Debido a los crecientes requisitos regulatorios, los proveedores de tecnología de producción en todo el mundo enfrentan el desafío de integrar materiales de alto rendimiento y respetuosos con el medio ambiente. Las soluciones que ya existen se mostrarán en la EMO Hannover 2025, la feria líder mundial de tecnología de producción, del 22 al 26 de septiembre. En particular, las espumas metálicas y los sustitutos de sustancias perfluoradas y polifluoradas (PFAS) están en el foco de atención.
Las espumas metálicas ayudan a diseñar máquinas de manera más eficiente, más ligeras y al mismo tiempo más estables. El material altamente poroso presenta, al igual que sus modelos naturales como huesos o madera, una estructura celular que puede absorber energía en forma de vibraciones, impactos o sonido.
Como hornear pan
La espuma de aluminio se puede fabricar mediante un proceso que, en principio, es similar a la cocción de pan. Se toman polvos, agentes de expansión y calor, y se obtiene la espuma de aluminio. En detalle, la fabricación del material de alta tecnología es, por supuesto, un poco más compleja. 'Para la fabricación de espumas de aluminio, se mezclan un polvo de aleación de aluminio y un polvo de agente de expansión, generalmente se compactan previamente mediante prensado axial y luego se densifican mediante extrusión en hilos espumables', explica Carsten Lies, jefe del departamento de construcción ligera funcional integrada en el Instituto Fraunhofer de Máquinas Herramientas y Tecnología de Formado (IWU) en Chemnitz. 'Para la fabricación de sándwiches de espuma de aluminio, se colocan hilos de aluminio espumables cortados entre dos chapas de cubierta posicionadas a cierta distancia entre sí', describe el ingeniero el proceso de producción.
En el tratamiento térmico posterior, el aluminio espumable se expande varias veces. La espuma resultante se une firmemente a las dos chapas de cubierta para formar un sándwich. Después de enfriarse, el sándwich se corta a las dimensiones finales. 'Las espumas metálicas, especialmente las espumas de aluminio, se utilizan principalmente como material núcleo en sándwiches', explica Lies. Sus chapas de cubierta suelen estar fabricadas de acero o aluminio. 'Las capas de cubierta absorben las cargas aplicadas, el núcleo mantiene las chapas a una distancia constante', explica el investigador de Fraunhofer las propiedades especiales del material de alta tecnología. La unión entre las capas de cubierta y el núcleo generalmente se realiza mediante un cierre de material metálico.
Aéreo, ligero y rígido: sándwich con relleno de espuma
'Los sándwiches presentan una rigidez a la flexión muy alta dependiendo del diseño. Este efecto se utiliza para hacer que los conjuntos sean más ligeros y al mismo tiempo mantener o incluso mejorar la rigidez del conjunto', dice Lies. Reemplazan elementos masivos del conjunto convencional. Dependiendo del criterio de optimización, según el investigador, se pueden lograr ahorros de peso significativos con la misma rigidez (hasta un 30 por ciento) o aumentos significativos de rigidez con el mismo peso. Por lo tanto, las ventajas concretas del uso de espuma metálica en la máquina en términos de eficiencia y sostenibilidad son, según Lies, 'una amortiguación significativamente mejorada gracias al núcleo de espuma y un ahorro de peso significativo mediante el uso de sándwiches'.
Positivo para el balance ambiental es también que las espumas metálicas se pueden reciclar sin problemas. 'Dado que no se utiliza adhesivo para la fabricación de sándwiches, el material se puede introducir en los ciclos existentes para el procesamiento de chatarra metálica de acero y aluminio', dice el investigador de Chemnitz.
A medida de 3D
Los componentes de espuma metálica, o más precisamente los componentes de materiales híbridos porosos (HyPo), también se pueden fabricar mediante impresión 3D. La ventaja de la espuma metálica fabricada aditivamente: las cámaras de aire se pueden organizar con precisión. Los componentes producidos de esta manera se pueden optimizar para casos de uso específicos, ya que el ajuste graduado de la estructura de poros en el interior del componente permite más opciones que las burbujas de aire en el metal, como se forman al espumar mediante gas. Así, en la impresora 3D, se pueden crear componentes de máquina a medida y con propiedades definidas con precisión.
'Un ajuste graduado de la estructura de poros y los perfiles de propiedades es difícil o prácticamente imposible en un material fabricado monolíticamente, ya que o bien el proceso de fabricación o el posterior procesamiento hasta la geometría final del componente no se ajustan a las condiciones finales de carga', explica Thomas Hassel del Instituto de Ciencia de Materiales de la Universidad Leibniz de Hannover (LUH). La fabricación aditiva logra, como destaca el ingeniero doctorado, una 'producción cercana a la forma final' de los componentes y al mismo tiempo introduce la gradación en los lugares correspondientes de tal manera que se posiciona exactamente en el perfil de requisitos.
Qué aplicaciones concretas existen en la construcción de máquinas herramienta y cómo el material innovador puede ayudar a aumentar la eficiencia y la sostenibilidad en la fábrica es objeto de investigación. En el foco están, entre otros, los componentes de una máquina herramienta (cambiadores de herramientas, portaherramientas, carros de husillo) en términos de su rigidez, amortiguación, comportamiento termoelástico, desequilibrio, así como su dureza y calidad de superficie, explica Hassel. A través de la implementación de los componentes HyPo, por ejemplo, en una fresadora, se investiga qué ventajas se obtienen mediante los componentes graduados. 'Se debe analizar el comportamiento operativo durante el procesamiento, ya que el fresado abarca una amplia gama de diferentes condiciones de carga', dice Hassel. 'Esto permite determinar el impacto del componente HyPo en las propiedades mecánicas y térmicas de la máquina y mejorar significativamente el rendimiento de tales máquinas.'
Reemplazo de sustancias químicas eternas
Más sostenibilidad a través de materiales ligeros es uno de los muchos enfoques para mejorar el balance ambiental en la producción industrial. Además, se están enfocando cada vez más en alternativas respetuosas con el medio ambiente para las llamadas sustancias químicas eternas. En el centro de atención están, entre otros, las sustancias perfluoradas y polifluoradas (PFAS), que se utilizan en la producción, especialmente donde hay condiciones extremas: altas temperaturas, fuerte abrasión o condiciones químicas agresivas. Las PFAS se encuentran, entre otras cosas, en sellos, tuberías o accesorios.
La posibilidad de una sustitución de PFAS debe ser "evaluada de manera individual según el caso de aplicación y no se puede responder de manera general", dice Frank Schönberger, jefe del departamento de síntesis y formulación en el Instituto Fraunhofer para la resistencia operativa y la fiabilidad del sistema LBF de Darmstadt. "Un reemplazo 1:1 de polímeros de fluorocarbono generalmente no es posible, sino que siempre depende de los requisitos individuales de cada aplicación."
Existen casos en los que un fluoropolímero puede ser reemplazado por otro polímero de alto rendimiento (como PEEK, PEI o PPS) según los requisitos, por ejemplo, cuando los requisitos de temperatura y medios son moderados o en el ámbito de compuestos tribológicos. "Pero también hay áreas de aplicación donde los requisitos complejos – hasta la fecha – no pueden ser cumplidos por ningún otro material", aclara el investigador. "Los fluoropolímeros poseen una resistencia química prácticamente universal y tienen una alta resistencia a la temperatura. En aplicaciones donde esto es requerido, como en bombas o instalaciones que deben soportar diferentes medios bajo diversas condiciones, los fluoropolímeros aún no son reemplazables", resume Schönberger y añade: "Las oportunidades pueden surgir en aplicaciones donde no se requiere todo el potencial de los fluoropolímeros y en situaciones donde, por ejemplo, es posible un rediseño."
La sustitución de PFAS también es relevante para EE. UU.
Según Schönberger, la sustitución de PFAS también es relevante para mercados fuera de Europa, especialmente en EE. UU. Además, en los Estados Unidos existen regulaciones que dependen en parte del estado correspondiente. Esto también muestra: mayor sostenibilidad en la tecnología de producción es un desafío global que debe ser abordado en las fábricas de todas las naciones industrializadas.
Autor: Daniel Schauber
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