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Moldeo por Inyección de Metal: La Fuerza del Acero junto a la Fluidez del PlásticoMetal Actual

Anualmente esta tecnología ha crecido a tasas superiores del 50 por ciento.

La tecnología MIM, es un novedoso método de conformación que combina la flexibilidad y alta productividad de la inyección de termoplásticos con las altas prestaciones mecánicas de las piezas metálicas.

A lo largo de las últimas décadas, los ingenieros espe-cializados en el desarrollo de nuevos materiales han in-tentado obtener un metal ideal que pueda moldearse en formas complejas con la misma facilidad y bajo costo que el plástico, pero sin sacrificar la resistencia y durabi-lidad de las aleaciones metálicas. La intención es combi-nar las virtudes de ambos materiales para producir pie-zas complejas en grandes volúmenes.

Los primeros desarrollos para lograr este objetivo, basa-dos en el moldeo por inyección de polvos para la fabri-cación de piezas poliméricas, se realizaron en los años

Foto: www.plasticsportal.net

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veinte con una variante aplicada a la inyección de metales denominada MIM (“Metal Injection Molding”); inicialmente, la técnica era poco práctica por su complejidad y altos costos. Al final de 1950 se fabricaron algunos componentes de carburos y cerámicos, utilizando como ligantes resinas epoxicas, ceras o celulosa, pero las producciones eran todavía muy pequeñas.

En 1979 la empresa Parmatech, en California (Estados Unidos), imple-mentó la primera aplicación indus-trial de MIM y a partir de esta fecha, empezó a conocerse debido a su aplicación en la fabricación de pie-zas para aviones y cohetes.

Pese a lo novedoso del proceso, la di-versidad de empresas que se han lanza-do a este tipo de producción mundial- mente se ha multiplicado de forma ex-cepcional; desde 1980 la tasa de creci-miento del MIM ha sido aproximada-mente de 50 por ciento cada año. En 1995, el moldeo por inyección de me-tales producía alrededor de US$300 millones a nivel mundial con cerca del 30 por ciento de la producción dedica-da a cerámicos, 10 por ciento a carbu-ros y 60 porciento a metales.

Hoy por hoy, el moldeo por inyec-ción de metales se ha convertido en una tecnología que ha avanzado de manera considerable y es sumamen-te interesante, a nivel mundial, para la construcción de piezas en diversos sectores.

El proceso MIM es rentable económi-camente hasta piezas entre 150 y 200

gramos y en algunas ocasiones hasta 300 (debido al alto costo feestock).

Características del MIMBásicamente, el proceso implica va-rias etapas, la primera consiste en elegir polvos metálicos (aceros de baja aleación, aceros inoxidables, aceros resistentes al calor, aceros ex-tradulces para aplicaciones magnéti-cas, cobre, níquel, molibdeno, entre otros) o polvos cerámicos (alúmina, carburo de tungsteno y carburo de titanio) y mezclarlos con polímeros o resinas acrílicas termoplásticas como ligantes con el objetivo de obtener una mezcla homogénea denomina-da “feedstock”. A continuación, se describen los pasos del proceso.

a. Selección de polvos y ligantes: La elección de los ingredientes depen-de de las propiedades finales que se quieran conseguir, el tipo de ma-nufactura que se le vaya a realizar a la pieza, de la complejidad de la misma, la precisión que se quiera alcanzar y, por supuesto, el costo de producción; por lo que los fa-bricantes eligen cuidadosamente el tamaño y forma de la partícula correcta. Las piezas fabricadas me-diante moldeo por inyección de metal se pueden someter a trata-mientos posteriores

En el caso del moldeo por inyec-ción de metales, se considera que el polvo metálico debe poseer: un tamaño de partícula inferior a 20 µm, una densidad de polvo vibra-do al menos del 50 por ciento de la teórica y forma esférica.

Entre los materiales metálicos que se pueden inyectar están: el acero inoxidable 17-4 PH (sinterizado); acero inoxidable 17-4 PH (H900); acero inoxidable AISI 316L; acero inoxidable AISI 304L; cobre de alta pureza; cromo; cobalto y su alea-ciones; metal pesado de tungsteno (W-Ni-Fe); aleación F15 (Kovar); CuMo (85Cu15Mo); Ti6Al4V; Ti6Al-7Nb y diversas aleaciones de alumi-nio (serie 6xxx y 7xxx).

El aglomerante o ligante es el com-ponente sacrificado en el moldeo por inyección, aunque es de vital importancia tanto a la hora del moldeo como en el momento de su eliminación. Es el medio utili-zado para mantener las partículas de metal unidas y obtener la forma deseada.

La selección de los ingredientes poliméricos, se realiza no sólo por su viscosidad, contracción en el en-friamiento o compatibilidad inter-facial, sino también por la posible contaminación que pueda sufrir el material final durante el proceso. La mayoría de los aglomerantes utilizados son multicomponentes ya que es más fácil la eliminación escalonada de ellos. La cantidad de

El proceso MIM utiliza equipos y técnicas similares a las utilizadas en inyección de plástico.

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La primera etapa implica la mezcla de metal en polvo fino con un aglutinante de cera / polímero. Las partículas de polvo de metal utilizadas para el MIM son mucho más finas y más esféricas que las utilizadas para el proceso convencional de metal sinterizado.

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ligante que se emplea varía entre 15 y 50 por ciento del volumen to-tal, dependiendo de las caracterís-ticas del polvo metálico (tamaño, forma y distribución de partículas) y del tipo de aglomerante.

Además, del componente principal (polímero termoplástico), la mez-cla puede contener aditivos para controlar la lubricación, la viscosi-dad y la adhesión del ligante a las partículas metálicas.

b. Mezcla o Feedstock: La mezcla es la primera etapa en la preparación del feedstock para que pueda ser moldeado por inyección; este pro-ceso se lleva a cabo en mezclado-res que pueden alcanzar elevados esfuerzos de corte y que trabajan de forma continua (extrusoras de doble husillo) o discontinua (ama-sadoras de paletas). Al integrar polvos metálicos con partículas lu-bricantes y plastificantes, éstos ac-túan como conductores de la carga metálica y permiten dar fluidez al conjunto de la mezcla para posibi-litar su inyección en moldes y obte-ner la forma de la pieza.

c. Inyección: En esta etapa se utilizan máquinas de inyección convencio-nales de plásticos, en las que la guía

y tornillo se han sometido previa-mente a un tratamiento de endu-recimiento para evitar el desgaste, la pieza obtenida se denomina ‘ver-de’ y puede ser tan compleja como el diseño del molde lo permita. El feedstock presenta un comporta-miento reológico y térmico diferen-te al de un polímero convencional, por lo que se consideran, durante el proceso, otros factores a la hora de optimizarlo; entre las principa-les diferencias se destacan:

• La viscosidad de la mezcla suele ser diferente a la del polímero utilizado como ligante, debido a las cargas que se introducen, por lo que el estudio reológico es de gran importancia.

• La conductividad térmica de la carga es muy superior.

• La alta densidad de los metales, en comparación con la densidad del sistema ligante, hace que las cargas sean muy sensibles a las fuerzas gravitacionales y centrífugas.

Estas diferencias, hacen que el pro-ceso de inyección necesite de una optimización en todos sus paráme-tros (presión, temperaturas en las distintas etapas, entre otras).

d. Extracción de aglomerante o de-binding: Después de la inyección, es necesario extraer los aditivos cuidadosamente, sin provocar de-fectos o agrietamientos; a este pro-ceso de extracción de aglomeran-tes se le denomina desbanderizado o ‘debinding’, y para ello existen diferentes técnicas; puede realizar-se paulatinamente, o utilizar una única vía de eliminación, depende siempre del sistema ligante.

Al final de la extracción se obtiene una pieza llamada ‘marrón’, la cual queda formada por el polvo metá-lico y un mínimo de componente polimérico, sin perder la geometría conformada en la inyección.

Los sistemas de extracción más usua-les (no excluyentes entre sí), son:

• Extracción por disolventes (agua, acetona, tolueno).

• Extracción térmica: Mediante el aumento de temperatura de la pieza se provoca la degradación del polímero y su eliminación; es conveniente controlar las condiciones del proceso para no causar defectos en la pieza y se conocer correctamente la com-posición del aglomerante, pues, si éste está formado por varios componentes, la fusión, descom-posición y evaporación deben realizarse a la temperatura ade-cuada para cada componente.

• Extracción catalítica: Un cataliza-dor gaseoso hidroliza en sus mo-nómeros al ligante, la extracción se realiza en reactores especiales en los que se introduce un flujo de gas y de ácido controlado, y a la salida se combinan los pro-ductos de reacción con oxígeno y un gas de combustión para pro-ducir el quemado de los gases, lo que proporciona un gas de salida limpio.

• Wick debinding: Consiste en eli-minar, por capilaridad, el ligan-te mediante un material poroso puesto en contacto con el com-pacto en verde.

La optimización de esta etapa es fundamental para que en la sinterización no existan restos de ligante que puedan afectar al proceso y a las propiedades del

Después de la mezcla, el material MIM se transforma en pellets listos para su uso en una máquina de moldeo por inyección. Los pellets se cargan en la máquina la máquina y el material se inyecta a presión en un molde.

Foto: www.metalinjection.co.uk


material, en el caso de aceros inoxidables, la elimina-ción total de ligante es crítica, ya que cualquier restos de carbonos dentro del acero inoxidable puede pro-vocar la sensibilización del acero durante la sinteriza-ción; por el contrario, en el caso de los aceros rápidos, incluso puede ser beneficioso la presencia de carbono extra para activar la sinterización.

e. Sinterizado: Finalmente, la pieza es consolidada y en-durecida, mediante un proceso térmico de sinterizado que determina las dimensiones y características finales. El sinterizado consiste en un calentamiento en horno con atmósfera controlada a una temperatura que no ex-cede el punto de fusión del material utilizado, debido a que es imprescindible evitar la oxidación del metal, se utilizan atmósferas reductoras bien de nitrógeno, hi-drógeno, argón o amoníaco disociado, e incluso vacío, depende del metal a sinterizar.

El objetivo del sinterizado es dar a la pieza la densidad y propiedades mecánicas finales además de ajustar la composición química. El hecho de que las partículas de partida sean muy finas, hace que la densificación sea muy superior a la obtenida en procesos pulvimetalúrgi-cos convencionales, básicamente gracias a que la densi-dad de partida es muy homogénea la contracción tam-bién lo es, permitiendo tolerancias del 0.1 por ciento.

Las piezas moldeadas se retiran de sus moldes y luego se colocan en bandejas listas para la etapa de eliminación del ligante. Las piezas en su “estado verde” se colocan en un horno para eliminar el aglomerante, lo que deja las piezas en el “estado marrón ‘.

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Así, entonces, dicha tecnología su-pera las limitaciones impuestas por los procesos tradicionales de metal-mecánica, en los que sólo se pueden inyectar metales blandos como el aluminio o el zamac, para fabricar piezas poco complejas. Con el MIM es posible crear piezas de gran com-plejidad, combinaciones de piezas múltiples, elementos y funciones va-riadas dentro de un solo componen-te, con características mejoradas de ensamblaje de productos, miniaturi-zación de componentes mecánicos, reducción de masa y propiedades fí-sicas especialmente adaptadas al uso final previsto.

En general, la tecnología MIM se aplica a la fabricación de compo-nentes metálicos de tamaño peque-ño, geometría compleja y fabricados en series de producción elevadas. Es un proceso multisectorial que pue-de dar servicio a sectores industria-les tan variados como el automotor, electrónico, médico-quirúrgico, bie-nes de equipo, cerrajería y seguri-dad, entre otros. (Ver tabla).

Un Proceso AventajadoEl Moldeado por Inyección de metal ofrece dos ventajas fundamentales cuando se compara con otros proce-sos pulvimetalúrgicos convenciona-les: propiedades físicas mejoradas y mayor flexibilidad de diseño. Espe-cíficamente, los ingenieros pueden diseñar componentes con:

• Propiedades mejoradas: Las tole-rancias que se pueden conseguir mediante el moldeo por inyección de metales se sitúan entre ±0.5 por ciento y se consiguen densi-dades entre 95 y 98 por ciento, con propiedades del material for-jado, excelente resistencia mecá-nica, a la corrosión y propiedades magnéticas.

• Alto nivel en los detalles: Se pue-den fabricar funciones complejas, como colas de milano, curvas, ra-nuras, cavidades, roscas y muescas de gran precisión.

Tabla 1. Aplicaciones del moldeo por inyección de metalÁrea Aplicación Material

AeroespacialComponentes de cohetes, bomba de combustible, cuerpos hidráulicos, turbinas.

Superaleaciones base Ni, aleaciones de titanio.

AutomociónMecanismos de la cerradura, sincronizadores de la transmisión, sensores de airbag y oxígeno del motor

Aceros tratados térmicamente, inoxidables y aleaciones base cobre

Máquinas de oficina Componentes de máquinas de escribir, impresoras, fotocopiadoras.

Aceros Fe-Ni, zirconia, aceros y materiales magnéticos.

Moldeo por colada Núcleos cerámicos para la industria del moldeo por colada. Alúmina, sílica y zirconia

OrdenadoresAccionadores y sujeciones del disco duro, componentes magnéticos, impresoras, conectores, disipadores de calor.

Materiales cerámicos, nitruro de aluminio

Herramientas de corte Herramientas de corte y molienda.

Carburos cementados, cermets, nitruro de silicio, composites de diamante.

DefensaArmas, visores, estabilizadores de misiles y proyectiles, rotores. Pistolas, rifles, armas militares, gatillos.

Aleaciones de wolframio, Aceros tratados térmicamente, alúmina, carburo de boro, diborato de titanio.

Dental Brackets, implantes. Acero inoxidable, alúmina, aleaciones cobalto-cromo, titanio.

Componentes eléctricos y

electrónicos.

Componentes aislantes y de sujeción en aparatos eléctricos, disipador de calor, vástagos, mecanismos de cierre.

Acero inoxidable 316, cobre, alúmina, Kovar, Invar, aluminio, molibdeno, wolframio, bronce.

Herramientas Llaves, destornilladores, tijeras, navajas suizas, alicates.

Aceros de herramientas, aceros tratados térmicamente Fe-1Cr-0.2Mo-0.8Mn.

HogarCortaúñas, copas de café y té, secadores de pelo, cepillos eléctricos, estuches cosméticos, monturas de gafas, cuchillos.

Acero, porcelanas, zirconia, titanio, acero inoxidable.

Componentes

industriales

Hornos, motores, herramientas de corte y perforación, rodamientos, cojinetes, abrasivos.

Zirconia, alúmina-sílica, cermets, carburos cementados, aceros de herramientas, cromo-cobalto.

Instrumentación y sensores

Componentes de medidores de precisión, sensores, componentes de aparatos científicos, sistemas de control de fluidos.

Materiales magnéticos débiles, Fe-2Ni, Fe-3Si, Fe-6Si, Fe-0.4P, Fe-0.6P, Fe-50Ni, Fe-36Co, Fe-50Co, Fe-49Co-2V.

Joyería Llaveros, anillos, relojes, colgantes. Metales preciosos

Medicina Bisturís, herramientas para quirófano, componentes para cirugía, implantes.

Aceros inoxidables, aleaciones de tántalo, Aleaciones base Co, Ti, W, biocerámicas.

Microelectrónica y Optoelectrónica

Microprocesadores con altas prestaciones, disipadores de calor, móviles, ordenadores personales.

Aleaciones ferríticas, cobre-W, cobre-Mo, aleaciones Fe-Ni y Fe-Ni-Co, Invar, Kovar, espinelas

Petrolífera y minasComponentes para perforación, minería y procesado petroquímico, componentes resistentes al desgaste para corte.

Aceros de alta tenacidad a la fractura, carburos cementados

Equipos deportivos Tacos de zapatillas de deporte, golf, dardos.

Titanio, carburo de titanio, wolframio, zirconio, acero inoxidable, cobre-W.

Telecomunicaciones

Componentes vibradores, bisagras y tapas, antenas y componentes de las estaciones de transmisión, teléfonos móviles, PDA.

Wolframio y aleaciones pesadas, cerámicas, acero inoxidable, aleaciones cobre-wolframio.

Relojería Correas, cierres y cajas de reloj. Aceros inoxidables, Ti, carburos cementados, zirconia-Ti


• Optimización de trabajo: La capacidad para brindar componentes sinterizados elimina muchas operaciones secundarias.

• Mayor libertad en el diseño: Ofrece flexibilidad al dise-ñador, ya que el moldeado tiene las propiedades de la inyección de plástico.

• Ensambles reducidos: Presenta una gran capacidad para combinar piezas de acoplamiento en un único compo-nente más complejo.

La etapa final es un tratamiento de alta temperatura de sinterización al vacío, que libera la energía almacenada en la superficie de polvo fino y funde las partículas de metal.

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La selección del polvo es una etapa importante ya que de esto depende las propiedades finales de la pieza.

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• Bajo costo: cuando se fabrican me-diante MIM grandes volúmenes de producción en poco tiempo, el costo es rápidamente amortizado. Además, las piezas suelen tener un alto valor añadido, no hay pérdi-das de material porque puede ser

reutilizado y no hace falta aplicar ninguna operación secundaria.

• Automatización: Es un proceso fácilmente automatizable, aun-que inicialmente requiere de alta inversión.

Gráfico: es.kinetics.com

En Colombia, aún el desarrollo de esta tecnología es incipiente e in-dustrialmente no existe, la gran mayoría de estudios acerca de la in-yección de polvos metálicos han sido desarrollados a nivel académico por, entre otros, grupos de investigación el de Materiales y Manufactura CIPP-CIPEM, de la Universidad de los An-des, que lleva un poco más de cuatro años estudiando la técnica.

Actualmente, el CIPP-CIPEM cuenta con laboratorio y maquinaria ade-cuada para producir aproximada-mente 800 piezas por hora.

Por su parte en América Latina la empresa brasilera Steelinject es una de las pocas compañías que ofrecen piezas y servicios de manufactura con inyección de metales.

De todo lo descrito, se desprende las ventajas que presenta este proceso de fabricación de piezas metálicas a partir de polvos respecto de los principales procesos de conformado existentes en pulvimetalurgia. Sin embargo, probablemente, no ten-dría gran interés la aplicación de la tecnología MIM para fabricar pie-zas relativamente sencillas de metal o cerámica, en especial, cuando se trata de producciones pequeñas, ya que industrialmente el mayor aho-rro se logra al elaborar un alto nú-mero de productos.

Lo cierto es que la tendencia crecien-te de la industria a la miniaturiza-ción, la fabricación de piezas finales con gran valor agregado y el desa-rrollo de productos innovadores y de alto rendimiento, impulsan enorme-mente la tecnología MIM y le abre las puertas a nuevos mercados.

Fuentes

• Jairo Arturo Escobar Gutiérrez. Dr. Ing. Profe-sor Asociado Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes. [email protected]

• Germán Bonilla. Ingeniero mecánico. Ge-rente. Profincol SAS www.profincol.com [email protected]

• www.micromanufacturing.net - es.kinetics.com - www.metalinjection.co.ukFo

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Después de la sinterización las piezas tienen un acabado final y se evitan operaciones adicionales tales como la rectificación o el ajuste.

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