Definiendo cuando el filamento

3 de febrero de 2023

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Fig. 1 Las tres etapas del procesamiento MEX y MIM (Del artículo: 'Fabricación aditiva de filamento metálico: cuándo puede reemplazar el moldeo por inyección de metal' por A Quarto y C Giardini, publicado en Progress in Additive Manufacturing, 21 de septiembre de 2022, 10 páginas. )

En los últimos años, ha habido una serie de avances en las tecnologías de fabricación aditiva de metales, lo que las convierte en alternativas atractivas tanto para los procesos de fabricación sustractivos como para los procesos de forma neta o casi neta, como la metalurgia de polvos y el moldeo por inyección de metales. Este es particularmente el caso de los componentes metálicos con niveles más altos de complejidad, que se beneficiarían de las posibilidades de ahorro de peso y requerirían un volumen relativamente bajo de piezas. Es bien sabido que MIM es capaz de producir formas altamente complejas y en los volúmenes de producción requeridos utilizando una amplia gama de metales y aleaciones para lograr el rendimiento y el costo de la pieza deseados. Sin embargo, MIM se considera relativamente caro en términos de energía e inversión en equipos y herramientas de producción. Compiten con MIM varios procesos de fabricación aditiva de metales, pero muchos de ellos, como Laser Beam Powder Bed Fusion (PBF-LB), también consumen mucha energía con tiempos de producción a menudo prolongados y no se cree que sean adecuados para piezas de bajo valor. o para grandes volúmenes de piezas.

Un proceso de fabricación aditiva de metales que atrae la atención de los productores es la extrusión de materiales (MEX), el término ISO/ASTM para el proceso denominado Metal-ME en el artículo revisado, debido a su flexibilidad y potencial para producir formas complejas con costos de inversión más bajos en comparación. con MIM. MEX se ha adaptado recientemente para extruir filamentos metálicos, por ejemplo, AISI 316L y 17-4 PH, con materia prima para los filamentos compuesta por un 80 % en peso de acero inoxidable con un 20 % en peso de contenido de polímero, lo que permite una fácil impresión. MEX también comparte una etapa común de la cadena de producción con MIM: el desaglomerado y la sinterización. Se dice que los dos procesos tienen la capacidad de producir geometrías complejas, piezas de alta densidad (98,7% para MEX y 99,2% para MIM) y la posibilidad de utilizar varios metales y materiales de aleación diferentes.

Para obtener más información sobre cuál de los dos procesos tiene el mejor potencial comercial, la Universidad de Bérgamo, Dalmine, Italia, llevó a cabo un estudio cuyo objetivo era desarrollar un modelo de costos para una pieza seleccionada producida por MEX y MIM. El modelo incluyó la evaluación de las tendencias de costos de producción de los procesos MEX y MIM, investigando cómo estos procesos pueden caracterizarse por comportamientos diferentes en función del volumen de producción y el número de piezas obtenidas dentro de un solo ciclo de producción. Los resultados de este estudio se incluyeron en el artículo 'Fabricación aditiva de filamentos metálicos: cuándo puede reemplazar el moldeo por inyección de metal' publicado en Progress in Additive Manufacturing. Los autores del estudio, Mariangela Quarto y Claudio Giardini, afirmaron que, aunque MIM y MEX puede utilizarse con éxito para producir una pieza específica, pero son los aspectos económicos, como el gasto de tiempo, dinero y recursos (incluida la energía) relacionados con toda la cadena de producción, los que deben tenerse en cuenta. Los resultados de su estudio han permitido, por tanto, desarrollar un modelo para el estudio del coste unitario de la pieza, la tasa de productividad y el tiempo ficticio (DT). Se dice que el tiempo ficticio representa cuántas horas son teóricamente necesarias para producir una sola pieza.

La cadena de proceso para los dos procesos de fabricación se muestra en la Fig. 1 y consta de tres etapas. La primera etapa implica principalmente costos relacionados con el tiempo dedicado al diseño del producto y/o del molde (para MIM) y para definir la trayectoria de la herramienta/boquilla (para MEX). Estos costos se consideran ocultos (a excepción del molde utilizado en MIM, que está incluido en los costos de consumibles). La segunda etapa implica la producción real de la pieza hasta la etapa de pieza verde y la tercera etapa se omite en el modelo de costos, porque se utiliza el mismo tipo de material y la misma empresa externa realiza el desaglomerado y la sinterización y, por lo tanto, tendrá el mismo costo.

Es evidente desde la primera etapa que el intervalo de tiempo desde la conceptualización de la pieza hasta el inicio de la producción es significativamente más corto para MEX, que tarda entre 2 y 3 días en definir la ruta de la herramienta/boquilla para la Fabricación Aditiva. Para MIM, el proceso es más largo, ya que el diseño, la optimización (incluso mediante simulaciones) y la realización del molde son requisitos previos fundamentales. Estas actividades podrían tardar entre 10-15 días hábiles para piezas no muy complejas, y podrían ser más largas si aumenta el nivel de complejidad de los componentes y, en consecuencia, del molde. Los autores afirmaron que la duración está estrictamente relacionada con los requisitos de la pieza diseñada.

Los autores afirmaron además que un desafío clave en el diseño y la producción de componentes es la reducción de peso o la mejora de la refrigeración de componentes críticos. Varios investigadores han utilizado las palas de las turbinas como ejemplo, generando una estructura hueca para reducir el peso y microagujeros externos para mejorar la refrigeración. Tanto MEX como MIM se consideran tecnologías adecuadas para la producción de palas de turbina. Sin embargo, solo MEX permite producir piezas huecas de palas de turbina en un solo proceso, mientras que el proceso MIM no podría lograr características huecas similares y los microagujeros para mejorar el enfriamiento de las piezas requerirían un mecanizado micro-EDM adicional.

El diseño de la pala de turbina de acero inoxidable 316L utilizada en este estudio se muestra en la Fig. 2. La pala de turbina producida con orificios de enfriamiento y estructura hueca interna usando MEX que se muestra en la Fig. 2 (a)) resultó en una reducción de masa/volumen de 24%. Los autores afirmaron que sería imposible producir las mismas características huecas internas y los mismos orificios de refrigeración en el álabe de la turbina MIM sin procesos de mecanizado adicionales.

La Tabla 1 muestra los principales datos insertados en el modelo de costos. Como se puede ver en la Fig. 3 tanto para MEX como para MIM, el incremento en Nord (definido como el tamaño del pedido del cliente) provoca una reducción en el costo unitario (UC), generando una curva decreciente monótona. Para MEX, es evidente cómo la primera parte de la curva se caracteriza por una rápida disminución del costo a medida que aumenta el volumen de producción, presentando una tendencia asintótica casi horizontal (es decir, el costo se vuelve aproximadamente constante). La situación es diferente para el proceso MIM, que se caracteriza por una tendencia decreciente más lenta. En el área ampliada, que se muestra en la Fig. 3 (a), es evidente la inversión de la conveniencia económica para las dos tecnologías.

Fig. 3 Costo unitario (UC) – (a) tasa de productividad (PR) – (b) y tiempo de producción ficticio (DT) – (c) para el proceso MEX y MIM variando el volumen de producción

Un segundo análisis de costes se centró en el número de piezas producidas en un único ciclo de trabajo. En MEX Additive Manufacturing, más de una pieza en una misma placa reducirá el tiempo total debido a los montajes, mientras que el costo se mantendrá constante. Para MIM, aumentar el número de cavidades del molde no necesariamente reduce los costos de producción, pero sí reducirá considerablemente los tiempos de producción. Sin embargo, las palas de turbina MIM requerirán un mecanizado adicional de microerosión de los orificios de enfriamiento externos y las piezas MIM no se pueden producir huecas para lograr ahorros de peso. El resultado es que, con la necesidad de utilizar el proceso de mecanizado micro-EDM para los orificios de enfriamiento, la curva de costos de MIM se mueve hacia arriba y los autores pudieron dibujar una ventana que define los costos máximos y mínimos del proceso combinado. En este punto, a partir de los datos del estudio de costos se hizo evidente que MEX se convierte en la solución menos costosa, independientemente del volumen de producción.

www.springer.com/journal/40964

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