láser y la sinterización selectiva por láser?
La fusión proporciona suficiente densidad de energía para licuar el polvo por completo y alcanza una densidad relativa superior al 99 por ciento, mientras que la sinterización solo une las partículas en sus puntos de contacto, por lo que las piezas sinterizadas conservan más porosidad y menores propiedades mecánicas.

P: ¿Qué láser se utiliza en la fusión de lechos de polvo metálico?
Las máquinas metálicas modernas utilizan láseres de fibra que emiten a unos 1.064 nanómetros con potencias de aproximadamente 200 a 400 vatios, o más en sistemas multiláser, en lugar de las fuentes de dióxido de carbono utilizadas para los polímeros.

P: ¿Cuántos soportes de laminación se necesitan para una sección formada?
Un perfil simple, como un canal, puede formarse en tres o cuatro soportes, mientras que una forma compleja con retornos y refuerzos puede requerir hasta treinta y seis soportes en el tren de perfilado.

P: ¿Puede la deposición de energía dirigida reparar piezas de precisión desgastadas?
Sí. Debido a que el depósito está construido sobre una superficie abierta sin límite de tamaño de la cámara de polvo, los daños localizados en los muñones, los asientos y las caras de sellado pueden reconstruirse al tamaño adecuado y luego terminarse mediante esmerilado.

P: ¿Cuándo supera el moldeo por inyección de metal al mecanizado?
Cuando se necesita una pieza pequeña y geométricamente compleja en gran volumen y sus características requerirían muchas operaciones de mecanizado; la materia prima moldeada se despega y sinteriza hasta obtener una forma densa, casi neta, por lo que el mecanizado se limita a las caras críticas.