DESCRIPCIN DEL PROCESO6.2.1. Aspectos generalesEl proceso MIM es una tecnologa innovadora que permite la fabricacin de piezas de geometra compleja de pequeo y mediano tamao en una amplia variedad de materiales. Esta tecnologa combina la complejidad geomtrica posible gracias al moldeo por inyeccin de plsticos con las prestaciones mecnicas de las aleaciones metlicas; abarca las mejores prcticas del moldeo por inyeccin y la pulvimetalurgia. Adems, puesto que se han eliminado las operaciones de mecanizado, cabe destacar la ventaja econmica asociada. Las piezas pueden ser producidas en una amplia variedad de metales (aceros de baja aleacin, aceros inoxidables, aceros resistentes al calor, aceros extradulces para aplicaciones magnticas, etc.) y se pueden someter a tratamientos posteriores.

El fundamento de esta tecnologa, cuyas diferentes etapas se esquematizan en la Figura 6.2, consiste en mezclar los polvos metlicos con partculas lubricantes y plastificantes que actan como conductores de la carga metlica y permiten dar fluidez al conjunto de la mezcla para posibilitar su inyeccin en moldes y obtener la forma de la pieza.

La pieza obtenida denominada verde puede tener tanta complejidad como el diseo del molde lo permita. Despus de la inyeccin, hay que extraer los aditivos cuidadosamente, sin provocar defectos o agrietamientos. A este proceso de extraccin de aglomerantes se le denomina desbanderizado. Existen diferentes tcnicas de extraccin de aglomerantes. Al final de este proceso la pieza obtenida se denomina marrn, quedando formada por el polvo metlico y un mnimo de componente de ceras, manteniendo la geometra conformada en la inyeccin.

A continuacin, la pieza debe ser consolidada y endurecida, mediante un proceso trmico de sinterizado que determina las dimensiones y caractersticas finales, sufriendo las piezas una contraccin previamente determinada.

Las tolerancias que se pueden conseguir mediante este proceso se sitan entre 0.5% con unas densidades finales comprendidas entre el 95 y 98% de su terica, lo que permite una mejor aplicacin de los tratamientos trmicos y recubrimientos.

Figura 6.2:. Esquema general del proceso PIM

Esencialmente, el proceso consta de las siguientes etapas: Mezclado de los polvos cermicos o metlicos con un sistema ligante para formar lo que se denomina feedstock. Granulado del feedstock para poder alimentar la mquina de inyeccin. Inyeccin en una mquina de inyeccin de plsticos convencional Eliminacin del ligante (por va qumica, cataltica o trmica). SinterizacinPor tanto, en un proceso PIM los factores ms importantes a estudiar y optimizar son: Componentes del feedstock: polvo base y sistema ligante. Mezcla y reologa de la mezcla. Proceso de moldeo por inyeccin. Proceso de eliminacin del ligante. Proceso de sinterizacin.

6.2.2. Componentes del feedstockEn el caso del moldeo por inyeccin de metales, existe un alto grado de acuerdo sobre las caractersticas ideales que ha de poseer el polvo metlico: un tamao de partcula inferior a las 20 m, una densidad de polvo vibrado al menos del 50% de la terica y forma esfrica [63]. En general, la mayora de los metales que puedan ser atomizables pueden ser procesados mediante la tcnica del MIM. El aluminio es una excepcin ya que crea una capa de xido que dificulta su atomizacin. La lista de metales que pueden ser utilizados incluye a la mayora de metales y sus aleaciones (aceros comunes y de baja aleacin, aceros rpidos, aceros inoxidables, superaleaciones, intermetlicos, aleaciones magnticas, metales duros,...).

El aglomerante o ligante es el componente sacrificado en el moldeo por inyeccin, aunque es crtico tanto a la hora del moldeo como en el momento de su eliminacin. Es el medio utilizado para mantener las partculas unidas con el fin de obtener la forma deseada. Por ello, el ligante no debe condicionar la composicin de la pieza final, excepto si se desea que los productos residuales de su eliminacin sirvan de aleantes.

La seleccin previa se realiza no slo por su viscosidad, contraccin en el enfriamiento o compatibilidad interfacial, sino tambin por la posible contaminacin que pueda sufrir el material final durante el proceso. La mayora de los aglomerantes utilizados son multicomponentes ya que es mas fcil la eliminacin escalonada de ellos.

La cantidad de ligante vara entre el 15 y el 50% en volumen dependiendo de las caractersticas del polvo de partida (tamao, forma y distribucin de partculas) y del tipo de aglomerante. Normalmente la carga crtica se determina obteniendo la grfica que se presenta en la Figura 6.3. La cantidad optima de polvo vara entre un 2-5% por debajo de la carga crtica.

La caracterizacin del sistema ligante es algo ms compleja, al estar formado habitualmente por distintos componentes. El xito de este mtodo de procesado est condicionado por la utilizacin de un ligante adecuado. La gran parte de las patentes aparecidas sobre el proceso PIM se refieren a la composicin de los ligantes y a las tcnicas para su eliminacin [58].

Se han utilizado muchos sistemas ligantes en el proceso industrial de moldeo por inyeccin. En general, se pueden clasificar en cinco tipos, en los que la mayor parte son sistemas polimricos: sistemas termoplsticos, sistemas termoestables, sistemas basados en agua, sistemas que contienen geles y sistemas inorgnicos.

Figura 6.3: Densidad de la mezcla frente a fraccin en polvo

Desde el punto de vista de la produccin industrial, los sistemas termoplsticos son los que ms se han utilizado incluyendo en estos sistemas la mayora de los polmeros comerciales, como polietileno, poliestireno, polipropileno... Adems del componente principal (polmero termoplstico) el sistema puede contener aditivos para controlar la lubricacin, la viscosidad, la adhesin del ligante a las partculas de polvo y la eliminacin del ligante. Existen gran cantidad de patentes en las que se describe la utilizacin de este tipo de ligantes. En este sentido podemos destacar las siguientes: J. Huggins et al. [64] describen de forma general la utilizacin de ligantes termoplsticos para el moldeo de polvos cermicos; K. Menke et al. [68] describen la utilizacin de mezclas de dos polmeros termoplsticos (Poli-alcohol vinlico y Polietiln glicol) como ligante para moldeo por inyeccin de polvos metlicos y cermicos y K.F. Hens et al. [65] describen un sistema ligante con dos componentes, uno de ellos soluble en agua y el otro insoluble. La eliminacin del ligante en este caso se hace en dos etapas; en primer lugar se elimina por disolucin en agua el primer componente y seguidamente se elimina el componente insoluble.

El empleo de sistemas termoestables se ha desarrollado poco debido fundamentalmente a que se necesitan tiempos relativamente largos para su completa polimerizacin, lo que implicara una baja cadencia en el proceso de inyeccin. Por el contrario, estos sistemas tienen como ventaja que las piezas en verde presentan una elevada resistencia mecnica debido al entrecruzamiento caracterstico de las resinas termoestables y pueden realizarse mecanizados previos antes de ser sinterizados.6.2.3. Mezcla y reologa de la mezcla

El mezclado es la primera etapa en la preparacin del feedstock para que pueda ser moldeado por inyeccin. El proceso industrial se lleva a cabo en mezcladores que pueden alcanzar elevados esfuerzos de cizalla y que pueden trabajar de forma continua (extrusoras de doble husillo) o discontinua (amasadoras de paletas) Es importante controlar la homogeneidad de la mezcla, por lo que es muy til poder registrar el par de torsin generado durante el proceso de mezcla. Para ello, se recomienda la utilizacin de mezcladores capaces de medirlo, con los que tambin se puedan determinar tiempos crticos de carga y de mezcla, controlar la temperatura de la misma y tambin controlar la posible degradacin del polmero que se est utilizando como ligante. Es sumamente importante la evaluacin de la viscosidad de la mezcla para lo cual es necesario hacer un estudio profundo de la reologa capilar pues ste es un factor muy importante a tener en cuenta en el proceso de inyeccin del material [67].

6.2.4. Moldeo por inyeccinSe utilizan mquinas de inyeccin convencionales de plsticos, en las que la gua y tornillo se han sometido a un tratamiento de endurecimiento para evitar el desgaste. El feedstock presenta un comportamiento reolgico y trmico diferente al de un polmero convencional, por lo que han de considerarse otros factores a la hora de optimizar el proceso. Las principales diferencias son las siguientes: La viscosidad de la mezcla suele ser diferente a la del polmero utilizado como ligante, debido a las cargas que se introducen, por lo que el estudio reolgico es de gran importancia. La conductividad trmica de la carga es muy superior, sobre todo cuando se inyectan metales. La alta densidad de los metales, en comparacin con la densidad del sistema ligante, hace que las cargas sean muy sensibles a las fuerzas gravitacionales y centrfugas.

Todas estas diferencias, hacen que el proceso de inyeccin necesite de una optimizacin en todos sus parmetros (presin, temperaturas en las distintas etapas, etc.). Tambin la eyeccin y manipulacin del compacto en verde presenta dificultades aadidas al ser ms frgil que un termoplstico puro inyectado, debido a la alta carga cermica o metlica.

6.2.5. Eliminacin del ligante desbanderizadoEsta es una etapa crtica. Es un proceso que puede realizarse por escalones, o utilizando una nica va de eliminacin, dependiendo siempre del sistema ligante.Los sistemas ms usuales (no excluyentes entre s), son: Extraccin por disolventes (agua, acetona, tolueno,...) [68]. Extraccin trmica. Mediante el aumento de temperatura se provoca la degradacin del polmero y su eliminacin [69]. Este mtodo es crtico, ya que debe estar muy controlado para no causar defectos en la pieza y se debe conocer correctamente la composicin del aglomerante, ya que, si est formado por varios componentes, la fusin, descomposicin y evaporacin deben realizarse a la temperatura adecuada para cada componente. Extraccin cataltica. Un catalizador gaseoso hidroliza en sus monmeros al ligante (ver a este respecto la patente de BASF [70]). Actualmente se emplea mucho el desbanderizado cataltico del feedstock de poliacetal utilizando cido ntrico gaseoso o cido oxlico, con lo que se reducen significativamente los tiempos de desbanderizado en comparacin al proceso trmico. La extraccin se realiza en reactores especiales donde se introduce un flujo de gas y de cido muy controlado, y a la salida se combinan los productos de reaccin con oxgeno y un gas de combustin para producir el quemado de los gases, lo que proporciona un gas de salida limpio. Wick debinding. Consiste en eliminar por capilaridad el ligante mediante un material poroso puesto en contacto con el compacto en verde [71].

La optimizacin de esta etapa es fundamental para que en la sinterizacin no existan restos de ligante que puedan afectar al proceso y a las propiedades del material. En el caso de aceros inoxidables, la eliminacin total de ligante es crtica, ya que cualquier resto carbonoso dentro del acero inoxidable puede provocar la sensibilizacin del acero durante la sinterizacin. Por el contrario, en el caso de los aceros rpidos, incluso puede ser beneficioso la presencia de carbono extra para activar la sinterizacin.

6.2.6. SinterizacinEl sinterizado consiste en un calentamiento en horno con atmsfera controlada a una temperatura que no exceda el punto de fusin del material utilizado. Debido a que es imprescindible evitar la oxidacin del metal, se utilizan atmsferas reductoras bien de nitrgeno, hidrgeno, argn o amonaco disociado, e incluso vaco dependiendo del metal que est siendo sinterizado. Dicha atmsfera es elegida en funcin del contenido final en carbono de la pieza. Dado que la cantidad inicial de dicho elemento en el material es conocida, todo depende de si queremos conservarla, reducirla o incluso eliminarla.

El objetivo del sinterizado es el de dar a la pieza la densidad y propiedades mecnicas finales adems de ajustar la composicin qumica. El hecho de que las partculas de partida sean muy finas, hace que la densificacin sea muy superior a la obtenida en procesos pulvimetalrgicos convencionales (tpicamente, en torno al 97%). Gracias a que la densidad de partida es muy homognea la contraccin tambin lo es, permitiendo tolerancias del 0,1% [72].

Bsicamente, la sinterizacin se divide en tres estados (Figura 6.4): Estado inicial, donde se produce el contacto entre partculas y comienza el crecimiento de los cuellos. Se empiezan a formar los lmites de grano entre partculas. Estado intermedio, donde aparece porosidad cerrada y el material empieza a densificar de manera importante. Estado final, donde los poros se esferoidizan y su tamao disminuye, actuando como un freno al crecimiento de grano y ralentizando la densificacin.

La Figura 6.5 muestra el equipamiento utilizado durante todo el proceso: inyeccin, desbanderizado y sinterizado.

Figura 6.4. Diagrama esquemtico del proceso de sinterizado.

(a)

(b)

(c)Figura 6.5: Equipos disponibles en MIM TECH ALFA, S. L. para el proceso MIM; (a) equipo de inyeccin; (b) equipo de desbanderizado; (c) equipo de sinterizacin.6.2.7. Ventajas y desventajas del proceso MIMEl proceso MIM presenta una gran cantidad de ventajas con respecto a otros procesos de fabricacin convencionales que se emplean actualmente, como la microfusin, el mecanizado o el sinterizado.

En trminos generales, el MIM ofrece menor limitacin de diseo, mejores tolerancias dimensionales, menor rugosidad superficial, mayor capacidad de automatizacin y menores plazos de entrega que el proceso de microfusin. Con respecto al mecanizado, el proceso MIM es ms econmico cuando se consideran series largas o piezas muy complejas, como sustitucin de los costosos centros de mecanizado de 5 ejes. Por ltimo, el MIM permite obtener una menor porosidad final que el sinterizado convencional, alcanzando densidades del orden del 95-98%, mientras que los procesos de sinterizado que se emplean actualmente no permite obtener valores de densidad ms all del 80-85%.

Por tanto, el proceso MIM resulta especialmente adecuado para la produccin de grandes series de piezas de geometra compleja, con correctas tolerancias dimensionales y buena calidad superficial. Desde ese punto de vista, dado que la mayor limitacin de la tecnologa reside en el tamao de las piezas que se pueden fabricar y en la necesidad de un tamao mnimo de lote que justifique el coste del proceso, los procesos alternativos seran, en general, una buena opcin en el caso de piezas de mayor tamao y/o series menores. La Tabla 6.1 muestra una comparativa de las caractersticas de los diferentes procesos.

Tabla 6.1. Comparacin entre el MIM y otros procesos de fabricacin convencionales