El progreso de la investigación apunta al potencial de la baja

14 de abril de 2023

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El moldeo por inyección de polvo a baja presión (LPIM) y el moldeo por inyección de polvo a alta presión (HPIM) son procesos de fabricación esencialmente similares. Sin embargo, el proceso LPIM requiere el uso de materias primas de baja viscosidad entre 1,5 y 4,0 Pa·s para aprovechar presiones de inyección más bajas de menos de 1 MPa. Las presiones de inyección de HPIM suelen oscilar entre 20 y 200 MPa, utilizando, por ejemplo, una máquina de moldeo con una unidad hidráulica compleja, pistones y husillos para procesar materias primas con viscosidades que oscilan entre 100 y 1000 Pa·seg.

Las máquinas de moldeo LPIM, por el contrario, tienden a utilizar mecanismos hidráulicos simples y generalmente son de menor tamaño, lo que resulta en menores costos de equipo, menor consumo de energía, menor desgaste del molde, menor contaminación de la materia prima por el desgaste del husillo o pistón, mínima adhesión de la mezcla al molde, y no separación del aglutinante de materia prima del polvo metálico.

LPIM se ha utilizado con éxito para la producción de componentes cerámicos en volúmenes bajos y altos durante varias décadas, mientras que HPIM, durante los últimos treinta o cuarenta años, se ha centrado en gran medida en la producción en grandes volúmenes de una amplia gama de materiales, incluidas aleaciones, materiales duros metales y cerámicas para componentes de formas relativamente pequeñas y muy complejas. Sin embargo, LPIM está atrayendo la atención de los productores y usuarios de componentes de HPIM debido a los ahorros potenciales mediante el uso de equipos de moldeo por inyección de menor costo y tamaño reducido, el desarrollo de aglutinantes de materia prima con fluidez mejorada utilizando polímeros de bajo peso molecular y la eliminación. de múltiples pasos de desvinculación que se requieren en HPIM. Investigaciones recientes han demostrado que LPIM también puede ser un proceso rentable para la creación de prototipos y la producción en pequeñas series de componentes metálicos complejos, de forma casi neta y con alto valor agregado, como para Aplicaciones aeroespaciales y médicas. Sin embargo, el principal desafío para adoptar LPIM es la composición de la materia prima, lo que afecta los problemas asociados con el moldeo por inyección y el posterior desaglomerado.

Para determinar el potencial futuro de LPIM, un grupo de investigadores de la Montanuniversitaet Leoben, Austria (V Momeni, M Hufnagl, Z Shahroodi, S Schuschnigg, C Kukla y C Holzer) y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Luxemburgo ( J González-Gutiérrez), ha elaborado un estudio exhaustivo de las investigaciones publicadas sobre las características de todos los pasos de procesamiento en LPIM, incluidas las características de los polvos metálicos y cerámicos utilizados, los aglutinantes, el moldeado, el desaglomerado y la sinterización. La encuesta de 44 páginas, que incluye 226 referencias de trabajos de investigación tanto académicos como industriales, se publicó en línea en Materials, 16, 379, el 23 de diciembre de 2022.

Los autores de la revisión informaron que los grupos de investigación han utilizado LPIM para producir piezas a partir de una variedad de aleaciones metálicas que incluyen hierro, acero inoxidable 316L, superaleación Inconel 718 y cerámicas y carburos cementados, en el rango de 100 a 10 000 unidades. Se descubrió que los esfuerzos de investigación actuales se centran en el desarrollo de métodos experimentales y simulaciones numéricas para examinar el impacto de las características del polvo, los parámetros de inyección y las propiedades/características de la materia prima en la segregación del polvo metálico y del aglutinante durante LPIM.

Con respecto a la materia prima, se afirmó que los aglutinantes multicomponente de baja viscosidad que se usan típicamente en LPIM se han basado en gran medida en cera de parafina (PW), que garantiza excelentes capacidades de moldeo y promueve las interacciones entre el polvo y el aglutinante y la estabilidad de la materia prima, lo que resulta en poca segregación. Se dice que tales sistemas aglutinantes a base de cera de baja viscosidad excluyen los polímeros debido a su alto peso molecular.

Se afirmó que generalmente no es deseable utilizar una carga de polvo más alta para la materia prima LPIM, ya que podría generar problemas y complicaciones relacionados con el proceso, como aglomeración, falta de homogeneidad en la materia prima y diferentes defectos en cada paso. Además, la ausencia de elementos en el aglutinante que ayuden a mantener la forma a altas temperaturas indica que el desaglomerado y la sinterización precisos deben realizarse con especial cuidado. También puede ser un desafío lograr excelentes características mecánicas con la menor carga de polvo en la materia prima LPIM en comparación con la materia prima HPIM.

Estos son sólo algunos de los desafíos que diferentes investigadores han reportado en la literatura sobre el proceso LPIM. Los autores afirmaron que esta primera revisión exhaustiva de la literatura de los numerosos materiales metálicos y cerámicos investigados procesados ​​por LPIM ayudará a proporcionar una base para cualquier trabajo futuro necesario para superar los desafíos.

La reseña se divide en seis secciones. Después de la Introducción, la Sección 2 describe las características de la materia prima ideal, tanto para metal como para cerámica, como la distribución del tamaño de partículas de polvo (PSD) y sus efectos sobre el área de superficie, la reología y la densidad de empaquetamiento, todo lo cual influye en la fluidez del Materia prima LPIM y llenado homogéneo de las cavidades del molde. Esta sección también cubre los aglutinantes utilizados para la materia prima LPIM, que se componen de múltiples ingredientes para dar cuenta de las numerosas tareas que debe realizar el aglutinante. El aglutinante debe hacer que el polvo fluya, evitar la aglomeración del polvo, evitar la separación de fases y descomponerse gradualmente durante la desaglutinación, y no debe reaccionar químicamente con el polvo.

Además de centrarse en la importancia de la selección del polvo adecuado, numerosos investigadores han propuesto varias composiciones de aglutinantes que pueden usarse con diversos polvos metálicos y cerámicos en el proceso LPIM. En última instancia, la combinación adecuada de aglutinante y polvo en las materias primas de LPIM garantiza piezas de buena calidad obtenidas por LPIM. Como ya se mencionó, los aglutinantes a base de cera se usan generalmente en LPIM, pero en los últimos quince años se ha observado un enfoque cada vez mayor en el uso de polímeros de bajo peso molecular para producir materias primas de baja viscosidad.

Otro desarrollo exitoso es un sistema aglutinante parcialmente soluble en agua utilizado para el LPIM de polvo de alúmina. El sistema aglutinante consta de poli (2-etil-2-oxalina) como porción soluble en agua, LDPE para una alta resistencia durante la desaglutinación, SA y una pequeña cantidad de agente gelificante para disminuir su viscosidad. El LDPE es un polímero termoplástico que se utiliza como columna vertebral en la preparación de materias primas para micro-PIM y LPIM. También se ha informado que LPIM produce piezas de hierro utilizando cuatro partículas de forma irregular tamizadas a <45, <20 y <10 µm (56–58 % en volumen de carga de polvo), así como un polvo de hierro esférico con un d50 tan bajo. como 4 µm (carga de 62 % en volumen) utilizando un sistema aglutinante a base de cera estándar.

La Sección 3 presenta técnicas para caracterizar materias primas; incluyendo reología, análisis térmico y varios métodos para determinar la homogeneidad de las materias primas utilizadas en LPIM.

La sección 4 describe el proceso de moldeo LPIM, que se dice que es muy diferente del HPIM, en tres subsecciones; máquina de inyección y molde, parámetros y defectos, y simulación.

La sección 5 trata sobre el desaglomerado, que es esencial debido al uso de aglutinantes de cera. Se ha descubierto que la desvinculación por mecha térmica es muy exitosa para LPIM.

La sección 6 describe el proceso de sinterización. El paso de sinterización en LPIM es esencialmente muy similar al HPIM: ambos dependen en gran medida del polvo metálico o cerámico utilizado en la materia prima. La baja presión utilizada en LPIM puede afectar la sinterabilidad de los componentes moldeados y desunidos y, en ocasiones, se requiere el uso de aditivos de sinterización.

LPIM se describe en esta encuesta como una tecnología prometedora que ya se utiliza para productos comerciales, y el menor costo de los equipos LPIM lo convierte en un proceso rentable, ya sea para producción de bajo o alto volumen. Un beneficio adicional de LPIM es la capacidad de realizar moldeo por inyección a temperaturas más bajas que HPIM, lo que resulta favorable para algunos polvos específicos, como las aleaciones magnéticas, vulnerables a la oxidación a temperaturas superiores a 200 °C.

En la sección final, los autores describen sus puntos de vista sobre el desarrollo y la aplicación de LPIM y presentan sugerencias interesantes para futuras investigaciones con el potencial de aumentar nuevas oportunidades para el proceso LPIM. También proponen el uso futuro de materia prima LPIM en procesos de fabricación aditiva basados ​​en extrusión de materiales (MEX), como "escritura de tinta directa" y "robocasting", ya que las materias primas se comportan de manera similar a las utilizadas en LPIM.

www.mdpi.com/journal/materials

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