Explicación de la sinterización:definición, proceso, tipos y aplicaciones prácticas

La sinterización es una amplia familia de métodos que forman piezas integrales y potencialmente muy complejas a partir de una amplia gama de materiales, comprimiendo y luego fusionando polvos y aglutinantes. La pieza pasa por dos etapas. La primera etapa convierte la forma requerida en un componente de gran tamaño, débil y mal integrado. La segunda etapa hornea ese componente para expulsar el material aglutinante y hace que las partículas restantes se fusionen y se fusionen en una pieza con toda su fuerza. Este enfoque se está generalizando en metales y cerámicas, como una forma de producir piezas complejas en forma de red con excelentes propiedades mecánicas mediante un proceso de bajo costo por pieza que es altamente repetible. Este artículo definirá la sinterización, cómo funciona, los tipos de sinterización y los diferentes procesos.

¿Qué es la sinterización?

La sinterización es el proceso de unir primero formas de polvo en sólidos integrados mediante compactación. Luego, la forma se calienta por debajo del punto de fusión de uno de los polvos para permitir la fusión térmica para unir las partículas. Esto quema cualquier agente de unión intermedio que anteriormente sirvió para mantener unida la forma y une los materiales “verdes” restantes (es decir, no sinterizados). Este proceso forma objetos sólidos a partir de metal en polvo, cerámica o materiales compuestos.

Cuando las piezas de polvo comprimido se calientan, lo que hace que las partículas se unan, el proceso consolida los huecos. Esto da como resultado una densidad cercana al 100%, que se aproxima a las propiedades del material principal. Las temperaturas de procesamiento se controlan con precisión. Para fusionar, el punto de contacto apenas debe derretirse para conservar completamente la forma previa a la fusión mientras se une como un solo cuerpo. La figura 1 son ejemplos de piezas sinterizadas:

¿Cuál es el otro término para sinterizar?

Comúnmente se utilizan una variedad de términos para describir procesos que son esencialmente sinterización. Estos incluyen pulvimetalurgia, MIM (moldeo por inyección de metal), consolidación, apelmazamiento y cocción. La pulvimetalurgia es el proceso de presionar o inyectar polvos metálicos en objetos sólidos. MIM, por otro lado, inyecta una suspensión de polvo metálico con un polímero fundido en una herramienta de molde de plástico. Luego se quema el polímero y se eleva la temperatura para fusionar las partículas.

La consolidación se usa ampliamente en la industria cerámica para describir el proceso similar de moldeo a presión de polvos cerámicos para formar sólidos que luego se curan en horno. El apelmazamiento se utiliza para describir la formación de varias partículas de polvo que se unen para formar una “torta” sólida. Por último, la cocción describe la integración térmica de formas basadas en partículas en la industria cerámica.

¿Cuál es el origen de la sinterización?

Los orígenes de la sinterización se encuentran en la prehistoria, ya que todas las cerámicas cocidas son esencialmente partículas de arcilla sinterizadas. La fusión húmeda de las partículas de arcilla forma la forma "verde", seguida de la cocción, que integra las discretas gotas de arcilla húmeda en un solo artículo duradero. Además, algunas decoraciones con polvo metálico y el vidriado de cerámica representan métodos primitivos de sinterización, mediante los cuales se induce que el vidrio y los metales se fusionen de polvo a sólido mediante la aplicación de calor.

La sinterización moderna comenzó como un área científica y comercial con el trabajo de William Coolidge. Logró alambre de tungsteno dúctil en 1909 mediante extrusión/estirado en caliente de palanquillas formadas en polvo para fabricar filamentos de lámparas que eran más duraderos que antes.

¿Cómo funciona el proceso de sinterización?

La sinterización se realiza en un proceso de tres etapas:

1. Se le da la forma deseada a una mezcla de polvo de parte primaria, con un agente aglutinante. El agente adhesivo pega el polvo para darle la forma a la pieza. Este agente adhesivo puede ser agua, pero más comúnmente es una cera o un polímero.
2. Cuando se cuece la parte verde, el agente adhesivo se evapora o se quema. 
3. La temperatura luego aumenta lo suficiente como para que ocurra uno de dos procesos que son esencialmente idénticos. O las partículas primarias se calientan lo suficiente como para simplemente comenzar se derrita, lo que hace que las partículas individuales se fusionen en sus superficies, o un agente de unión intermedio, como el bronce, se funde y se acopla entre las partículas, dejando la energía del componente primario en un estado inalterado.

¿Cuál es la importancia del proceso de sinterización?

Los procesos de sinterización son importantes en una variedad de aplicaciones, que incluyen:

1. Se utiliza para producir componentes de gran dureza, tenacidad y precisión.
2. Se utiliza para producir formas y geometrías complejas que son difíciles de lograr utilizando métodos de fabricación más normales.
3. Fusiona las propiedades de múltiples materiales, brindando la dureza de un componente combinada con la resistencia a la abrasión de otro.
4. Herramientas de menor costo para fabricar piezas y geometrías complejas. La complejidad debe producirse una vez en una prensa primaria o herramienta de molde y reproducirse con precisión en polvos aglomerados.
5. Permita una producción en masa rápida de componentes manteniendo la precisión y la repetibilidad.

¿Cuáles son los diferentes tipos de sinterización?

Varios enfoques caen bajo el título amplio de sinterización, que incluyen:

1. Sinterización de estado sólido: El material en polvo se calienta a una temperatura justo por debajo del punto de fusión. Esto une las partículas mediante difusión atómica en los límites de los granos.
2. Sinterización en fase líquida: Utiliza la adición de una pequeña cantidad de un líquido solvente al polvo para inducir una baja porosidad y unión. A continuación, este líquido se elimina, generalmente mediante calentamiento, para crear un sólido integrado.
3. Sinterización reactiva: Utiliza una reacción química de al menos una de las fases de las partículas de polvo durante el calentamiento. Altera la química, lo que da como resultado el acoplamiento de partículas en la masa químicamente modificada.
4. Sinterización por microondas: Un enfoque novedoso aplicado a la cerámica. El calor se induce mediante microondas y se afirma que esto da como resultado una integración más rápida y completa de la estructura.
5. Sinterización por plasma por chispa: Utiliza una corriente eléctrica y compresión física del polvo para integrar el polvo en un todo.
6. Prensado isostático en caliente: Utiliza alta presión y alta temperatura aplicadas a un polvo para darle la forma requerida y fusionar las partículas.
7. Sinterización en frío: Utiliza un disolvente transitorio y presión para consolidar polvos de polímeros en una masa sólida.

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre Tipos de sinterización.

¿Cuáles son algunos de los materiales utilizados en la sinterización?

Como amplio espectro de técnicas, la sinterización encuentra aplicación en una amplia gama de materiales. Estos se enumeran a continuación:

1. Metales

Se puede utilizar una amplia gama de metales en procesos de sinterización de varios tipos. Esto incluye hierro, aceros de hierro-cobre, aceros de cobre, aceros al níquel, aceros inoxidables (series 300 y 400), aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA), aceros con contenido medio y alto de carbono y aceros endurecibles por difusión, latón y bronce, y aleaciones magnéticas de hierro dulce. Todos estos pueden construirse como piezas verdes mediante impresión 3D y luego sinterizarse para obtener piezas de alta calidad, baja porosidad y excelentes propiedades.  Los metales se pueden sinterizar mediante prensado, moldeo y moldeo por inyección. Xometry ofrece cotizaciones instantáneas sobre sinterización láser directa de metales (DMLS), un proceso de sinterización láser de metales.

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre metaloides.

2. Cerámica

La mayoría de los procesos cerámicos se consideran sinterizados o próximos a la sinterización. Una selección de cerámicas comúnmente impresas en 3D (SLS o depositadas en pasta) y luego sinterizadas son:alúmina, nitruro de aluminio, circonio, nitruro de silicio, nitruro de boro y carburo de silicio. Las cerámicas generalmente se sinterizan mediante moldeo por compresión o prensa.

3. Polímeros

Los polímeros sinterizados se dividen en dos categorías:sinterización de partículas grandes y pequeñas. La sinterización de partículas grandes con alta porosidad se aplica comúnmente como materiales de filtración y silenciadores neumáticos y como controladores de difusión de flujo. Estos incluyen polietileno, polipropileno y politetrafluoroetileno. Los polímeros sinterizados de partículas pequeñas se utilizan en la impresión 3D en procesos como la sinterización selectiva por láser. Esto se utiliza para producir componentes integrados y de alta resistencia con propiedades de material casi nativas y porosidad casi nula. Algunos ejemplos son poliamidas, poliestireno, elastómeros termoplásticos y poliéter-étercetonas. El proceso más popular de Xometry es el servicio de sinterización selectiva por láser. Puede obtener una cotización instantánea en cualquier momento.

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre polímeros.

4. Compuestos

La sinterización de compuestos es un grupo de procesos más complejo y los distintos materiales se procesan de diferentes maneras. El carburo de tungsteno utiliza polvos de tungsteno y carbono. La oxidación por presión y calor transforma el carbono en carburo. Esto acopla el polvo metálico, que permanece inalterado. Se incluyen experimentalmente fibras de vidrio, carbono y metal en los sinterizados de polvo metálico para mejorar las propiedades. En cierto sentido, el procesamiento de fibra de carbono es un proceso de sinterización. Se comprime una matriz adhesiva y se activa con calor para unir el componente de carbono. Las cerámicas de óxido metálico se combinan experimentalmente con polímeros como PEEK para fabricar formas de semiconductores resistivos. La sinterización de composites es muy variada y se puede lograr mediante compresión, moldeo y, en casos limitados, moldeo por inyección.

5. Vidrio

En los procesos de sinterización se utilizan diversos materiales de vidrio, entre ellos:esmaltes cerámicos, vidrio de sílice, vidrio de plomo y placas de vidrio sinterizado hechas de polvo de vidrio de sílice fundido. La sinterización del vidrio generalmente se realiza mediante moldeo por compresión.

¿Cuáles son los pasos del proceso de sinterización?

La sinterización consta de una serie de pasos, cada uno de los cuales es sencillo pero requiere una gran precisión en el control. Los pasos incluyen:

1. Composición: Agregue y mezcle los materiales primarios requeridos y los agentes de acoplamiento primarios.
2. Compresión: Presione el polvo (en suspensión o seco) hasta darle la forma requerida.
3. Calor: El calentamiento tiene como objetivo lograr la eliminación del agente de acoplamiento primario y la fusión del material primario en un conjunto de baja porosidad.

¿Cuánto dura un proceso de sinterización?

El proceso de sinterización generalmente tarda sólo unos segundos en completarse. Sin embargo, el paso de sinterización posterior al moldeado puede tardar varias horas en completarse. La fabricación sinterizada de piezas es un proceso rápido según la mayoría de los métodos. Los polvos y aglutinantes primarios se prensan, moldean o moldean por inyección hasta alcanzar el estado verde sin curar, etapa en la que son demasiado grandes, porosos y no están completamente unidos. Luego, las piezas se tratan térmicamente para inducir la unión de partículas.

¿Con qué materiales se utiliza la sinterización?

La sinterización es un proceso de fabricación que se utiliza en muchos materiales, incluidos:

1. Polímeros: Para creación rápida de prototipos, fabricación de filtros y silenciadores, y componentes compuestos especializados.
2. Metales: La mayoría de los componentes metálicos pequeños, como engranajes y poleas, se pueden fabricar mediante sinterización. También se sinterizan polvos metálicos gruesos para fabricar filtros, silenciadores y cojinetes cargados de aceite.
3. Cerámica: Hasta cierto punto, la mayoría de las cerámicas se fabrican mediante algún tipo de sinterización. En particular, las cerámicas de circonio y alúmina están apareciendo como opciones en la impresión 3D. Las piezas pequeñas, como engranajes y cojinetes para uso a altas temperaturas, suelen sinterizarse a partir de cerámica.

¿Qué tipos de componentes se producen mediante el proceso de sinterización?

Los componentes que se producen mediante sinterización se enumeran a continuación:

1. Piezas de automóviles como engranajes y actuadores.
2. Componentes eléctricos como aparamenta.
3. Herramientas de corte de todo tipo, para fresar, taladrar y escariar.
4. Componentes aeroespaciales, como componentes de válvulas de combustible, actuadores y álabes de turbinas.
5. Implantes biomédicos como prótesis articulares.

¿Cuáles son los beneficios del proceso de sinterización?

La sinterización ofrece una variedad de beneficios:

1. El proceso puede producir piezas altamente repetibles y precisas.
2. El costo de establecer la producción se amortiza fácilmente en comparación con una gran producción.
3. Las piezas pueden lograr excelentes resultados cosméticos y no requieren procesos de acabado.
4. Se logran fácilmente geometrías no mecanizables para la producción en masa.

¿Cuáles son los riesgos del proceso de sinterización?

Algunos de los riesgos del proceso de sinterización incluyen:

1. La consistencia del polvo puede variar si no se controla bien, alterando las contracciones o las propiedades generales de los componentes.
2. Los controles iniciales del proceso de conformado deben ser precisos para lograr resultados consistentes y repetibles.
3. Los procesos de “curado” de postformado son variados y requieren un control muy estricto para establecer con precisión la contracción y evitar la distorsión.
4. El costo de establecer la producción es alto, por lo que si el producto no se vende, puede desperdiciarse.
5. Las variaciones en el proceso de producción pueden dar lugar a piezas débiles y variables.

Preguntas frecuentes sobre la sinterización

¿Es peligroso el proceso de sinterización?

Depende. Existe un amplio espectro de materiales y procesos en la familia de la sinterización. En general, los procesos “verdes” no son peligrosos, aunque se dice que las nanopartículas metálicas y cerámicas tienen consecuencias médicas para el cuerpo humano y deben manipularse con cuidado. La parte de fusión de la sinterización es una etapa de alta temperatura que a menudo implica eliminar o quemar componentes de polímero/cera que pueden ser tóxicos e irritantes. Se requiere ventilación, así como precauciones de seguridad normales con procesos de evaporación/combustión calientes y potencialmente inflamables.

¿Qué precauciones de seguridad se deben tomar con el proceso de sinterización?

A continuación se enumeran las precauciones de seguridad que se deben tener en cuenta al sinterizar:

1. Utilice equipo de protección adecuado para protegerse del calor y de posibles peligros transmitidos por el aire.
2. Utilice un área bien ventilada. La sinterización puede producir humos y vapores que deben considerarse nocivos.
3. Siga procedimientos seguros para manipular materiales, ya que los polvos de sinterización pueden ser peligrosos.
4. Como ocurre con todos los procesos en caliente, tenga un extintor a mano y sepa cómo usarlo.

¿Es lo mismo sinterizar que fundir?

No, no es lo mismo sinterizar que fundir. La sinterización específicamente no implica la fusión general de la pieza, sino que aplica suficiente calor para fusionar las partículas sin licuarlas. Un exceso de calor, en el caso de piezas poliméricas o metálicas, corre el riesgo de dañar la estructura o la forma de la pieza.

¿Es el metal sinterizado más resistente?

No, las piezas de metal sinterizado no son más resistentes que las piezas originales forjadas o mecanizadas. Cuando están bien fabricadas, las piezas sinterizadas pueden alcanzar la misma resistencia que sus equivalentes mecanizadas.

Las piezas metálicas correctamente sinterizadas suelen adquirir la mayoría o la totalidad de las propiedades mecánicas del componente primario. En el caso de los aceros inoxidables, por ejemplo, las piezas MIM generalmente alcanzan entre un 80% y un 90% de la resistencia a la fatiga de las piezas forjadas o fundidas debido al mayor tamaño del grano de cristal y a las trazas de porosidad que causan debilidad.

¿Es lo mismo sinterizar que soldar?

No, sinterizar no es lo mismo que soldar. Si bien la fusión de gránulos de polvo en un todo a menudo implica una forma de soldadura en los puntos de contacto, la sinterización difiere ampliamente de cualquier proceso que caiga bajo el lema de "soldadura", ya que la soldadura implica la licuefacción completa del relleno y el material nativo en el punto de soldadura.

Dean McClements

Dean McClements se graduó con honores en Ingeniería Mecánica y cuenta con más de dos décadas de experiencia en la industria manufacturera. Su trayectoria profesional incluye puestos importantes en empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace y Hyster-Yale, donde desarrolló un profundo conocimiento de los procesos de ingeniería y las innovaciones.

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