Fabricación aditiva para herramientas de fundición a presión complejas

La industria automotriz se enfrenta al reto de fabricar componentes de aluminio de gran tamaño de forma más rápida, rentable y con herramientas de mayor vida útil. Junto con MacLean-Fogg y Toyota, Fraunhofer ILT ha fabricado con éxito mediante fabricación aditiva un inserto de herramienta de fundición a presión de gran tamaño, utilizando un acero para herramientas de nuevo desarrollo y un sistema LPBF escalable. El proyecto demuestra que la fabricación aditiva ya no se limita a insertos de herramientas pequeñas, sino que ahora también permite fabricar herramientas de gran envergadura con refrigeración conformal. Para fabricantes como Toyota, esto se traduce en una mayor vida útil, ciclos de desarrollo más cortos y menores costes.

Fraunhofer ILT y MacLean-Fogg han creado conjuntamente una compleja incrustación de herramienta de fundición a presión mediante fusión láser de lecho de polvo (PBF-LB/M). El acero para herramientas L-40, desarrollado expresamente, posibilita por primera vez la fabricación aditiva de herramientas de gran volumen y con cargas elevadas, implementando así la refrigeración conformal. Los resultados iniciales con herramientas más pequeñas, que Toyota ya utiliza en la fabricación en serie, muestran una vida útil significativamente mayor en las herramientas fabricadas de forma aditiva. En el proyecto actual, se creó una herramienta híbrida de gran volumen para la carcasa de la transmisión del Toyota Yaris Hybrid. El proceso combinado de preformas convencionales y estructuras fabricadas de forma aditiva acorta el tiempo de producción, reduce los costes y permite un gran número de variantes en una plataforma de herramientas combinada.
La industria automotriz se encuentra inmersa en un proceso de transformación profundo. La presión de los costes y la transición hacia la electromovilidad obligan a muchos fabricantes a replantear radicalmente la arquitectura de sus vehículos y sus procesos de producción. Muchos fabricantes están reduciendo el número de piezas prensadas individuales y se esfuerzan por reducir al mínimo los componentes estructurales, pero de gran complejidad. Especialmente en el caso de componentes de aluminio de gran tamaño, como el chasis o la transmisión, esto también aumenta las exigencias en relación a las herramientas: deben ser altamente resistentes al calor, permitir variantes y poder adaptarse a nuevas geometrías con la mayor rapidez posible.
Esta transición implica nuevos retos: los moldes de fundición necesarios no solo deben ser más grandes que antes, sino también más resistentes, con geometrías complejas y tiempos de desarrollo más cortos. Precisamente aquí es donde entra en juego un proyecto del Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser (ILT), en colaboración con el fabricante de polvo L-40 MacLean-Fogg y Toyota como usuario final.
Mediante el uso de una máquina gantry PBF-LB/M desarrollada en Fraunhofer ILT con un volumen de construcción escalable y el acero para herramientas desarrollado por MacLean-Fogg para fabricación aditiva, se pudieron fabricar por primera vez de forma aditiva moldes de fundición a presión muy grandes con refrigeración cercana al contorno, adecuados para componentes de fundición a presión de alta presión (HPDC) de gran volumen.

Anteriormente, las geometrías masivas generaban tensiones residuales y defectos críticos en piezas fabricadas mediante PBF-LB/M
A medida que los procesos de fundición a gran escala se consolidan, aumentan las exigencias en relación a las herramientas utilizadas en HPDC. Los moldes deben mantener constantemente la precisión de la calidad de los componentes en cantidades muy elevadas y soportar cargas mecánicas y térmicas extremas. Para garantizar una vida útil suficiente de las incrustaciones de las herramientas, estas requieren complejas estructuras de refrigeración interna, imposibles de fabricar mediante procesos de fabricación convencionales.
Dos problemas clave han limitado hasta la fecha los procesos aditivos para la fabricación de moldes de fundición a presión de gran formato: en primer lugar, el volumen de construcción disponible de las máquinas PBF-LB/M clásicas es demasiado pequeño como para fabricar insertos de matriz o molde con dimensiones de 600 x 600 mm² o más en una sola pieza. En segundo lugar, los aceros para herramientas utilizados hasta la fecha, en particular H11 (1.2343), H13 (1.2344) o M300, no pueden procesarse de forma fiable en este rango de tamaño (> 20.000 cm³). Incluso con parámetros óptimos, existe el riesgo de agrietamiento, distorsión térmica y propiedades mecánicas inadecuadas.
Esto se aplica tanto durante la fabricación por láser como durante el tratamiento térmico posterior. Cuanto mayores sean los gradientes de temperatura dentro del componente durante el proceso de fabricación, mayor será el riesgo, un efecto especialmente pronunciado en piezas de gran volumen.
“Para superar estas limitaciones, necesitamos una nueva generación de máquinas y materiales expresamente diseñados para las necesidades de las herramientas HPDC de gran formato”, explica Niklas Prätzsch, líder del grupo de Tecnología de Procesos LPBF en Fraunhofer ILT. “Esta combinación fue precisamente la cuestión central en los últimos cambios que hemos implementado”.
Por primera vez, la nueva tecnología de materiales y máquinas permite fabricar herramientas de gran volumen con una estructura de refrigeración de forma libre. Esto no solo permite reducir de forma específica los picos de temperatura locales durante el proceso de fundición, sino que también aumenta el número de variantes y, al mismo tiempo, su vida útil. Esto significa que se pueden fabricar diferentes componentes en una misma plataforma de herramientas sin tener que fabricar nuevas herramientas cada vez.

Producción LPBF escalable para componentes de gran tamaño sin grietas
La máquina gantry PBF-LB/M de 5 láseres, desarrollada en el Fraunhofer ILT, con un volumen de construcción actual de 1.000 x 800 x 350 mm³, se ha perfeccionado con este objetivo. A diferencia de los sistemas convencionales, cuenta con un cabezal de procesamiento móvil y guiado local del gas de protección, lo que permite escalar el volumen de construcción linealmente a lo largo de los ejes de la máquina con las mismas condiciones límite del proceso (velocidad del flujo del gas de protección, ángulo de deflexión del rayo láser, etc.). Esto supone que, en el futuro, se podrán fabricar de forma aditiva herramientas incluso de mayor tamaño que la incrustación de herramienta considerada en este proyecto, con un volumen de más de 20.000 cm³ y una estructura delimitadora de 515 x 485 x 206 mm³.
También se desarrolló un módulo de sustrato calefactable para minimizar los gradientes de temperatura críticos para las herramientas de gran volumen. La plataforma de construcción alcanza ahora una temperatura de 200 °C, lo que significa que cada nueva capa no se enfría a temperatura ambiente, sino únicamente a una meseta térmica predefinida. Este enfoque reduce las tensiones inducidas térmicamente y el riesgo de agrietamiento durante el proceso de construcción. La combinación de un amplio espacio de instalación, una alta estabilidad del proceso y un precalentamiento activo convierte a este sistema en uno de los primeros sistemas LPBF del mundo, ideal para la fabricación económica de moldes de fundición a presión con forma casi final, incluso para megafundición o gigafundición.
“La clave del éxito reside en el material L-40 de MacLean-Fogg, adaptado a los requisitos de PBF-LB/M”, comenta Niklas Prätzsch. Este acero se caracteriza por una tendencia significativamente menor al agrietamiento en comparación con los aceros para herramientas convencionales, tanto durante la producción como durante el tratamiento térmico. El L-40 alcanza una alta precisión dimensional y propiedades excepcionales en cuanto a dureza (48 HRC), resistencia a la tracción (1.420 MPa) y resistencia al impacto con entalla (> 60 J). Diferentes ensayos han validado con éxito tanto la transferencia de parámetros al nuevo concepto de máquina, como su rendimiento en geometrías complejas, por ejemplo, con canales de refrigeración circulares o voladizos.
En resumen, la combinación de una máquina PBF-LB/M escalable y un material expresamente desarrollado posibilita, por primera vez, la producción económica y reproducible de moldes de fundición a presión de gran formato con refrigeración conformal. Las primeras aplicaciones demuestran que la vida útil de las herramientas fabricadas de esta manera puede prolongarse de manera significativa en comparación con los moldes convencionales.

Producción híbrida para herramientas en serie
Como parte del proyecto, los partners desarrollaron un inserto de herramienta fabricado aditivamente para una carcasa de caja de engranajes que ya se utiliza en Toyota. El inserto del molde de fundición a presión contiene una compleja red de canales de refrigeración casi en el contorno, lo cual constituye un claro beneficio de la fabricación aditiva, que no se podía lograr mediante el mecanizado convencional. Para el diseño de la herramienta aditiva, el equipo del proyecto optó por un proceso híbrido en una preforma fabricada especialmente que ya contaba con canales de refrigeración verticales. El posicionamiento exacto y la conexión fiable de ambos componentes exigieron una alta calibración de la máquina, precisión y control del proceso. Estas estructuras híbridas tienen el potencial de reducir aún más el tiempo y los costes de construcción, ya que el proceso PBF-LB/M, más costoso, solo se utiliza en aquellas áreas de componentes donde los procesos convencionales no funcionan.
Los investigadores han diseñado la compleja estructura de refrigeración de tal manera que las zonas críticas del molde se templan eficazmente durante el proceso de fundición a presión. Esto reduce la carga térmica, lo que prolonga de manera significativa la vida útil del molde. En proyectos anteriores, un molde aditivo comparable ya había alcanzado una vida útil hasta cuatro veces superior a la de un molde H13 convencional.
Tras la fabricación del inserto de molde HPDC, fue templado para aliviar el estrés y sus superficies funcionales se fresaron de forma convencional. La alta precisión dimensional del cuerpo base aditivo solo requirió un acabado final preciso sin necesidad de añadir material.