Electro Formado

8/10/2019 Electro Formado

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APLICACIONES DEL ELECTROCONFORMADO A LAFABRICACIÓN RÁPIDA DE HERRAMIENTAS.

Monzón Verona M., Hernández Castellano P., Marrero Alemán Mª D., Benítez Vega A.

Universidad de Las Palmas de Gran Canaria, Departamento de Ingeniería Mecánica,

Edificio Departamental de Ingenierías, Campus de Tafira, 35017 Las Palmas de Gran Canaria

[email protected]

RESUMEN

El electroconformado es un proceso de deposición electrolítica utilizado para la fabricación de cáscaras metálicas de pared delgada. Su principal atractivo es su gran capacidad para reproducir hasta el más mínimo detalle de lasuperficie del modelo empleado en el proceso. Es conocido desde mediados del siglo XIX, y es empleada hoy en día

para la fabricación de productos de rejilla de precisión, en micro y nanofabricación, y en el desarrollo deherramientas y utillajes. Este último campo de aplicación es donde el grupo de investigación de Procesos deFabricación del Laboratorio de Fabricación Integrada de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria estádesarrollando su principal línea de investigación. Consiste en estudiar la aplicación de este proceso, conjuntamentecon tecnologías de prototipado rápido, en técnicas de fabricación rápida de herramientas. En este trabajo sedescriben los resultados obtenidos en la aplicación del electroconformado para la fabricación de insertos para moldesde inyección de termoplásticos, a partir de cáscaras de níquel. También se describe la aplicación de este proceso enla fabricación de electrodos EDM de penetración a partir de cáscaras de cobre. En ambos casos se comparan los

resultados obtenidos con estas herramientas prototipo respecto a herramientas convencionales.

PALABRAS CLAVE: Electroforming, Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Electroerosión, Inyección.

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INTRODUCCIÓN

La tecnología industrial moderna aporta las herramientas para que las sociedades sean mucho más productivas. Se haconseguido un estilo de vida más fácil y cómodo, lleno de productos increíbles que están al alcance de un grannúmero de personas. Éstas pueden elegir en un mercado amplio y cada vez más exigente, que obliga a la adopción deunas nuevas actitudes en el mundo de la industria.

La fabricación de grandes series de productos, con largos plazos de entrega y periodos elevados de almacenamiento

hasta su venta, es cada vez más antieconómica en los mercados industriales con una creciente competencia. Cada vezmás se demandan soluciones de automatización de series más pequeñas, que afectan a la mayor parte de lasindustrias manufactureras. Con el fin de subsistir en una situación de competencia internacional cada vez más feroz,las empresas se ven obligadas a adoptar medidas encaminadas al incremento de la productividad. Otro aspectoimportante que se debe imprimir es la flexibilidad en sus ciclos productivos, con el fin de mantener o mejorar sus

posibilidades en el mercado y la rentabilidad de sus actividades. Estos objetivos sólo se pueden lograr dotando a lossistemas productivos de las siguientes capacidades.

Acortar los ciclos de desarrollo de nuevos productos, de manera que den respuesta a los cambios y necesidadesdel mercado.

Racionalización del diseño de los productos, con el objeto de reducir los costes de fabricación y a la vez ofertar productos más competitivos.

Mejorar los sistemas productivos para reducir los tiempos de fabricación y aumentar la calidad de los productos.

Los materiales plásticos han supuesto una revolución en el sector manufacturero debido a sus propiedades, y a laenorme variedad de tipos existentes y en continuo desarrollo. El proceso de inyección de plásticos es sin lugar adudas el más empleado y versátil de cuantos procesos se emplean en la transformación de estos materiales. Cada vezcuesta menos tiempo el poner un nuevo producto en el mercado y con mayores niveles de calidad. Las tecnologíasde fabricación rápida de herramientas, también denominadas de moldes rápidos o Rapid Tooling, constituyen en estecampo uno de esos avances tecnológicos que posibilitan las mejoras en los procesos de diseño y fabricación de

piezas inyectadas.

Hace algunos años el Grupo de Investigación de Procesos de Fabricación, formado por miembros del Laboratorio deFabricación Integrada (LFI) de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria, tras analizar las diferentes solucionesexistentes en el área de Rapid Tooling, se planteó el estudio de una técnica poco extendida, el electroconformado oelectroforming. En principio resultaba muy atractiva por los niveles de precisión y reproducibilidad que parecía tenersegún la información disponible en ese momento. Esta curiosidad luego se transformó en interés, llevó al LFI adefinir una línea de investigación de: Análisis del comportamiento de moldes rápidos de inyección de termoplásticos

fabricados mediante electroconformado.En aquellos momentos se contaba con una máquina de prototipado rápido con tecnología FDM en el LFI. Además el perfil del grupo de trabajo se adaptaba muy bien a esta línea de investigación ya que se contaba con IngenierosIndustriales en la especialidad Mecánica y Química. Este interés fue transmitido a otro grupo de investigación de laUniversidad de Zaragoza, más concretamente el Taller de Inyección para la Industria de los Plásticos, que apoyótambién el inicio de esta nueva línea de investigación, pionera en la Universidad española. Se trataba pues deestudiar, definir, analizar, ensayar y proponer a nivel industrial la posibilidad de fabricar insertos para moldes deinyección, a partir de la obtención de cáscaras electroconformadas tomando como modelo inicial un prototiporealizado en el equipo FDM.

TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN RÁPIDA

En el campo de la fabricación de piezas en general, y en el desarrollo de nuevos productos en particular, esfundamental hoy en día disponer de prototipos que permitan realizar evaluaciones del producto desde varios puntosde vista: diseño, fabricación y marketing, entre otros.

En este contexto se han desarrollado herramientas que permiten reducir las posibilidades de error. En planos 2D ó3D sobre papel pueden no transmitirse de forma clara todos los detalles del diseño, e inducir a interpretacioneserróneas que pasen inadvertidas a las siguientes fases. Incluso el modelado en sólidos sobre aplicaciones CAD, quenos permite generar prototipos virtuales, puede ser insuficiente para observar de forma clara determinados detallesque sólo quedan clarificados con un objeto físico. Surge de ahí la necesidad de los prototipos, entendiendo comotales cualquier modelo físico de un producto, que se realiza previamente a la industrialización, al objeto de validartodas o algunas de sus características o funciones: estéticas, dimensionales, funcionales, y experimentales.



Tradicionalmente, estos prototipos se han venido realizando con procedimientos convencionales y de forma casiartesanal. Requerían operaciones de ajuste manual, por parte de especializados modelistas de gran habilidad ydestreza. De esta forma, cualquier prototipo requería un período de realización de semanas o incluso meses.Posteriormente se empezaron a utilizar para este fin, y se siguen empleando hoy día, procesos de mecanizadomediante máquinas CNC con la ayuda de aplicaciones de programación asistida. Se consiguen prototipos de una

precisión bastante alta, y en una gran variedad de materiales. El plazo de entrega se acorta apreciablemente pasandoa unos días o semanas. Recientemente han aparecido, debido a las demandas del mercado, nuevas técnicasespecíficas para la construcción de prototipos basadas en procesos MIM de aporte de material ( Material Increase

Manufacturing). Son las tecnologías denominadas de prototipado rápido o Rapid Prototyping, que cuentan condiferentes características, propiedades y capacidades, siendo las más empleadas: Estereolitografía (SLA),Sinterización selectiva por láser (SLS), y el modelado por deposición fundida (FDM), entre otras. Con estos

procedimientos los plazos de realización de prototipos se reducen a horas. Todas estas técnicas tienen en común que parten de un diseño en sólido 3D realizado en aplicaciones CAD. Estos diseños son importados en unas aplicacionesespecíficas para cada tecnología. Ellas generan y transfieren toda la información necesaria al equipo de prototipadorápido, que realiza una réplica física de la pieza. Una limitación importante es que únicamente se puede trabajar condeterminados materiales, que no siempre coinciden con el material de la pieza definitiva. Esto implica que en este

primer paso muchas veces la pieza obtenida puede tener utilidad estética, dimensional o funcional, dependiendo dela tecnología empleada, pero no experimental para realizar ensayos salvo casos excepcionales. Se trata detecnologías en continuo desarrollo que están permitiendo conseguir piezas finales directamente en los propiosequipos, dando origen al concepto de Rapid Manufacturing.

En caso de requerir un prototipo con utilidad experimental, hay que recurrir a una segunda fase mediante técnicas de

obtención de preseries o series prototipo. Estas nuevas técnicas emplean la primera pieza obtenida como modelo para obtener los utillajes necesarios. Algunas tecnologías de prototipado rápido, permiten obtener directamenteutillajes o herramientas prototipo. Éstos pueden ser empleados en procesos similares o idénticos a los definitivos yconseguir piezas en los mismos materiales que finalmente se emplearan. Esta es la finalidad de las tecnologías defabricación rápida de herramientas o Rapid Tooling. No se trata de un conjunto de técnicas que hayan aparecido enlos últimos años, de hecho muchas de ellas son procedimientos que llevan utilizándose hace décadas de forma

bastante artesanal. Con la aparición del Rapid Prototyping y con la posibilidad de disponer de mejores modelos, más precisos y de mejor calidad, en menor tiempo, se han desarrollado enormemente todas estas técnicas aprovechandodicha circunstancia para imprimirles un avance tecnológico considerable.

Existen dos vías en la fabricación rápida de herramientas, la forma directa que consiste en fabricar directamente enequipos de prototipado rápido el utillaje y la forma indirecta que requiere un modelo previo a la fabricación de laherramienta. Éstas se clasifican atendiendo a la cantidad de piezas que nos permiten fabricar, en herramientas

blandas o duras. Las primeras se emplean para series relativamente pequeñas en materiales parecidos, pero no

idénticos de los finales de diseño. En el mejor de los casos se consiguen en los mismos materiales pero encondiciones de proceso diferentes a las definitivas. Tienen la gran ventaja de ser más rápidos de obtener y en unos

pocos días se puede tener piezas prácticamente iguales a las definitivas. Entre las técnicas más usadas están losmoldes de silicona y los insertos o moldes realizados en resinas epóxicas.

Las pruebas funcionales de ensayos, verificaciones, homologaciones, entre otras, requieren de productos conmateriales finales y obtenidos con los procesos definitivos, para lo que se desarrollan las herramientas duras, todasellas realizadas en materiales metálicos. Éstas tienen su campo de actuación entre las herramientas de producción ylas descritas previamente. Pocos son los procesos comercializados para la obtención de este tipo de herramientas, ymuchos suelen quedar como desarrollo de uso interno de las empresas. Los detalles concretos para su elaboraciónson celosamente guardados, pues estas herramientas representan una ventaja comercial frente a sus competidores.Los plazos de elaboración son variables entre los diferentes procesos y suelen ser desde unos días a varias semanas.Existen varias técnicas directas que en los propios equipos de prototipado rápido pueden obtener el útil metálico,como son las tecnologías SLS, DMLS, o EBM. Otras técnicas indirectas son empleadas en el desarrollo de estas

herramientas como son la proyección metálica, el colado de polvo metálico con aglutinantes y su posteriortratamiento térmico, y el electroconformado. [1]

Ninguna de estas alternativas presenta ventajas notorias y aplastantes frete a las otras, por lo que todas ellas sonusadas en aplicaciones para las que mejor se adaptan. La combinación de estas técnicas y las tradicionales permitiránsin duda reducir los tiempos y costes para obtener esas preseries funcionales, e incluso cambiar la filosofíaconstructiva de las futuras herramientas de producción.

Electroconformado



De todos los procesos electroquímicos existentes, es quizás el de la electrodeposición de metales el que presenta unamayor implicación en casi todos los campos industriales de fabricación: industrias del automóvil, ferretería,fontanería, bicicletas, motocicletas, herramientas, matrices, equipos de comunicaciones, equipos eléctricos yelectrónicos, joyería, óptica, aeronáutica, imprenta, otros.

Según la definición estándar adoptada por Comité B 8 del ASTM, “electroconformado o electroforming es la producción o reproducción de artículos mediante electrodeposición sobre un mandril o modelo, que posteriormentees separado del depósito de metal”. Ampliando un poco más esta definición podemos indicar que elelectroconformado, implica la deposición electrolítica de una capa de metal procedente de la disolución de unelectrodo de este elemento que es el ánodo del sistema, sobre un modelo electrodo que constituirá el cátodo delsistema. Se aplica para ello corriente continua entre el ánodo (+) y el cátodo (-) estando todo el sistema inmerso enuna solución o baño apropiado de sales metálicas con los dos electrodos sumergidos. Cuando la corriente circula porel circuito los iones metálicos presentes en la solución se convierten en átomos que se depositan sobre el cátodocreando una capa más o menos uniforme de depósito.

Las capacidades más destacadas del electroconformado son las siguientes:

• Capacidad de reproducción de hasta el más mínimo detalle de una superficie de forma muy precisa.

• Control estricto sobre las propiedades físicas y mecánicas de la pieza electroconformada mediante la selecciónde la composición de la solución y de las condiciones de deposición.

• No existe limitación en el tamaño del objeto que pueda electroconformarse desde pocas micras a varios metros.

• Se pueden producir formas geométricas imposibles de realizar por cualquier otro método.

•

Posibilidad de combinación de varios materiales, y con propiedades de resistencia a la corrosión, buenaconductividad térmica, alta resistencia al desgaste, entre otras.

Las principales limitaciones del proceso se derivan de:

• Baja velocidad de deposición.

• Dificultad para controlar las superficies exteriores.

• Aplicación casi exclusiva a productos con paredes delgadas.

• Dificultad para electroconformar determinados detalles geométricos.

Sus principales campos de aplicación son:

• La fabricación de productos de tipo rejilla como planchas o cilindros de impresión.

• Producción de guías de ondas para radar.

• Micro o nanofabricación para aplicaciones médicas, ópticas o mecánicas.

• Herramientas y moldes.

El baño electrolítico conjuntamente con los ánodos empleados son los elementos básicos que establecen qué metalvamos a electrodepositar. En este trabajo nos centramos en la deposición de níquel y cobre, que en ambos casos se

pueden conseguir con varios tipos de soluciones. Las condiciones del baño electrolítico determinan las propiedadesmecánicas y calidad de la cáscara electrodepositada, al mismo tiempo que influyen en gran medida en el espesorobtenido. Se pueden conseguir cuatro tipos de estructuras metalográficas con propiedades diferentes: columnar,fibrosa, de grano fino y laminar. La calidad de estas cáscaras se puede ver afectada por los efectos del picadosuperficial, y por tensiones internas generadas durante el proceso que provocan deformaciones en las mismas.

El cálculo de la cantidad de metal que se deposita al final de un tiempo determinado se calcula mediante las leyes deFaraday. El espesor del material electrodepositado sobre el modelo varía debido a la distribución de corriente. Esdecir, existen zonas donde la densidad de corriente es mayor que en otras, y por lo tanto en éstas habrá una mayorelectrodeposición. Éste es un aspecto importante que debe tenerse en cuenta en la fabricación del modelo y en la

ubicación de los electrodos correspondientes.Los parámetros operativos del proceso relacionados con los factores que permiten controlar el proceso de laelectrodeposición y modificar la estructura del depósito metálico son:

Naturaleza y estado superficial del cátodo (metal-base).

Densidad de corriente aplicada.

Agitación del electrolito.

Temperatura aplicada.

Concentración de los iones metálicos presentes.

Concentración de iones hidrógeno (pH).



Agentes de adición presentes.

En las figuras 1 y 2 se pueden observar el esquema básico de un proceso de electroconformado, y el equipo defabricación propia, diseñado expresamente para estas aplicaciones, donde se han obtenido las cáscaras metálicas paralas aplicaciones que se describen en los siguientes apartados. [2]

APLICACIÓN A INYECCIÓN DE TERMOPLÁSTICOS

El proceso de moldeo por inyección de termoplásticos consiste esencialmente en el calentamiento del material dadoen forma de polvo o gránulos, para transformarlo en una masa plástica dentro del llamado cilindro de plastificaciónde la inyectora, y así inyectarlo en la cavidad del molde del que tomará su forma. Debido a que el molde se mantienea una temperatura inferior al punto de fusión del polímero, éste solidifica con relativa rapidez que depende delespesor de pieza. En este momento el proceso se ha completado, se puede expulsar la pieza, y preparar nuevamenteel molde para repetir el ciclo de inyección.

El molde de inyección es la herramienta de este proceso de conformación, siendo su principal misión darle la formadeseada a las piezas que queremos fabricar. Son herramientas de carácter específico diseñadas expresamente para lafabricación de una pieza concreta o un conjunto limitado de piezas iguales o diferentes. Los moldes pueden llegar aser enormemente complejos, en función de la complejidad geométrica de la pieza que tiene que generar. Por estarazón estas herramientas son de elevado coste y se han de amortizar en series grandes de producción. Los diferentescomponentes de un molde de inyección están sujetos a unas condiciones de trabajo exigentes, y de los que se espera

una alta fiabilidad de funcionamiento. Esto requiere del empleo de materiales de altas prestaciones para podersoportar dichas condiciones, siendo los más usados los aceros. Las cáscaras de níquel se han empleado en estasaplicaciones por su alta dureza, resistencia mecánica y al desgaste, y buena conductividad térmica. Propiedades éstasconseguidas por las características propias del metal y con una estructura metalográfica de tipo laminar, logradamediante un baño electrolítico de sulfamato de níquel.

Este molde permite la fabricación directa por inyección de probetas de uso múltiple tipo A, según se definen en lanorma UNE-EN ISO 3167. La finalidad de estas probetas consiste en la determinación de las propiedades mecánicasde un conjunto de materiales representativos de la industria, inyectados en esta herramienta, y compararlos con las

propiedades de los mismos materiales inyectados en moldes convencionales. Ello introdujo especificación adicionalen el diseño concreto del inserto que ha sido el hecho de requerir inyectar materiales diferentes. Es por ello que lasolución final de diseño no es la más óptima para ninguno de ellos, sino que se han tenido que adoptar una serie desoluciones de compromiso para conseguir este objetivo.

El diseño de una cáscara arranca con el diseño de la pieza a inyectar. La cáscara puede abarcar parcial o totalmente

la geometría de la pieza, o incluso generar además parte del sistema de alimentación. La simulación conherramientas de análisis reológico proporcionan gran información para la comprensión de los fenómenos queocurren en el interior del molde, gracias a la representación gráfica de las numerosas variables posibles y muydifíciles de medir durante el proceso. Igualmente valiosa es la información aportada al diseñador en la fase inicial dedesarrollo de piezas inyectadas, que le permite ir evaluando alternativas con cierta facilidad hasta alcanzar la másidónea para dicha aplicación. Para evitar los gastos y retrasos considerables que conllevan las dificultadesencontradas en el entorno de fabricación, es necesario tomar en cuenta la influencia de diferentes variables en lafabricabilidad de la pieza: geometría, selección de material, características de máquina, diseño de molde ycondiciones de proceso. El programa que hemos empleado para este análisis es el MOLDFLOW PLASTICSADVISER 6.0. En paralelo se realiza el diseño de la cavidad que dará forma a la pieza, en este caso la cáscara deníquel que formará parte del inserto. Éste ha de soportar los exigentes esfuerzos mecánicos a que se ve sometido

Fig. 1: Esquema Electroconformado Fig. 2: Equipo Electroconformado



durante el proceso de inyección. El cálculo estructural de un problema como el que se plantea, es prácticamenteimposible abordarlo por métodos tradicionales. El empleo de varios tipos de materiales trabajando de forma conjuntay con propiedades muy diferentes, así como una geometría de cierta complejidad hace necesario el empleo deaplicaciones CAE. Se empleó para este análisis estructural del inserto el programa ANSYS.

Para generar estas cáscaras de níquel por electroconformado para su aplicación como inserto en moldes de inyecciónde termoplásticos, es necesario la realización previa de una pieza modelo. El modelo o cátodo del sistema es elelemento sobre el que se desea realizar la electrodeposición de níquel metálico. El modelo empleado se puedefabricar por cualquier proceso de conformación convencional, o en cualquiera de las diferentes técnicas de

prototipado rápido existentes. No obstante, sea cual sea la tecnología empleada, se deben tener en cuenta lassiguientes consideraciones.

Recomendaciones de diseño relativas a las capacidades y limitaciones del electroconformado.

Material del modelo, propiedades de resistencia mecánica, química, si es conductor o no, y otras.

Operaciones de preparación, impermeabilización, acabados, metalización o aislamiento, y otras.

La tecnología de prototipado rápido empleada para generar los modelos utilizados en esta aplicación, ha sido elmodelado por deposición fundida (FDM) desarrollada por Stratasys Inc.. El LFI dispone de un equipo de estatecnología, en concreto una máquina FDM 8000. El material de pieza usado es un plástico ABS que requiereoperaciones posteriores de impermeabilización y acabado superficial, y volver conductoras aquellas superficiesdonde se desea generar la cáscara.

El diseño original del molde tenía un único inserto que englobaba dos cavidades y parte del sistema de alimentación.Posteriormente se tomó la decisión de realizar un cambio de diseño que consistió básicamente en reducir el tamañode la cáscara, abarcando una sola cavidad y una pequeña parte del sistema de alimentación. Este inserto se montósobre una placa normalizada en la que se mecanizó una cajera. Se aprovechó para mecanizar en el otro lado unacavidad con la forma de la probeta, lo que nos permitirá realizar con la misma herramienta inyecciones sobre elinserto electroconformado y sobre la cavidad de acero. Con ello podemos obtener referentes de comparación másfiables. El inserto se completó con el relleno de la cáscara con una resina bicomponente con carga de aluminioLoctite Hysol 3479 para aplicaciones donde se requiere temperaturas elevadas y resistencia a compresión. El sistemade refrigeración embebido en el relleno, se resolvió mediante dos tubos de cobre dispuestos longitudinalmente,soldados a una pletina también de cobre que apoya directamente sobre la parte posterior de la cáscara. También secolocaron unos termopares en la parte posterior de la cáscara para medir su temperatura en proceso, y unostransductores de presión en la placa opuesta para medir el perfil de presiones en la cavidad.

Las pruebas de molde se realizaron instalaciones de Taller de la Industria de Inyección de Plásticos (T.I.I.P.), delDepartamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Zaragoza. Se quiso aprovechar el equipamiento,recursos, y la experiencia de que dispone el T.I.I.P. en la evaluación de moldes prototipos. Como objetivo básico deestos ensayos estaba el determinar las características de los insertos electroconformados en comparación con lascaracterísticas de moldes de acero. Se pretendía obtener inyecciones en diferentes materiales representativos de laindustria de inyección para comparar las propiedades alcanzadas con referencias del fabricante y de otros estudios demoldes rápidos realizados con otras tecnologías. Se seleccionaron como materiales finales de ensayo los siguientes:

Polietileno de alta densidad (HDPE), ERACLENE MP94 de Polimeri Europa.

Poliestireno (PS), STYRON 485 de Dow Chemical.

Poliamida 6 (PA6), ACINYL6 2700, de Ashland.

Policarbonato (PC), TARFLON IV1900R, de Idemitsu.

En general el molde prototipo mostró un comportamiento mejor de lo inicialmente esperado. En total se realizaronmás de 500 inyecciones sobre este inserto, entre los diferentes materiales y parámetros de inyección empleados,quedando en condiciones plenamente operativas por haber sido conservadores durante estas pruebas. No sedetectaron problemas por temperatura en el inserto incluso con temperaturas de inyección de 300 ºC. Se detectaron

problemas de deformación en el inserto con presiones en cavidad superiores a los 600 bar, apareciendo pequeñasfisuras en la cáscara de níquel en puntos críticos con poco espesor de níquel, de las zonas que soportan mayores

presiones. El enfriamiento no se produjo de forma homogénea debido a que el contacto con la pletina de cobre delsistema de refrigeración se realizaba únicamente en la zona central y el flujo de calor se dirigía desde los extremoshacia la zona central.

Para cada uno de los cuatro materiales inyectados se obtuvieron unas series de piezas en las mismas condiciones de proceso, donde simultáneamente se obtenía una probeta sobre el inserto y otra sobre la cavidad mecanizada en la placa. Los ensayos de pieza comenzaron con una medición dimensional de las probetas para observar la variabilidadde las series de cada uno de los materiales, al igual que una determinación de la masa de dichas probetas. Los valores



de contracción de pieza determinados entraban dentro de los intervalos de valores que facilitaban los fabricantes, y lavariabilidad de masas no arrojó nada significativo.

Posteriormente se realizaron unos ensayos destructivos de tracción según norma UNE-EN ISO 527-1, paradeterminar la resistencia y la elongación a rotura. Los resultados obtenidos para los dos tipos de probetas secompararon entre sí, así como con los valores aportados por los fabricantes de los materiales. No se apreciarondiferencias significativas en la resistencia a rotura de las probetas obtenidas en el inserto, de las probetas obtenidasen la cavidad mecanizada. Los valores medidos se encontraban razonablemente en el entorno de los valorescaracterísticos de estos materiales inyectados. Para algunos de los materiales ensayados, sí que se observan algunasdiferencias en ductilidad. Estas diferencias se deben probablemente a la fase de enfriamiento de las probetas, debidoa que las propiedades de transferencia de calor entre ambas cavidades son bastante diferentes, lo que afectó a los

polímeros parcialmente cristalinos.

También se llevaron a cabo unas sencillas pruebas de fotoelasticidad que nos aportaron información adicional sobreel estado tensional resultante del proceso, y nos permitía comparar ambos tipos de probetas. Se observó un estadotensional diferente en ambos tipos motivados por una diferencia de rigidez en ambas cavidades que afectaba al gradode compactación alcanzado. También debido a que ambas cavidades poseen características de transferencia de calormuy diferentes, siendo más homogéneo en el caso de la cavidad mecanizada al difundir a una gran masa de acero,mientras que en el inserto la resina hace de aislante térmico y el calor se conducía hacia la parte central de la probetay de ahí al sistema de refrigeración. En las siguientes figuras 3 y 4 se observan el molde prototipo y las probetas delensayo de fotoelasticidad. [3]

APLICACIÓN A ELECTROEROSIÓN POR PENETRACIÓN

Los procesos convencionales utilizados en la fabricación de moldes de inyección son el mecanizado por arranque dematerial y la electroerosión por penetración.

El arranque de material en máquinas CNC no resuelve todos los problemas de mecanizados complejos, incluso conel mecanizado de alta velocidad. Las limitaciones propias del mecanizado impiden por ejemplo conseguir geometríascon ángulos, inaccesibles o cuya profundidad y posición sean inviables por fresado. En estos casos, entre lossistemas tradicionales, la electroerosión por penetración (EDM) se ha mostrado como un proceso complementario yeficaz.

El EDM produce cavidades por la acción erosiva de un electrodo que mediante chispas eléctricas va arrancando deforma progresiva pequeñas partículas de material. Para ello tenemos un circuito en tensión formado por el propioelectrodo y la pieza, que evidentemente debe ser conductora, todo esto en un medio líquido y dieléctrico como puede

ser el agua desionizada. El electrodo actúa por penetración y a baja velocidad y genera una geometríacomplementaria a la suya sobre la pieza.

Cualquier material que presente buena conductividad eléctrica puede emplearse como electrodo para EDM. En la práctica estos materiales pueden ser mecanizados fácilmente, presentan poco desgaste y combinan su bajaresistividad con una alta conductividad térmica.

Tradicionalmente, los electrodos han sido fabricados de materiales metálicos incluyendo cobre, tungsteno, latón, yacero, además de materiales no metálicos como el grafito. Los métodos convencionales de fabricación de electrodosincluyen estampado, extrusión, mecanizado, y electroerosión por hilo, entre otros. También se emplean tecnologíasde Rapid tooling para obtener electrodos, y éstas se clasifican en directas o indirectas, atendiendo al mismo criterio

Fig. 3 Molde Prototipo Fig. 4 Ensayo fotoelasticidad



utilizado en la fabricación de insertos para moldes. Entre las directas destacan las mismas tecnologías yamencionadas, y entre las indirectas estaría el electroconformado para obtener cáscaras de cobre.

Como ya se mencionó anteriormente, el objetivo concreto de esta investigación es definir una metodología de trabajode aplicación industrial que permita obtener una cavidad fabricada por un electrodo electroconformado. Para ello elestudio se inicia con la definición y fabricación de un modelo de prototipado rápido y finaliza con la obtención deuna cavidad que reproduzca la geometría de la pieza de plástico que se pretende inyectar.

El proceso de obtención de las cáscaras de cobre se inicia con la fabricación de un modelo, similar al empleado en la

aplicación ya descrita. En su diseño se debe incluir distintas consideraciones geométricas que faciliten su empleotanto en el proceso de electrodeposición como en el de electroerosión. En este trabajo se emplearon modelos endiferentes materiales plásticos: ABS, PA, PVC, Silicona y HDPE; y fabricados con diferentes tecnologías: FDM,SLS, mecanizado, colado en vacío e inyección, respectivamente.

Una vez obtenido el modelo y tras las operaciones de impermeabilización y metalización de las superficies activas,se sometieron al proceso de electroconformado para obtener las respectivas cáscaras. En este caso el bañoelectrolítico es del tipo sulfato ácido de cobre. Las condiciones operativas del proceso fueron previamente analizadas

para conseguir cáscaras con la mayor estabilidad térmica posible, que se corresponde con unos niveles de dureza ytensiones internas en la cáscara determinados, y de su estructura metalográfica. Para ello fue necesario realizarnumerosos ensayos de microdureza y desarrollar un modelo de evaluación de las tensiones internas mediante laintroducción de testigos en el baño. La estructura metalográfica que se determinó como la más idónea para estaaplicación fue la de grano fino.

Para completar el electrodo era necesario rellenar la cáscara e integrarla en un útil de fijación y orientación para

poder montarlo en la máquina de electroerosión. El relleno se realizó en unos casos con resina epóxica con carga dealuminio, en otro con una aleación de zinc de bajo punto de fusión y otros con viruta de bronce tamizada para darmayor conductividad térmica al relleno.

Una vez completados los insertos se pasó a los ensayos de estos electrodos. Dichos ensayos se realizaron en parte enlas instalaciones de la Asociación de Investigación del Taller de Inyección de la Industria de los plásticos aiTIIP deZaragoza, que cuenta entre su equipamiento con una máquina de electroerosión. En una primera fase se realizó losensayos con electrodos con una sencilla geometría rectangular, realizados con las diferentes tecnologías antesmencionadas. Los resultados se compararon con los obtenidos de un electrodo mecanizado directamente en cobreelectrolítico. Esto permitió validar el proceso y elegir la combinación de tecnologías más interesante para suaplicación industrial con electrodos de geometría más compleja.

La rugosidad es uno de los parámetros más importantes a controlar en el proceso de electroerosión, y por ello sehicieron numerosas mediciones de este parámetro de acabado superficial tanto del electrodo, como de las cavidadesgeneradas en condiciones de proceso: conservadoras, exigentes para un rápido envejecimiento, y de optimización de

funcionamiento. Los resultados obtenidos se compararon con los facilitados por el fabricante de la máquina paraobtener dichos niveles de rugosidad con los materiales convencionales de electrodos.

Una de las aplicaciones industriales desarrolladas en este trabajo fue la de elaboración de una cavidad en forma de pez a partir de una pieza inyectada que se empleó como modelo. En este caso la cáscara obtenida se rellenó conZamak, una aleación de zinc de bajo punto de fusión. El objetivo de esta prueba era someter a una de estasherramientas con una geometría irregular a una operación con mayor profundidad de penetración, y por ello demayor duración para evaluar su comportamiento en condiciones más reales de aplicación.

También se desarrollaron cuatro electrodos para generar las cavidades de un molde de inyección para piezas enforma de llaveros, con fines divulgativos de estas tecnologías. Este trabajo se desarrollo para la Asociación Españolade Rapid Manufacturing ASERM, de la que es miembro fundador la ULPGC a través del LFI. En este caso lascáscaras fueron elaboradas a partir de modelos generados con tecnología SLS en el equipo que dispone la FundaciónaiTIIP.

Las conclusiones más relevantes de este trabajo han sido, que estas herramientas pueden trabajar con los mismos parámetros operativos empleados habitualmente con electrodos convencionales. Se observó una mejor conductividadeléctrica en proceso en los electrodos electroconformados, que se atribuye al menor tamaño de grano de su estructurametalográfica. En cuanto a los diferentes materiales de relleno empleados, no se observó ninguna influenciadestacable. Se consigue con estos electrodos reducir el peso, con respecto a los convencionales de cobre, que paragrandes dimensiones representa una gran ventaja. También se elimina los problemas asociados al mecanizado delgrafito, donde se genera un polvo muy fino que podría ocasionar daños a la máquina y a sus operarios. En lassiguientes figuras 5 y 6 se observan las dos aplicaciones descritas. [4]



REFERENCIAS

1. Monzón, M. y otros. Guía de Tecnologías de Rapid ManufacturingRM . ASERM. Documenta Universitaria.Girona, 2006.

2. Marrero Alemán, Mª Dolores, Estudio del proceso de electroconformado para la fabricación de moldes

rápidos (RT). Caracterización mecánica de los insertos de níquel para su aplicación a la inyección determoplásticos. Tesis doctoral. ULPGC. Las Palmas de Gran Canaria, 2003.

3. Hernández Castellano, Pedro M., Simulación y ensayo de moldes rápidos utilizando técnicas de prototipado

rápido y electroconformado. Aplicación a la inyección de termoplásticos. Tesis doctoral. ULPGC. Las Palmasde Gran Canaria, 2003.

4. Benítez Vega, Antonio N., Definición del proceso y estudio de comportamiento de los electrodos para

FDM fabricados mediante técnicas de prototipado rápido (RP) y procedimientos de electroconformado (EF).

Tesis doctoral. ULPGC. Las Palmas de Gran Canaria, 2005.

Fig. 5: Electrodo y cavidad de pez. Fig. 6: Electrodos y cavidades llaveros.

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