Moldeo por inyección de metales

El moldeo por inyección de metal ( MIM ) es un proceso de metalurgia en el que se mezcla metal finamente pulverizado con un material aglutinante para crear una materia prima que luego se moldea y solidifica mediante moldeo por inyección . El moldeo por inyección de metal combina las características más útiles de la metalurgia de polvos y el moldeo por inyección de plástico para facilitar la producción de componentes metálicos pequeños y de formas complejas con excelentes propiedades mecánicas. ^{[ 1 ]} El proceso de moldeo permite dar forma a piezas complejas de alto volumen en un solo paso. Después del moldeo, la pieza se somete a operaciones de acondicionamiento para eliminar el aglutinante (desaglutinante) y densificar los polvos. Los productos terminados son componentes pequeños que se utilizan en muchas industrias y aplicaciones.

El comportamiento de la materia prima MIM se rige por la reología , el estudio de lodos, suspensiones y otros fluidos no newtonianos.

Debido a las limitaciones de los equipos actuales de moldeo por inyección, los productos deben moldearse utilizando cantidades de 100  gramos o menos por inyección en el molde. Esta inyección se puede distribuir en múltiples cavidades, lo que hace que el MIM sea rentable para productos pequeños, complejos y de alto volumen, cuya producción sería costosa de otro modo. La materia prima para MIM puede estar compuesta de una gran variedad de metales, pero los más comunes son los aceros inoxidables, ampliamente utilizados en la metalurgia de polvos . Después del moldeo inicial, se retira el aglutinante de la materia prima y las partículas metálicas se unen por difusión y se densifican para lograr las propiedades de resistencia deseadas. Esta última operación suele reducir el tamaño del producto en un 15 % en cada dimensión.

El mercado del moldeo por inyección de metales ha crecido de 9 millones de dólares en 1986 a 382 millones de dólares en 2004 y a más de 1.500 millones de dólares en 2015. Una tecnología relacionada es el moldeo por inyección de polvo cerámico, que genera ventas totales de aproximadamente 2.000 millones de dólares. La mayor parte del crecimiento en los últimos años se ha producido en Asia. ^{[ 2 ]}

En la monografía PO Gribovsky, publicada en 1956, describe en detalle la tecnología de fundición en caliente (moldeo en caliente) de productos cerámicos bajo presión (ahora, moldeo por inyección de polvo a baja presión) y, en particular, señala que "la tecnología de fundición en caliente proporciona la capacidad de fabricar productos a partir de cualquier material sólido, desde minerales naturales, óxidos puros, carburos, metales, etc., hasta materiales sintéticos compuestos multicomponentes y sus combinaciones". ^{[ 3 ]} Esta indicación de la posibilidad de la fundición MIM, que fue implementada por el Dr. Raymond E. Wiech Jr. en la década de 1970, quien perfeccionó la tecnología MIM como cofundador de una empresa californiana llamada Parmatech , nombre que se condensa de la frase "tecnología de materiales de partículas". ^{[ 4 ]} Wiech patentó posteriormente ^{[ 5 ]} su proceso, y fue ampliamente adoptado para su uso en la fabricación en la década de 1980.

La tecnología MIM ganó reconocimiento durante la década de 1990, ya que las mejoras en los procesos de acondicionamiento posteriores dieron como resultado un producto final con un rendimiento similar o superior al de los fabricados mediante procesos de la competencia. La tecnología MIM mejoró la rentabilidad gracias a la producción en grandes volúmenes con forma final, eliminando operaciones adicionales costosas como el mecanizado, si bien presenta limitaciones en cuanto a la precisión de las especificaciones dimensionales.

Los pasos del proceso implican combinar polvos metálicos con polímeros como cera y aglutinantes de polipropileno para producir la mezcla de "materia prima" que se inyecta en estado líquido en un molde mediante máquinas de moldeo por inyección de plástico. La pieza moldeada o "pieza verde" se enfría y se extrae del molde. A continuación, se elimina una porción del material aglutinante mediante solventes, hornos térmicos, procesos catalíticos o una combinación de métodos. La pieza resultante, frágil y porosa (40 % de "aire" en volumen), se encuentra en una condición denominada etapa "marrón". Para facilitar su manipulación, a menudo se combinan el desaglutinado y la sinterización en un solo proceso. La sinterización calienta el polvo a temperaturas cercanas al punto de fusión en un horno de atmósfera protectora para densificar las partículas mediante fuerzas capilares . Las piezas MIM a menudo se sinterizan a temperaturas casi lo suficientemente altas como para inducir la fusión parcial en un proceso denominado sinterización en fase líquida. Por ejemplo, un acero inoxidable podría calentarse a 1350 a 1400 °C (2460 a 2550 °F) . Las tasas de difusión son altas, lo que lleva a una alta contracción y densificación. Si se realiza en vacío, es común alcanzar una densidad sólida del 96-99 %. El metal del producto final tiene propiedades mecánicas y físicas comparables a las de las piezas recocidas hechas usando métodos clásicos de trabajo de metales. Los tratamientos térmicos posteriores a la sinterización para MIM son los mismos que con otras rutas de fabricación, y con alta densidad el componente MIM es compatible con tratamientos de acondicionamiento de metales tales como recubrimiento , pasivado , recocido, carburación , nitruración y endurecimiento por precipitación .  

La ventaja económica de las piezas moldeadas por inyección de metal reside en su complejidad y volumen para piezas de pequeño tamaño. Los materiales MIM son comparables a los metales fabricados mediante otros métodos, y los productos finales se utilizan en una amplia gama de aplicaciones industriales, comerciales, médicas, dentales, de armas de fuego, aeroespaciales y automotrices . Las tolerancias dimensionales de ±0,3 % son comunes, y se requiere mecanizado para tolerancias más ajustadas. MIM permite producir piezas cuya fabricación eficiente mediante otros métodos resulta difícil, o incluso imposible. Idealmente, un componente de tan solo 25  mm de tamaño máximo y 10 g de masa requiere al menos 75 especificaciones dimensionales, como por ejemplo, para cajas de relojes, conectores de teléfonos móviles y bisagras de ordenadores portátiles. Los costes adicionales de los métodos de fabricación tradicionales, inherentes a la complejidad de las piezas (como roscas internas/externas, miniaturización o marcado de identidad), no suelen incrementar el coste en una operación MIM debido a la flexibilidad del moldeo por inyección.

Otras capacidades de diseño que se pueden implementar en la operación MIM incluyen códigos de producto, números de pieza o sellos de fecha; piezas fabricadas a su peso neto, lo que reduce el desperdicio de material y el costo; densidad controlada dentro del 95-99%; fusión de piezas y geometrías 3D complejas. ^{[ 6 ]}

La capacidad de combinar varias operaciones en un solo proceso garantiza que la MIM sea eficaz para reducir los plazos de entrega y los costes, lo que proporciona importantes beneficios a los fabricantes. El proceso de moldeo por inyección de metal podría considerarse una tecnología ecológica debido a la considerable reducción de residuos en comparación con los métodos de fabricación "tradicionales", como el mecanizado CNC de 5 ejes. Sin embargo, algunas de las operaciones más antiguas generan emisiones tóxicas, como formaldehído , eliminan disolventes clorados y requieren la quema de cera u otros polímeros, lo que produce emisiones de gases de efecto invernadero .

Existe una amplia gama de materiales disponibles al utilizar el proceso MIM. Los procesos tradicionales de metalurgia suelen generar una cantidad significativa de desperdicio de material, lo que convierte a MIM en una opción altamente eficiente para la fabricación de componentes complejos compuestos de aleaciones costosas o especiales ( cobalto-cromo , acero inoxidable 17-4 PH , aleaciones de titanio y carburos de tungsteno ). MIM es una opción viable cuando se requieren paredes extremadamente delgadas (es decir, de 100 micrómetros). Además, los requisitos de blindaje contra interferencias electromagnéticas han presentado desafíos únicos, que se están superando con éxito mediante la utilización de aleaciones especiales ( ASTM A753 Tipo 4). ^{[ 7 ]}

• Puede fabricar productos de polvo metálico con alta densidad (99%) y buena rugosidad superficial (1 μm Ra). ^{[ 8 ]}
• Permite la libertad de fabricar formas complejas que, con otros métodos, se considerarían prohibitivas en cuanto a costes.
• Permite la fabricación de piezas de tamaño micrométrico en grandes volúmenes.
• Logra características de forma final como roscas internas y externas, orificios perfilados y texturas superficiales finamente detalladas, moleteado, grabados y marcas.

Si bien MIM tiene muchas ventajas, también presenta algunas desventajas:

• Mayor coste inicial: Se requiere una elevada inversión inicial debido a los costes de fabricación de las herramientas y de las materias primas.
• Limitación de tamaño: La tecnología MIM es muy buena para piezas pequeñas, pero no es adecuada para la fabricación de piezas de más de 20  cm.
• Cantidad: La tecnología MIM solo es adecuada para tiradas de gran volumen.

Fundición a presión

• El proceso MIM
• ¿Qué es MIM?