La fabricación y mantenimiento adecuados de herramientas de fundición a presión son de vital importancia para la industria de la fundición: como uno de los medios de producción más costosos, determinan en gran medida la calidad, eficiencia y rentabilidad. Las formas y insertos complejos fácilmente alcanzan costos de adquisición en el rango de seis cifras en euros, y su funcionamiento sin restricciones durante años es indispensable para la producción. Deben soportar cargas extremas. En la fundición a presión, las temperaturas de hasta 700 °C afectan al material del molde, mientras que las herramientas están expuestas simultáneamente a fuerzas mecánicas de varios cientos de kilonewtons. A esto se suman las cargas abrasivas en la superficie de la herramienta y los ataques químicos por parte de los elementos de aleación de los materiales de fundición. Las tensiones térmicas y el desgaste del material conducen a la formación de grietas, erosión y desgaste abrasivo. Incluso con un diseño óptimo y una fabricación cuidadosa de los moldes, su desgaste es un factor inevitable que en algún momento obliga a un intercambio de herramientas. Si este caso ocurre de manera imprevista, se generan altos costos adicionales.
La importancia económica es considerable: cada fallo de herramienta significa paradas en la producción, tiempos de ajuste adicionales y, a veces, la fabricación de nuevos insertos o incluso herramientas completas. Además, existe una presión creciente para fabricar y operar moldes de manera no solo económica, sino también sostenible. 'En una industria donde cada minuto de tiempo de producción cuenta, necesitamos procesos que alarguen los ciclos de vida de las herramientas, reduzcan los tiempos de inactividad y optimicen ecológicamente los procesos de producción', dice el Dr. Thomas Schopphoven, jefe del departamento de soldadura láser por deposición en el Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT en Aachen.
Enfoques clásicos como el uso de aceros de herramientas altamente aleados se enfrentan a límites físicos. Mayor dureza y resistencia al desgaste a menudo significan un procesamiento complicado, largos tiempos de entrega y altos costos de materias primas. Además de los aspectos de la vida útil, también aumentan las exigencias de flexibilidad en la fabricación de herramientas: las modificaciones de productos requieren cambios regulares en los insertos de moldes, sistemas de alimentación y refrigeración, lo que representa desafíos adicionales para la construcción de herramientas.
Por lo tanto, la búsqueda de soluciones debe ir más allá de las estrategias anteriores. Convencionalmente, las herramientas están hechas de un solo material, lo que limita su capacidad de rendimiento y dificulta su reparación. Tecnologías de fabricación innovadoras como la deposición de material láser (LMD) no solo permiten la reparación de herramientas, sino también el recubrimiento selectivo de áreas especialmente sometidas a carga y la adaptación flexible de geometrías mediante enfoques de fabricación híbrido-aditivos. De este modo, los moldes pueden utilizarse durante más tiempo, adaptarse más rápidamente y operar de manera más sostenible en términos de recursos.
En una época en la que la economía circular también está ganando importancia en la construcción de herramientas industriales, esta tecnología tiene un enorme potencial a futuro.
Deposición de material láser y EHLA
La deposición de material láser, a menudo llamada soldadura láser por deposición, es un proceso de fabricación aditiva que se ha difundido industrialmente en numerosas industrias, como la reparación de componentes de turbomaquinaria o el recubrimiento de rodillos y cilindros. El principio es simple, las posibilidades son notables. Un rayo láser crea un baño de fusión con un tamaño ajustable exactamente en la superficie de una pieza de trabajo, mientras que simultáneamente se introduce un polvo metálico en este baño de fusión.
A través del control preciso de las trayectorias del proceso, se aplica material localmente capa por capa, lo que no solo permite reconstruir áreas desgastadas, sino también crear nuevas geometrías funcionales. La particularidad radica en el alto control del proceso: los parámetros del láser, la alimentación de polvo y la velocidad de avance se ajustan exactamente entre sí, de modo que la entrada de calor se mantenga al mínimo y se reduzcan las cargas térmicas.
Un desarrollo posterior de este proceso es la soldadura láser por deposición de alta velocidad extrema (EHLA), que el Dr. Schopphoven desarrolló hace algunos años en el Fraunhofer ILT: 'Mientras que el LMD clásico se utiliza principalmente para capas más gruesas en el rango de milímetros, EHLA permite la producción de recubrimientos muy delgados y resistentes al desgaste con grosores de capa a partir de aproximadamente 30 µm.' Esto se realiza a una velocidad que hace honor al nombre del proceso: se pueden alcanzar varios cientos de metros por minuto. La técnica ya se ha establecido en numerosas industrias; varios cientos de sistemas EHLA ya están en uso industrial en todo el mundo.
La ventaja decisiva radica en la precisión y eficiencia: EHLA permite procesar incluso combinaciones de materiales difíciles de soldar, como aceros de herramientas altamente aleados o carburo, de manera segura en el proceso, al mismo tiempo que consume poca energía.
Con EHLA3D, el proceso alcanza un nuevo nivel. A través de la integración en instalaciones CNC de 5 ejes, la tecnología se puede utilizar no solo para recubrimientos y reparaciones menores, sino también para fabricación aditiva. Geometrías complejas de forma libre pueden construirse de manera cercana a la forma en semiproductos. De este modo, la tecnología combina posibilidades de los campos de fabricación, recubrimiento y reparación en un único proceso que se puede utilizar tanto para la producción de nuevas herramientas como para su regeneración. Especialmente interesante para la construcción de herramientas es la posibilidad de reforzar zonas funcionales de manera específica sin tener que fabricar toda la herramienta de nuevo. La baja entrada de calor permite el procesamiento de geometrías sensibles sin deformaciones, mientras que la alta tasa de deposición permite una fabricación económica incluso de grandes superficies.
Beneficios para la industria de la fundición
Las ventajas de LMD y EHLA para la industria de la fundición son diversas y van mucho más allá de una prolongación de la vida útil de las herramientas. Especialmente para moldes de fundición a presión, que están expuestos a cambios extremos de temperatura y desgaste abrasivo, el proceso ofrece un claro valor añadido económico y técnico.
Los trabajos de investigación actuales muestran que mediante el recubrimiento específico de zonas funcionales se puede reducir significativamente la pérdida de material por desgaste.
En pruebas de desgaste por fricción deslizante, se han observado mejoras de hasta un factor de 40 en comparación con el acero de herramienta convencional, dependiendo de la aleación elegida y la conducción del proceso. Materiales como un material formador de carburo altamente aleado logran durezas de hasta 930 HV con un enlace materialmente seguro al material base. Estos resultados demuestran de manera impresionante que los tiempos de vida de las herramientas se pueden aumentar significativamente, lo que tiene un impacto directo en la seguridad de producción y la rentabilidad.
Además de aumentar la vida útil, LMD permite un uso más eficiente de los materiales. Mientras que las herramientas convencionales a menudo están fabricadas completamente de acero de herramienta caro y altamente aleado, el uso de LMD permite utilizar un acero estructural más económico como sustrato. Solo las áreas que realmente están expuestas a altas cargas se recubren con una aleación dura. Este principio de "material a demanda" no solo reduce los costos, sino que también disminuye el esfuerzo de mecanizado. Gracias a la aplicación near-net-shape, se elimina gran parte de las costosas operaciones de fresado, y las formas se pueden poner en funcionamiento más rápidamente.
Las herramientas que hasta ahora debían ser reemplazadas por completo al aparecer grietas o roturas, pueden hoy ser regeneradas mediante LMD. Las zonas dañadas se sueldan de manera específica y luego se mecanizan, de modo que las herramientas vuelven a alcanzar la geometría original. Esta posibilidad no solo abre potenciales de ahorro económico, sino que también reduce la dependencia de largas cadenas de suministro para nuevas formas. Especialmente en el caso de grandes y complejas herramientas de fundición a presión, que requieren procesos de fabricación individuales, esta flexibilidad es un factor decisivo.
AI-SLAM: Reparación automatizada con inteligencia artificial
Un paso decisivo hacia la aplicación en serie de la deposición de material por láser en la construcción de herramientas es la creciente automatización. En el proyecto de investigación AI-SLAM (Mejora de la Inteligencia Artificial en la Detección de Procesos para la Fabricación Aditiva Láser Adaptativa), los expertos del Fraunhofer ILT, junto con socios internacionales, han demostrado que los procesos de recubrimiento y reparación se pueden automatizar utilizando sensores e inteligencia artificial.
En el proyecto AI-SLAM, un láser de línea con cámara captura la superficie desgastada de una herramienta para la industria minera y la compara con la geometría CAD original. A partir de la diferencia, el software calcula las trayectorias exactas y el grosor de capa necesario para restaurar el contorno original. La planificación de la trayectoria se realiza automáticamente, y incluso durante el proceso, la IA verifica el procedimiento. Las desviaciones en el tamaño o la forma del baño de fusión o en la geometría se detectan de inmediato y se corrigen mediante parámetros de proceso ajustados.
Una particularidad radica en la variedad de magnitudes supervisadas. Además de la geometría, los pirómetros registran la temperatura, las cámaras analizan la forma del baño de fusión y los perfilómetros controlan la construcción de capas. Estos flujos de datos se integran en tiempo real y son evaluados por la inteligencia artificial. El personal operativo ya no necesita ajustar manualmente parámetros complejos, sino que solo debe dar la orden de inicio; el sistema se encarga del control del proceso. De este modo, se reduce la dependencia de profesionales altamente especializados, que hasta ahora eran indispensables para el uso exitoso de LMD.
También para la industria de la fundición, esto representa un avance significativo. Las reparaciones de moldes de fundición a presión, que hasta ahora debían ser planificadas de manera laboriosa y realizadas con mucha experiencia, se podrán llevar a cabo de forma reproducible y estandarizada en el futuro. Especialmente interesante es la posibilidad de regenerar automáticamente herramientas grandes y complejas. Los defectos no solo se detectan, sino que se corrigen de inmediato, lo que reduce drásticamente los tiempos de inactividad. Además, los resultados se pueden documentar y verificar, lo que es esencial para una aplicación en serie en el entorno industrial.
Con el proyecto AI-SLAM se crea una perspectiva en la que las herramientas ya no se consideran piezas de desgaste, sino que se ven como inversiones duraderas que pueden ser optimizadas y mejoradas a lo largo de todo su ciclo de vida.
Enfoque innovador para la fabricación de herramientas de conformado.
El Fraunhofer ILT ha presentado un enfoque innovador para la fabricación de herramientas de conformado para placas bipolares en el proyecto H2GO (Plan de Acción Nacional para la Producción de Pilas de Combustible). En lugar de fresar herramientas de manera intensiva en tiempo y material a partir de un bloque sólido, se aplica una capa funcional resistente al desgaste directamente sobre acero estructural de bajo costo mediante EHLA. De esta manera, las herramientas se producen más rápidamente, a un costo menor y con un uso de material significativamente reducido.
Como materiales de recubrimiento se utilizan, entre otros, el acero rápido 1.3343 y Ferro55, que alcanzan valores de dureza de hasta 865 HV0,5. Un pedido típico de EHLA genera por capa aproximadamente 0,05 mm a 0,15 mm de grosor de capa; mediante varias capas se puede construir de manera precisa el contorno final requerido. Este procedimiento no solo ahorra tiempo de fresado, herramientas y costos de material, sino que también aumenta la vida útil de las formas fabricadas.
Un demostrador hizo visible todo el proceso: desde el recubrimiento EHLA, pasando por el acabado final, hasta la estructuración de las superficies funcionales con láseres de pulso ultracorto. En cooperación con el Fraunhofer IPT, las herramientas fabricadas de esta manera se están probando actualmente en condiciones realistas. El objetivo es validar la vida útil de las herramientas recubiertas con EHLA bajo escenarios de carga industrial.
Una ventaja decisiva ya se manifiesta: con el procedimiento se pueden aplicar aleaciones especialmente duras y estables a largo plazo en la superficie de las herramientas, que apenas se pueden procesar de manera convencional o solo con gran dificultad. Esto aumenta considerablemente la vida útil de las herramientas, lo que contribuye directamente a la reducción de los costos de producción. Además, EHLA permite una aplicación selectiva en el lugar: se pueden reparar de manera específica áreas defectuosas o desgastadas, lo que permite reutilizar las herramientas varias veces. Esta posibilidad de reutilización representa otro tornillo prometedor para la reducción de costos y, además, abre perspectivas para la fabricación de herramientas en otras industrias.
"La transferencia de estos enfoques a la industria de la fundición puede revolucionar los procesos actuales en la construcción de herramientas", está seguro Thomas Schopphoven. "En lugar de adquirir nuevas formas en ciclos fijos, las empresas pueden utilizar sus herramientas existentes de manera más prolongada y eficiente." Al mismo tiempo, el LMD ofrece la posibilidad de adaptar las herramientas continuamente a nuevos diseños de productos y requisitos de fabricación. En tiempos en los que la flexibilidad y la velocidad, la resiliencia y la independencia de las cadenas de suministro representan ventajas competitivas decisivas, la soldadura por láser se convertirá en una tecnología clave para el futuro de la construcción de herramientas.
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