Fabricación de metal: guía para la fabricación de piezas de metal.

El servicio de mecanizado CNC de Protolabs tiene en stock cinco tipos de aluminio: 2024-T351, 5083-H111, 6082-T651, 7075-T651 y 7075-T7351.
El número de 4 dígitos corresponde al Sistema internacional de designación de aleaciones; el 2000 utiliza cobre como principal elemento de aleación, el 5000 magnesio, el 6000 tanto magnesio como silicio y el 7000 zinc.
El sufijo indica cómo se ha tratado térmicamente el material. T significa tratado térmicamente por solución (o templado), H endurecido por deformación (o endurecido mecánicamente). El T6 se somete a un tratamiento térmico por solución y luego se envejece artificialmente para minimizar las tensiones residuales, lo que lo hace más coherente y estable en el mecanizado.

El aluminio 6082 está aleado con magnesio y manganeso, y ofrece un límite elástico de 250 MPa. Es muy resistente a la corrosión y se puede soldar con el equipo adecuado, lo que lo convierte en una opción ideal para aplicaciones de baja fatiga, como componentes estructurales de maquinaria, cuerpos de válvulas hidráulicas, piezas marinas y de automoción, y casi cualquier aplicación que requiera un material robusto y ligero.

Una opción más resistente es el aluminio 7075. Es más duro y resistente que el 6082 y ofrece un límite elástico de más de 500 MPa, el doble que el 6082, pero a un coste superior. Sus principales elementos de aleación son el zinc, el magnesio y el cobre. La mayoría de los aviones modernos utilizan el 7075 en zonas de carga de compresión, como los largueros de las alas. Tiene una gran dureza y resistencia. De hecho, el único punto en el que el 6082 gana es en la resistencia a la corrosión y en piezas que necesitan un poco más de "cesión" que las fabricadas con 7075. Ambos materiales son fáciles de mecanizar, aunque el 7075 es un poco abrasivo.

El cobre y sus aleaciones, como el latón, son muy versátiles. Con la excepción de entornos con alto contenido en amoníaco y algunos ácidos, son extremadamente resistentes a la intemperie y a la corrosión.

Protolabs Europa ofrece latón, tanto Cz121 | C360 (latón de corte libre) como Cz112 | C464 (latón naval).
El Cz121 | C360 tiene un 36% de zinc y un 3% de plomo y es la aleación de latón de uso más general. Al igual que el estaño, el plomo permanece insoluble en la microestructura del latón, pero ayuda a lubricar, de ahí el nombre de "corte libre".
El Cz112 | C464 es muy adecuado para aplicaciones navales. También tiene un tercio de zinc, pero una importante adición de solo un 1% de estaño que le confiere una mayor resistencia a la corrosión y una estructura dúplex más dura y resistente.
Las aleaciones de cobre en forma de bronce y latón existen desde hace mucho tiempo, y hay docenas de categorías, cada una con sutiles diferencias y usos distintos. El latón, más blando, es adecuado para remaches y tornillos; el metal Muntz (también conocido como metal amarillo), inventado para forrar el fondo de los barcos, ahora se utiliza para crear arquitectura llamativa.

Para un operario de mecanizado, el latón es una herramienta tan fácil como excepcional y sus velocidades de alimentación son bastante elevadas. Sin embargo, el latón es un material robusto, que ofrece una resistencia a la tracción que rivaliza con la del acero dulce.

Aunque es el elemento principal del latón, el cobre es otra historia. La facilidad de mecanizado del cobre puro es aproximadamente cinco veces peor. Las virutas no se rompen, debido a la naturaleza maleable y fibrosa del cobre. El material se calienta muy rápido durante el corte, debido a su alta conductividad térmica.

El cobre solo es superado por la plata en conductividad eléctrica, un factor que lo convierte en uno de los metales más importantes que se utilizan hoy en día. Los cables de cobre (y algunos de aluminio) básicamente hacen posible la electricidad. Sin él, las luces permanecerían apagadas, los coches no funcionarían y sería imposible leer este artículo en línea.

Es fácil aplicar soldadura blanda al cobre, pero es más difícil aplicarle soldadura fuerte. Su extrema ductilidad lo hace resistente y flexible a la vez, algo poco frecuente entre los metales. Sin embargo, el cobre hace mucho más que conducir la energía necesaria para calentar nuestras parrillas. Se utiliza en la fabricación de semiconductores como elemento superconductor de alta temperatura, en juntas de vidrio-metal como las necesarias para los tubos de vacío, e incluso se ha aprobado su uso en hospitales y lugares públicos como superficie antimicrobiana.

Como el cobre elemental existe en la naturaleza, hace milenios que se empezó a utilizar para fabricar monedas y cubiertos. Hoy forma parte de más de 570 aleaciones de metal diferentes. El cobre también se puede utilizar para electrodos en el mecanizado por electroerosión (EDM), una tecnología que se suele emplear en el moldeo por inyección y la estampación de metales.

Metales duros: aleaciones que contienen acero, cromo, níquel y titanio, como aceros para herramientas, aceros inoxidables, Inconel® y 17-4 PH.

El mundo también necesita metales duros. El acero se utiliza para casi todo, coches, barcos, puentes, etc. Independientemente del tipo de aleación, el acero está compuesto principalmente de hierro. Nuestra planta de fabricación en Reino Unido se encuentra cerca de Ironbridge, construida en 1779, que fue la primera estructura del mundo hecha de hierro fundido. La fundición de hierro existe desde hace mucho tiempo, pero no fue hasta el proceso siderúrgico de Bessemer, inventado a mediados del siglo XIX, que se hizo posible la producción en masa de acero de alta calidad.

Al igual que ocurre con los metales blandos, una pequeña cantidad de elementos de aleación puede tener un efecto espectacular en las propiedades del acero; es solo una fracción de porcentaje de carbono lo que transforma el hierro en acero.
Protolabs mecaniza el acero dulce S275JR, que también contiene un 1,6% de manganeso y un poco de silicio.
El acero al carbono EN8 tiene un poco más de carbono, un 0,4%, lo que lo hace mucho más duro.

Pero hay una solución: en 1913 se inventó el acero inoxidable. Los aceros inoxidables 304 y 316 que ofrece Protolabs contienen al menos un 20% de cromo y una buena cantidad de níquel, lo que los hace más difíciles de mecanizar. Aun así, estos populares materiales se utilizan habitualmente para instrumental médico, recipientes de vacío y presión y para equipos de alimentación y bebidas. El acero inoxidable de la serie 300 es bastante resistente, pero no puede endurecerse como el acero al carbono. Si la dureza es un requisito para tu aplicación, considera utilizar el 17-4 PH, que tiene un 17% de cromo y un 4% de níquel, y se puede endurecer por precipitación (de ahí el PH).

Este material versátil pero muy duro forma parte de la familia del acero inoxidable, pero su facilidad de mecanizado en estado recocido se aproxima al estado de superaleación. Cuando se somete a tratamiento térmico, alcanza fácilmente una dureza de 25 Rockwell C (HRC) y, en combinación con el endurecimiento por nitruro, de 67 HRC. Su resistencia última a la tracción es de 1.200 MPa o superior, tres veces más que la de la mayoría de los aceros. Se utiliza sobre todo en los sectores médico, aeroespacial y nuclear, o en cualquier lugar donde se necesite una combinación de alta resistencia y buena resistencia a la corrosión.

El acero inoxidable se utiliza ampliamente en el sector químico, el procesamiento textil y para aplicaciones marinas. Muchos aceros inoxidables también son resistentes a la temperatura y pueden soportar temperaturas superiores a los 900 °C (de forma intermitente). Son lo suficientemente calientes como para convertir el aluminio, el latón y el cobre en charcos fundidos. El acero inoxidable 316, por ejemplo, es excelente para intercambiadores de calor y se utiliza habitualmente en turbinas de vapor y colectores de escape.

Si buscas aleaciones robustas de verdad, no busques más: cromo-cobalto e Inconel. Protolabs no mecaniza estos materiales, pero su servicio de impresión 3D se encarga de fusionarlos en objetos sólidos utilizando el proceso de fusión por lecho de polvo de metal (LPBF o DMLS). Cada material tiene propiedades únicas de alto rendimiento.

El Inconel contiene un 50% o más de níquel, lo que le confiere una excelente resistencia a distintas temperaturas. Se utiliza para exigencias extremas, como álabes de turbinas de gas, discos de compresores de motores a reacción e incluso reactores nucleares y cámaras de combustión de motores a reacción. Su alto contenido de níquel hace que sea uno de los materiales más difíciles de mecanizar, ya que requiere un carburo revestido resistente al desgaste y una máquina herramienta rígida. Justo al lado del níquel en la tabla periódica se encuentra el cobalto, el principal elemento de la aleación de cobalto y cromo. Este material se conoce por su excelente resistencia al desgaste y biocompatibilidad humana, lo que lo hace ideal para implantes dentales, prótesis de cadera y rodilla y endoprótesis arteriales.

Por último, está el titanio. Este elemento ligero se alea con aluminio y vanadio para proporcionar un material fuerte y resistente a la corrosión (el más común es el Ti6Al4V de categoría 5). Al igual que el cromo-cobalto, el titanio es biocompatible y se utiliza mucho para tornillos, clavos y placas óseos. Su resistencia a la tracción es más del doble que la del acero dulce, pero pesa la mitad. Esto hace que el titanio resulte atractivo para el sector aeroespacial y para los fabricantes de vehículos de alto rendimiento.

Los tornos CNC utilizan un mandril o casquillo para sujetar la pieza y girarla contra una herramienta de corte fija. ¿Necesitas cortar un juego de portavelas o un accesorio para una manguera de jardín? Los tornos facilitan el trabajo de estas piezas y de otras muchas más. Las máquinas de fresado y torneado, como las que utiliza Protolabs, llevan a los tornos un paso más allá con la adición de herramientas giratorias y husillos secundarios, eliminando lo que antes eran operaciones de mecanizado secundarias.

Impresión 3D de metal para geometrías complejas

Para las piezas que no se pueden fabricar con ninguno de los métodos comentados anteriormente, existe el proceso de fabricación aditiva del sinterizado directo de metal por láser. El DMLS se atreve a llegar donde otros procesos de fabricación no pueden. Al igual que su homólogo en plástico, el sinterizado selectivo por láser (SLS), que utiliza un láser para fundir polvo a base de nailon en casi cualquier forma imaginable, el DMLS consigue resultados similares en metales como el aluminio, el cromo-cobalto, el Inconel, el acero inoxidable y el titanio.

Como la mayoría de los procesos aditivos, el DMLS crea las piezas de abajo arriba, como las capas de un pastel. Empieza con un modelo CAD 3D, que se corta en capas de unos 0,02 a 0,06 mm de grosor, según la resolución. A continuación, un láser "dibuja" cada fina capa del modelo CAD sobre un lecho de polvo de metal, con la consistencia de la harina. A medida que pasa el láser, las partículas de metal se funden y se fusionan con sus vecinas, creando un metal con las mismas propiedades mecánicas que el que sale de una acería. A medida que se completa cada capa, una cuchilla de goma arrastra material adicional por la pieza en proceso y el láser vuelve a trabajar, fusionando sucesivamente cada capa con la anterior. Al cabo de varias horas, se obtiene una pieza acabada.

Con el DMLS se pueden conseguir tolerancias de +/- 0,1 mm a +/- 0,2 mm + 0,005mm /mm, así como características de la pieza más pequeñas que el punto al final de esta frase. Dado que las temperaturas son muy elevadas, a menudo se necesitan pequeños puntales para sostener la pieza durante el proceso de fabricación y evitar que se deforme (habrá que aplicar un postprocesamiento para eliminar esos soportes). Además, como se puede esperar una rugosidad superficial de 0,004 a 0,010 mm Ra, según el material y la resolución, puede ser necesario algún tipo de operación secundaria de pulido o mecanizado.

Métodos de postprocesamiento para el metal

Las operaciones secundarias son habituales en muchos procesos de fabricación, especialmente con piezas de metal.
El tratamiento térmico mejora la resistencia y elimina las tensiones internas creadas durante el procesamiento de la materia prima y con el mecanizado pesado.
Los aceros al carbono, como el EN8, pueden endurecerse mediante nitruración o carburación. El EN8 puede endurecerse hasta 250 de dureza Brinell (HB), equivalente a 25 Rockwell C (HRC), o hasta 67 HRC utilizando un recubrimiento de nitruro.
Los metales blandos, como el aluminio y el magnesio, no se endurecen de la misma forma, aunque pueden someterse a un tratamiento térmico para aliviar tensiones o "envejecerlos".

El tratamiento de superficies es otro postprocesamiento de mecanizado habitual. El aluminio suele anodizarse, lo que le confiere una superficie resistente a los arañazos en casi cualquier color. Para una protección conductora de la electricidad, el cromato es una buena opción. Para una superficie mucho más resistente, el anodizado duro produce una capa más gruesa de óxido de aluminio y un revestimiento "cerámico" extremadamente resistente.
El cobre y el latón se decoloran cuando se exponen al oxígeno, por lo que puede aplicarse níquel químico o cromado si se necesita protección. El acero inoxidable y las superaleaciones no suelen necesitar protección, pero se puede utilizar la pasivación para mejorar aún más el acero inoxidable. Los aceros al carbono, dulces y para herramientas suelen recibir un tratamiento superficial de óxido negro o un baño de níquel o zinc. La pintura también es una opción habitual, pero se recomienda el granallado o cualquier otra forma de preparación abrasiva para obtener una superficie limpia y sin óxido antes de aplicar la pintura.

El servicio de mecanizado de Protolabs ofrece granallado para eliminar rebabas y proporcionar un aspecto uniforme a las superficies mecanizadas, al igual que su servicio de impresión 3D para piezas DMLS. El granallado, como su nombre indica, utiliza un chorro a alta presión de partículas como perlas de cerámica o vidrio para suavizar los bordes afilados y eliminar las rebabas. El volteo utiliza pequeñas bolas de cerámica o plástico en un recipiente de tambor para conseguir el mismo efecto. Protolabs puede realizar el granallado de piezas en los plazos de entrega habituales. En la mayoría de los casos, los clientes pueden obtener sus piezas chapadas, pintadas o anodizadas fuera de Protolabs inmediatamente después, o recurrir a nuestro socio HUBS, que puede ofrecer una mayor gama de acabados.

Equilibrio entre los materiales y procesos de Protolabs

Protolabs te ofrece una gran variedad de metales. Si los combinas con varios procesos de mecanizado diferentes podrás obtener prácticamente cualquier cosa que puedas soñar y dibujar. Y para lo imposible, la fabricación aditiva de metales convierte casi cualquier modelo CAD en una realidad física.

Son afirmaciones muy ambiciosas, así que aquí está la letra pequeña. Las piezas fabricadas con los procesos de impresión 3D y mecanizado de Protolabs tienen restricciones de tamaño mínimo y máximo. Dado que en Protolabs ampliamos continuamente las dimensiones de las piezas, consulta las pautas de diseño de cada proceso en www.protolabs.es.

En cuanto a las piezas mecanizadas, tampoco se aconsejan paredes con un espesor inferior a 0,5 mm y la profundidad de las herramientas no debe ser superior a 50 mm desde cualquier lado. Las tolerancias típicas de las piezas son de ±0,1 mm. Actualmente, Protolabs no puede mecanizar cromo-cobalto ni Inconel.

El sinterizado directo de metal por láser produce piezas de muchos de los materiales mencionados anteriormente, y añade el cromo cobalto y el Inconel a la mezcla. Las capacidades de DMLS de Protolabs incluyen tres niveles de precisión: resolución normal, alta y fina. Cada uno de ellos puede lograr espesores de capa muy finos y tamaños de característica mínimos, lo que mejora las capacidades que, de nuevo, pueden encontrarse en línea en protolabs.es. Las piezas fabricadas con DMLS suelen requerir procesos adicionales para mejorar el acabado de superficie, así como rectificado o mecanizado para eliminar los soportes de la pieza creados durante el proceso de fabricación.

Por supuesto, algunas piezas pueden necesitar mecanizado adicional después de salir de Protolabs. La rapidez de entrega y los precios competitivos hacen que Protolabs no sea una solución universal. Las esquinas internas cuadradas pueden requerir EDM, los orificios con tolerancias estrechas pueden necesitar mandrinado, los diámetros externos y las superficies pueden rectificarse o lapearse. A pesar de estas restricciones, Protolabs produce tiradas cortas de piezas de metal únicas más rápido que nadie, en una gama de materiales que satisface la mayoría de los requisitos de nuestros clientes.

En Protolabs también se pueden mecanizar docenas de materiales plásticos, junto con cientos de termoplásticos moldeables y materiales de silicona líquida (LSR). Sea cual sea tu proyecto, te ofrecemos materiales, un conjunto de servicios de fabricación (impresión 3D, mecanizado CNC y moldeo por inyección) y precios diseñados para satisfacer tus necesidades de fabricación de piezas.