La industria de la fabricación de metales avanza desde el conformado hasta el acabado

Considere los instrumentos de precisión en sus manos o los componentes críticos dentro del motor de un automóvil. ¿Cómo se transforman las materias primas en productos finales con formas, características de rendimiento y propiedades superficiales específicas? La fabricación de piezas metálicas es un proceso complejo que integra múltiples técnicas. Este artículo explora las intrincadas etapas de la producción de componentes metálicos, desde el conformado inicial hasta los tratamientos superficiales avanzados, revelando la ciencia y la tecnología subyacentes. Examinaremos varios procesos de fabricación y discutiremos cómo seleccionar la combinación óptima de técnicas para lograr el mejor rendimiento y eficiencia de costos.

La fabricación de componentes metálicos generalmente implica una serie de procesos, ampliamente categorizados como operaciones primarias y secundarias. Muchas piezas requieren una combinación de ambas. Durante la producción, los componentes sin terminar se denominan "trabajo en curso" (WIP), a la espera de un procesamiento adicional.

• Procesos primarios: Estos dan forma a los materiales en formas cercanas a las dimensiones y la geometría finales. Establecen la estructura fundamental y la distribución del material de la pieza.
• Procesos secundarios: Estos modifican la superficie del WIP, las propiedades del material o aplican recubrimientos. Cuando los procesos primarios por sí solos no pueden cumplir con los requisitos de diseño, se emplean operaciones secundarias. Después del procesamiento primario, el WIP se convierte en el "sustrato". Por ejemplo, en una pieza hecha de alúmina sinterizada con un recubrimiento metálico, la alúmina sirve como sustrato. En un tornillo de acero galvanizado, el acero es el sustrato.

Los procesos primarios forman el núcleo de la fabricación de componentes metálicos, definiendo la estructura básica de la pieza. A continuación se presentan los tipos clave de operaciones primarias:

El moldeo y la fundición implican inyectar material fundido en un molde, permitiendo que se solidifique y luego expulsando la pieza moldeada. Estos métodos se aplican a metales, polímeros y vidrio. Para los plásticos, las técnicas comunes incluyen el moldeo por inyección y el moldeo por soplado; para los metales, la fundición a presión, la fundición en arena y la fundición a la cera perdida son frecuentes.

• Moldeo por inyección de plástico: Los gránulos termoplásticos entran en una tolva y se alimentan en una máquina de inyección. Un tornillo giratorio transporta el material hacia adelante mientras la fricción y las zonas de calentamiento lo derriten. Una vez que se acumula suficiente plástico fundido, el tornillo lo inyecta en la cavidad del molde. Después del enfriamiento, el molde se abre y la pieza se expulsa.
• Fundición a presión: El metal fundido se fuerza en una cavidad del molde. Tras la solidificación, el molde se abre y la pieza se expulsa.

Todos los procesos de moldeo y fundición requieren control sobre la composición del material y la temperatura de fusión. Variables adicionales como la presión de inyección, la temperatura del molde, el tiempo de expulsión y la lubricación del molde también pueden ser críticas.

Este proceso compacta polvo de metal o cerámica en un molde bajo presión, luego lo sinteriza en un horno de alta temperatura para fusionar las partículas en una pieza sólida. El prensado en caliente y el prensado isostático en caliente combinan la compactación y la sinterización.

Las piezas sinterizadas ideales exhiben porosidad controlada, diseñada a través de parámetros de compactación y sinterización para lograr las propiedades deseadas.

Estos procesos dan forma a metales o polímeros sólidos mediante deformación mecánica. Los materiales de partida incluyen láminas, tubos, varillas o piezas en bruto, a veces calentadas para facilitar el conformado. Las piezas metálicas pueden ser estampadas, estiradas, forjadas o extruidas; los polímeros se moldean mediante moldeo por compresión o termoformado.

• Moldeo por compresión: Las piezas de plástico se forman a partir de polvo, gránulos o preformas. A medida que el molde se cierra, la compresión genera cizallamiento, mientras que las mitades del molde calentadas ablandan el material para llenar las cavidades. El calor y la presión continuos curan el plástico.

Este proceso sustractivo elimina material de láminas, bloques o barras para refinar piezas fundidas o moldeadas, lograr tolerancias más estrictas o alterar la estética. Las técnicas incluyen mecanizado, grabado químico y procesamiento con haz láser, aplicables a metales, polímeros y cerámicas.

• Mecanizado: Abarca el rectificado, el fresado y el taladrado.
• Grabado químico: Crea características finas en láminas de metal delgadas o elimina secciones no deseadas.
• Procesamiento con haz láser: Perfora o corta metales, polímeros y cerámicas.

La laminación ensambla capas individuales de material en estructuras multicapa, a menudo para compuestos. Las capas se presionan juntas con o sin adhesivos, a veces bajo calor.

Los procesos secundarios modifican los WIP y se dividen en tres categorías:

• Modificación del material: Altera las propiedades en toda la sección transversal de la pieza.
• Modificación de la superficie: Cambia las características de la superficie.
• Deposición de recubrimientos: Aplica o hace crecer recubrimientos en las superficies.

El tratamiento térmico altera la microestructura del metal para mejorar la resistencia, la ductilidad o las propiedades magnéticas. Los ciclos de calentamiento y enfriamiento controlados varían según el material y los resultados deseados.

• Aleaciones de acero: Se calientan en hornos o hornos, luego se enfrían a velocidades que afectan la microestructura. El enfriamiento lento se produce en el aire; el enfriamiento rápido utiliza aceite o agua.
• Aleaciones de aluminio, cobre y níquel: Se fortalecen mediante tratamiento de solución (calentamiento y enfriamiento rápido) seguido de endurecimiento por precipitación (envejecimiento a temperaturas más bajas).

Los métodos químicos, mecánicos o térmicos refinan la composición, textura o química de la superficie para mejorar la resistencia al desgaste, la vida a la fatiga, la fricción o la capacidad de unión.

• Tratamiento térmico superficial: Procesos como el endurecimiento por inducción, láser o llama crean capas superficiales duraderas sobre un núcleo dúctil.
• Procesos termoquímicos: La carburación, la nitruración o la carbonitruración difunden elementos en las superficies para formar capas duras.
• Procesos mecánicos: Granallado (mejora la resistencia a la fatiga), chorreado con arena (limpia/rugosa) o rectificado (acaba las superficies).
• Limpieza química: Elimina contaminantes utilizando ácidos, álcalis o disolventes.

Las capas delgadas (de nanómetros a micrómetros) mejoran el desgaste, la resistencia a la corrosión o la estética más allá de las capacidades del sustrato. Los ejemplos incluyen:

• Electrodeposición: Sumerge las piezas en soluciones conductoras; la corriente deposita iones metálicos (por ejemplo, cobre, oro, níquel) en las superficies.
• Recubrimientos de conversión: Crecen mediante reacciones químicas (por ejemplo, fosfatado en acero, cromatado en aluminio).
• Anodizado: Oxida electroquímicamente las superficies de aluminio, magnesio o titanio.
• Pintura/Recubrimiento en polvo: Aplica líquidos a base de polímeros o polvos secos, curados mediante calentamiento.
• Deposición al vacío: Pulveriza o evapora metales (por ejemplo, aluminio, titanio) en cámaras de vacío.
• Pulverización térmica: Proyecta gotas fundidas (metales, cerámicas) sobre las superficies mediante métodos de llama, arco o plasma.

Algunos componentes se someten a múltiples procesos secundarios. Por ejemplo, el chorreado con arena puede preceder a la pintura para limpiar y rugosificar las superficies. Los materiales de pre-recubrimiento (por ejemplo, zinc en láminas de acero) antes del conformado pueden reducir los costos en comparación con el recubrimiento posterior al conformado.

Más allá del conformado a granel, la deposición, el grabado o las técnicas de conversión química construyen estructuras intrincadas, particularmente en electrónica (por ejemplo, circuitos integrados, MEMS). Aquí, los sustratos brindan soporte mecánico mientras se integran en diseños funcionales.