MOLDEO POR INYECCIÓN DE METALES. ESTADO ACTUAL.
1. Introducción.
El moldeo por inyección de polvos, PIM (Powder Injection Moulding) y su variante aplicada a los metales (MIM, "Metal Injection Moulding") constituye una tecnología de conformado de materiales desarrollada en los años veinte y que ha experimentado un gran avance, fundamentalmente, en los últimos quince años (German 1990, Vervoort1996, Gummerson 1989, Alcock 1996, Maryn 1988, German 1997 A, Laag 1989). Se fabrican, vía MIM, componentes para la industria médica, militar, aeroespacial, telecomunicaciones, automoción, etc., con formas complejas, de propiedades mecánicas elevadas y con forma casi final. Se estima que el crecimiento anual de esta tecnología es superior al 50% (German 1991).El moldeo por inyección se utiliza de forma general para la producción de piezas de plástico, pero para conseguir piezas de materiales metálicos o cerámicos es necesario obtener previamente mezclas de estos polvos con polímeros, normalmente, termoplásticos y posteriormente pasar a la etapa de inyección como si se tratara de un plástico. Tras el proceso de obtención de la pieza se procede a la eliminación del ligante polimérico y posteriormente a la sinterización.
2. Descripción del proceso.Para la obtención de piezas por moldeo por inyección de polvos se tienen que seguir las etapas (German 1991, German 1997 B, Mutsuddy 1995, Merhar 1990) que se muestran en la Figura 1: selección del polvo y ligante polimérico, mezcla homogénea del polvo con el ligante, granulado de la mezcla, conformado por inyección en un molde, eliminación del ligante, y sinterización. Posteriormente las piezas obtenidas pueden ser sometidas a operaciones secundarias de acabado.
El moldeo por inyección de polvos, PIM (Powder Injection Moulding) y su variante aplicada a los metales (MIM, "Metal Injection Moulding") constituye una tecnología de conformado de materiales desarrollada en los años veinte y que ha experimentado un gran avance, fundamentalmente, en los últimos quince años (German 1990, Vervoort1996, Gummerson 1989, Alcock 1996, Maryn 1988, German 1997 A, Laag 1989). Se fabrican, vía MIM, componentes para la industria médica, militar, aeroespacial, telecomunicaciones, automoción, etc., con formas complejas, de propiedades mecánicas elevadas y con forma casi final. Se estima que el crecimiento anual de esta tecnología es superior al 50% (German 1991).El moldeo por inyección se utiliza de forma general para la producción de piezas de plástico, pero para conseguir piezas de materiales metálicos o cerámicos es necesario obtener previamente mezclas de estos polvos con polímeros, normalmente, termoplásticos y posteriormente pasar a la etapa de inyección como si se tratara de un plástico. Tras el proceso de obtención de la pieza se procede a la eliminación del ligante polimérico y posteriormente a la sinterización.
2. Descripción del proceso.Para la obtención de piezas por moldeo por inyección de polvos se tienen que seguir las etapas (German 1991, German 1997 B, Mutsuddy 1995, Merhar 1990) que se muestran en la Figura 1: selección del polvo y ligante polimérico, mezcla homogénea del polvo con el ligante, granulado de la mezcla, conformado por inyección en un molde, eliminación del ligante, y sinterización. Posteriormente las piezas obtenidas pueden ser sometidas a operaciones secundarias de acabado.
Figura 1. Esquema general del proceso de moldeo por inyección de polvos
En pulvimetalurgia convencional (P/M) se denomina compacto en verde a la pieza tras la etapa de compactación, mientras que en el proceso MIM, al existir una etapa intermedia de eliminación del ligante, la terminología utilizada es la de compacto en verde para las piezas tras la inyección y compacto en marrón para la piezas tras la eliminación del ligante (debido al color característico que adquieren las piezas después de esta etapa).2.1. Polvos.En lo que se refiere a los polvos de partida hay que tener en cuenta una serie de consideraciones generales (Vervoort 1996, Alcock 1996, German 1991, Merhar 1990, Japka 1991). El moldeo por inyección requiere las siguientes características y propiedades del polvo:•Pequeño tamaño de partícula, normalmente inferiores a 20 µ m.•En principio, una distribución de tamaños de partícula amplia para conseguir un mayor empaquetamiento, pese a dificultar la eliminación del ligante.•No deben aglomerarse.•Ser esféricos.•Deben tener una determinada fricción entre partículas para mantener la forma una vez eliminado el ligante.•Las partículas de polvo no deben contener poros y han de tener una superficie limpia para lograr una buena interacción con el ligante.•No deben ser tóxicos ni pirofóricos.•Bajo coste.• Los polvos para moldeo por inyección son principalmente atomizados en gas, aunque también los hay atomizados en agua. En ambos casos el tamaño de partícula deseado se obtiene por cribado (Nyborg 1998 A, Nyborg 1998 B).La clase más utilizada de materiales para MIM por atomización la constituyen los aceros inoxidables. Este grupo incluye los austeníticos (316L principalmente), así como los ferríticos (13 Cr), los aceros endurecibles por precipitación (17-4 PH) y los resistentes al desgaste.2.2. Ligantes.El ligante es el componente sacrificado en el moldeo por inyección, aunque es crítico tanto a la hora del moldeo como de su eliminación. Es el medio utilizado para mantener las partículas unidas con el fin de obtener la forma deseada. Por ello el ligante no debe condicionar la composición de la pieza final, excepto si se desea que los productos residuales de su eliminación sirvan de aleantes (Várez 2000, Levenfeld 2001). La selección previa se realiza no sólo por su viscosidad, contracción en el enfriamiento, compatibilidad interfacial, sino también por la posible contaminación que pueda sufrir el material final durante el proceso (Sumitomo Ltd 1988).
Tabla 1. Componentes en los ligantes.
En pulvimetalurgia convencional (P/M) se denomina compacto en verde a la pieza tras la etapa de compactación, mientras que en el proceso MIM, al existir una etapa intermedia de eliminación del ligante, la terminología utilizada es la de compacto en verde para las piezas tras la inyección y compacto en marrón para la piezas tras la eliminación del ligante (debido al color característico que adquieren las piezas después de esta etapa).2.1. Polvos.En lo que se refiere a los polvos de partida hay que tener en cuenta una serie de consideraciones generales (Vervoort 1996, Alcock 1996, German 1991, Merhar 1990, Japka 1991). El moldeo por inyección requiere las siguientes características y propiedades del polvo:•Pequeño tamaño de partícula, normalmente inferiores a 20 µ m.•En principio, una distribución de tamaños de partícula amplia para conseguir un mayor empaquetamiento, pese a dificultar la eliminación del ligante.•No deben aglomerarse.•Ser esféricos.•Deben tener una determinada fricción entre partículas para mantener la forma una vez eliminado el ligante.•Las partículas de polvo no deben contener poros y han de tener una superficie limpia para lograr una buena interacción con el ligante.•No deben ser tóxicos ni pirofóricos.•Bajo coste.• Los polvos para moldeo por inyección son principalmente atomizados en gas, aunque también los hay atomizados en agua. En ambos casos el tamaño de partícula deseado se obtiene por cribado (Nyborg 1998 A, Nyborg 1998 B).La clase más utilizada de materiales para MIM por atomización la constituyen los aceros inoxidables. Este grupo incluye los austeníticos (316L principalmente), así como los ferríticos (13 Cr), los aceros endurecibles por precipitación (17-4 PH) y los resistentes al desgaste.2.2. Ligantes.El ligante es el componente sacrificado en el moldeo por inyección, aunque es crítico tanto a la hora del moldeo como de su eliminación. Es el medio utilizado para mantener las partículas unidas con el fin de obtener la forma deseada. Por ello el ligante no debe condicionar la composición de la pieza final, excepto si se desea que los productos residuales de su eliminación sirvan de aleantes (Várez 2000, Levenfeld 2001). La selección previa se realiza no sólo por su viscosidad, contracción en el enfriamiento, compatibilidad interfacial, sino también por la posible contaminación que pueda sufrir el material final durante el proceso (Sumitomo Ltd 1988).
Tabla 1. Componentes en los ligantes.
En la bibliografía aparecen multitud de sistemas ligantes a base polímeros termoplásticos para su utilización en moldeo por inyección de polvos, pero apenas existe bibliografía en la que se hayan utilizado resinas de polímeros termoestables, debido principalmente a la dificultad que presentan estas para el reciclado de piezas defectuosas. Únicamente aparecen cuando el entrecruzamiento del polímero se realiza en una etapa posterior al proceso de inyección (Parker 1998, Walter 1996, Hahn 1996, Hens 1997) o el conformado se realiza por un proceso alternativo a la inyección (Ridgway 1998). La mayoría de los ligantes usados son multicomponentes (Bandyopadhyay 1993, Moller1994, Petzolddt 2000, Trunec 2002, Yimin 1999) ya que es más fácil la eliminación escalonada de ellos. La cantidad de ligante (German 1990, Ruiz-Román 1994, Reddy 1996, Saritas 1998) varía entre el 15 y el 50 % en volumen dependiendo de las características del polvo de partida (tamaño, forma y distribución de partículas) y del tipo de ligante. Normalmente la carga crítica se determina obteniendo la gráfica que se presenta en la Figura 2. La cantidad óptima de polvo varía entre un 2-5% por debajo de la carga crítica (German1997 B, Lograsso 1989).
Figura 2. Densidad frente a fracción de polvo.
2.3. Proceso de mezclaLa obtención de piezas con buenas propiedades requiere comenzar con una mezcla ligante-polvo homogénea. La etapa de mezclado ha sido una práctica poco considerada y recientemente está empezando a ser optimizada. Un tamaño de la granza inadecuado, o una gran cantidad de finos, puede dificultar el proceso de inyección (German 1993).
La medida del esfuerzo cortante, por reología, puede aportar idea de la carga de polvo crítica, así como de la viscosidad en función de la temperatura de la mezcla (Weinand 1998, Nyborg 2000).
Es importante que el polvo y el polímero sean diseñados para producir poco desgaste. Para ello se requieren ligantes con una viscosidad lo suficientemente grande para evitar que se produzca una separación del polvo durante el proceso de moldeo debido a las altas velocidades de deformación que se producen (German 1993).
2.4. Moldeo.
La inyección de las mezclas ligante-polvo puede realizarse a baja y alta presión (Odriozola 1994). En el primer caso se utilizan masas de inyección de gran fluidez a temperaturas inferiores a 100ºC. La mezcla del material en polvo con el sistema ligante se prepara y almacena en la propia máquina. Dicha mezcla se transporta e inyecta a baja presión en el molde donde se solidifica por enfriamiento. Este sistema ofrece la ventaja de la facilidad de preparación de la mezcla y de utilización de masas fluidas fáciles de transportar, sin apenas rozamiento con las paredes de la máquina y del molde. Sin embargo presenta la desventaja de la tendencia a la segregación de los componentes metálicos de los orgánicos, lo cual puede producir distorsiones y deformaciones en las piezas moldeadas en las etapas sucesivas de eliminación y sinterización.Las máquinas con inyección de alta presión trabajan con masas viscosas que impiden dicha segregación, pero que para su introducción en el molde requieren altas presiones (del orden de 100 veces las de baja presión). La consistencia viscosa de la mezcla da lugar a composiciones homogéneas dentro de cada pieza y de una pieza a otra (reproducibilidad). Por otro lado, para poder conseguirlo se requieren máquinas más complicadas (mayor presión), construidas con materiales antidesgaste, costosos y difíciles de mecanizar.Las máquinas de inyección de husillo utilizadas para plásticos pueden emplearse para inyectar metales y cerámicos, siempre que el cilindro y el husillo sean de materiales duros o recubiertos de capas de material duro, capaces de soportar el efecto abrasivo de las partículas que contiene la mezcla. Otra tipo de máquina de inyección a alta presión es de tipo pistón. La masa a inyectar se desplaza mediante un pistón sin los problemas de abrasión que se presentan en el rozamiento con el husillo. Sin embargo, las diferencias de temperatura en la masa y las bolsas de aire que originan defectos en la inyección son debidas al tipo pistón, al no forzarse como en los de tipo husillo el movimiento transversal de la mezcla a lo largo del cilindro de la máquina.2.5. Eliminación del liganteUna vez extraída la pieza moldeada, y eliminados los canales de alimentación, el ligante debe ser eliminado del compacto. Esta es la operación más delicada de todo el proceso.Son varios los procesos descritos en la bibliografía para conseguir la eliminación del ligante: algunos se utilizan por si solos y otros unen varios de los procesos para conseguir una mejor eliminación. Es la etapa más crítica del proceso porque es donde más defectos se pueden producir en el procesado de las muestras. A continuación se describe de forma resumida los principales métodos de eliminación de ligantes.2.5.1. Degradación térmica.Constituye el principal método para la eliminación de los ligantes. La degradación térmica pasa por tres estados básicos (Barone 1990). Durante los primeros estados del calentamiento se produce una expansión térmica del líquido del ligante inducido por la presión hidráulica. Cuando la temperatura aumenta el ligante se va eliminando por efecto de la evaporación desde las superficies. Cuando el nivel de saturación del ligante se ha reducido lo suficiente el líquido remanente en la mezcla asciende hacía la superficie por capilaridad, donde puede evaporarse. El ligante eliminado deja una red de poros interconectados por donde puede continuar la salida del polímero que queda en el interior del compacto, y a su vez puede entrar el gas del exterior. Si la eliminación se produce en atmósfera de aire, las reacciones pueden producirse a través de estos canales (Angermann 1993, Yoon 1993).
Figura 3. Proceso de eliminación térmica del ligante.
Con la eliminación del ligante se pueden producir dos situaciones diferentes: que la eliminación se produzca en la superficie o interfase entre el ligante y la atmósfera, o bien que se produzca en todo el volumen del material. Si ocurre la primera situación va eliminándose progresivamente el ligante por la reacción con la atmósfera. Si por el contrario domina la segunda situación, lo que puede ocurrir es que se produzca la delaminación y formación de fisuras en el interior de las piezas (Hwang 1996 B, Rodrigues 1998). La eliminación térmica puede ayudarse de sistemas con baja presión, es decir sistemas con una bomba de vacío usada para ayudar a evacuar el gas generado de los compactos. La sublimación por vacío de los ligantes está limitada a sistemas con moléculas pequeñas (Hwang 1997), como agua o anilina. La ventaja principal es que normalmente se elimina el ligante mientras se sube hasta la temperatura de sinterización con lo que no es necesario enfriarlos y manipularlos hasta que se termina la sinterización. Las desventajas son que es un proceso relativamente lento, el equipamiento es caro, y puede ocurrir que el polímero funda a temperaturas inferiores a las de reacción de los componentes y pudiendo producirse distorsiones de las piezas (German 1997 A).2.5.2. "Wick debinding" o extracción capilar.Este término se usa cuando la eliminación del ligante polimérico se ayuda de un efecto de capilaridad. Este método se basa en la colocación de las piezas, a las que se les quiere eliminar el ligante, recubiertas de una capa de polvo fino, que no sea reactivo, normalmente alúmina, que extrae el ligante una vez el compacto se ha calentado y el polímero esta líquido. 2.5.3. Extracción con disolventes.La extracción por inmersión en disolventes, por exposición a vapores disolventes o a disolventes condensados (Lin 1989), requiere que alguno de los componentes del ligante sea insoluble en el disolvente y que no se produzca hinchamiento de este.2.5.4. Eliminación supercrítica. Los ligantes basados en ceras pueden ser eliminados supercríticamente. El método consiste en utilizar un fluido por encima del punto crítico. 2.5.5. Eliminación catalítica. Es una combinación de los procesos de eliminación térmica y eliminación con disolventes (Hesse 1996). La reacción depende de la entrada a través de los poros de un vapor que cataliza la reacción (Weinand 1993), y la salida a través de los poros de los productos de la descomposición.
Figura 4. Horno para eliminación catalítica.
2.5.6. Eliminación por plasma.controles Recientemente se ha patentado a nivel mundial un nuevo tipo de eliminación de ligante: "la eliminación por plasma" (Klein 2000). Se realiza a través de un proceso termoquímico en un reactor de plasma (Wenndhausen 2001), usando una descarga eléctrica en un ambiente gaseoso a baja presión, que contiene hidrógeno u otro gas atómico o molecular capaz de producir especies reactivas, lo que aumenta significativamente la cinética de eliminación del ligante. En el caso de usar mezclas de gas con hidrógeno como gas principal, las especies reactivas están constituidas por hidrógeno atómico e hidrógeno molecular con un estado de alta energía potencial.2.6. Sinterización Normalmente, esta es la última etapa del proceso de moldeo por inyección en la cual la pieza adquiere su máxima densidad. La sinterización permite el enlace de las partículas cuando estas se activan por los procesos de difusión a alta temperatura. A escala microscópica este enlace ocurre por formación de cuellos cohesivos en la zona de contacto entre partículas, que van creciendo.En la Figura 5 se muestra la evolución de las uniones entre partículas y de la porosidad, considerando el modelo de partículas esféricas. En un proceso de pulvimetalurgia convencional (P/M) la densidad en verde de los compactos esta próxima al 70% de la densidad teórica, mientras que después de la sinterización se puede alcanzar el 90-92% de la densidad teórica. En algunos procesos, como el PIM, tras el último estado de sinterización es posible obtener densidades superiores al 98% de la densidad teórica. Este hecho es significantemente favorable para los procesos PIM, y más si consideramos que se está partiendo de compactos con densidades del 50% de la teórica.
Figura 5. Diagrama esquemático del cambio de la estructura de poros durante la sinterización (German 1994).
Figura 6. Mecanismos de transporte de masa (Bose 1995).1. Difusión superficial, 2. Fluencia plástica, 3. Difusión en volumen, 4. Difusión a través del límite de partícula / borde de grano, 5. Evaporación y condensación, 6. Difusión adhesión.
Donde D es el coeficiente de difusión, D0 es el factor de frecuencia dependiente del material, Q es la energía de activación, k la constante de Boltzman, y T la temperatura absoluta. En el caso del MIM, la difusión superficial adquiere una especial relevancia debido a la alta porosidad inicial, junto con el pequeño tamaño de partícula utilizado. De todos los mecanismos de transporte de masa, la fluencia plástica quizás sea el menos importante en el caso del MIM, debido a la nula compactación anterior a la sinterización, lo que quiere decir que las tensiones superficiales durante la sinterización son insuficientes para generar nuevas dislocaciones que causen la fluencia plástica.
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