JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003 17-04

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DESARROLLO DE FABRICACIÓN DE MICROTURBINAS DE GAS, IMPLANTES QUIRÚRGICOS, Y OTRAS PIEZAS, POR EL MÉTODO DE MICROFUSIÓN:

ESTADO DE LOS TRABAJOS

Carlos O. Ayalaa; Pedro Bavdazb; Raul A. Stukeb; Carlos Talauerb; Pablo Riquelmec

a Personal de Apoyo a la Investigación, CONICET, Grupo Metalurgia. ayala@cab.cnea.gov.ar b Grupo de Servicios de Ingeniería. bavdaz@cab.cnea.gov.ar, stuke@cab.cnea.gov.ar, talauer@cab.cnea.gov.ar

c Grupo Física de Metales. riquelme@cab.cnea.gov.ar Centro Atómico Bariloche, 8400 San Carlos de Bariloche, Río Negro.

El método de microfusión, se comenzó a implementar en 1985 en la División Metalurgia del Centro Atómico Bariloche en vistas de contar con una herramienta eficaz a utilizarse en las siguientes actividades relacionadas con la metalurgia: • Fabricación por fundición de piezas convencionales en cuanto a las aleaciones empleadas (aceros, duraluminio, bronces), como así también por el tipo de piezas. • Proyecto de desarrollo de implantes dentales empleando aleaciones base titanio. • Proyecto de desarrollo de rotores de compresores y turbinas de gas. • Proyecto de fabricación de implantes quirúrgicos. • Proyecto de fabricación de pequeñas piezas de alto valor agregado con destino a la industria aeroespacial (rotores de compresores centrífugos y turbinas de gas). Los conocimientos adquiridos y la interacción con centros de investigación y con la industria privada, hizo posible la mejora de equipos y herramientas existentes y el diseño y construcción de otras, indispensables para el trabajo con aleaciones especiales: • Accesorio para el horno de arco con atmósfera controlada, para hacer posible la fabricación de piezas microfundidas en aleaciones de base titanio. • Precalentadores eléctricos de moldes para usar en hornos de fusión y colada con atmósfera inerte, desprovistos de materiales cerámicos. Este tipo de accesorio mejoró el llenado de las fundiciones de piezas con intersticios menores a 2 mm de espesor y disminuyó la cantidad de poros en las piezas en general. • Autoclave con caldera de tamaño reducido alimentada con gas natural para descerar moldes (método de cera perdida o microfusión) tipo cáscara. • Inyectora sensitiva de cera para fabricar modelos, con amplio control de temperatura para diferentes tipos de cera. 1. INTRODUCCIÓN La elaboración de piezas metálicas por el método de modelo perdido, o también denominado “microfusión”, se obtiene con la ayuda de modelos constituidos por un material fusible y, en la mayoría de los casos, también combustible. El modelo (por ejemplo, de cera) es recubierto por una masa cerámica, la cual forma un molde de una sola pieza, con una sola abertura, por la cual se eliminará el modelo por fusión, y se verterá luego el metal fundido. El procedimiento de la cera perdida pertenece a las técnicas más antiguas de la humanidad. Las piezas más antiguas que se conocen fundidas mediante modelos perdidos provienen del Asia Menor y tienen unos cuatro mil años de antigüedad. Este procedimiento fue utilizado en Egipto y en china unos mil quinientos años mas tarde. También en el Perú se hallaron piezas de esta índole. Este procedimiento, al ofrecer un molde de una sola pieza, presenta las siguientes ventajas:

• Máxima libertad en la configuración de las piezas: la fabricación de piezas de forma muy intrincada mediante maquinado implicaría un costo mucho más alto.

• Gran exactitud con respecto a los otros métodos de fundición.

• Supresión de la rebaba, al no tener el molde juntas de unión.

Figura 1: modelos de cera y piezas coladas.

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2. ANTECEDENTES El método de microfusión, se comenzó a implementar en la División Metalurgia del Centro Atómico Bariloche en vistas de contar con una herramienta eficaz a utilizarse en las siguientes actividades relacionadas con la metalurgia: 2.1. Fabricación por fundición de piezas convencionales

Figura 2: “lingote” de cobre colado en molde tipo modelo perdido. A partir de 1988, piezas en moldes múltiples (racimos) del orden de 5 a 500 gramos, hasta de varios Kg en moldes simples para una sola pieza (figuras 1 y 2). Los trabajos de microfusión con aleaciones comunes comenzaron en 1991 para las microturbinas hidráulicas; se fabricaron cinco ruedas con álabes tipo Pelton y numerosos álabes del tipo de doble flujo con acero inoxidable AISI 304, destinados a pequeños grupos electrógenos, aprovechando los saltos de agua en zonas aisladas de la red de energía eléctrica. Desde el año 2001 se continuó con la fabricación de álabes tipo Pelton. 2.2. Proyecto de desarrollo de implantes dentales El Centro Atómico Bariloche posee la tecnología adecuada para la fabricación de aleaciones base titanio. Ya en la década de 1970 se realizaron tareas de investigación y desarrollo en metalurgia física de aleaciones de circonio (para uso nuclear), y en el año 1984 se comenzó el estudio de aleaciones base titanio, dado que ambas aleaciones presentan características muy similares entre sí. En la búsqueda de un mejor material para implantes se inicia en 1989 el estudio de la aleación Ti-5Al-2,5Fe, la idea es reemplazar la clásica aleación Ti-6Al-4V de uso corriente en aeronáutica, pues se encontró cierto grado de toxicidad del vanadio. Para el proyecto de materiales dentales, los trabajos comenzaron en 1991 con la fabricación de la aleación Ti-5Al-2,5Fe, en un horno de arco con crisol de cobre

refrigerado por agua, con electrodo no consumible de tungsteno y en atmósfera controlada. Se procedió a fabricar probetas para ensayos mecánicos (tracción, fatiga, dureza, microdureza) y probetas para ensayos de corrosión en medios salinos (saliva artificial) y microscopía óptica. Se diseñó un accesorio para poder realizar coladas de aleaciones base titanio dentro del horno de arco en pequeños moldes del tipo microfusión para fabricar modelos de prótesis, implantes u otras piezas especiales (figuras 3 y 4). Se compararon estos resultados con los distintos tratamientos termomecánicos realizados, obteniéndose una correlación que determinaría el camino posible para la fabricación de futuros implantes quirúrgicos; aunque se considera que habría que ampliar el número de ensayos para afirmar el conocimiento de las propiedades de la aleación.

Figura 3:corte de pieza colada en el horno de arco (arriba); modelo de plástico (abajo); las divisiones están en mm.

Figura 4: accesorio para el horno de arco diseñado para colar pequeñas piezas en moldes cerámicos. 2.3. Proyecto de desarrollo de turbinas de gas Los trabajos de desarrollo de fabricación por microfusión de microturbinas de gas, comenzaron en 2002 con la elaboración de matrices para fabricar los modelos de cera de turbinas “radiales”; posteriormente

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a esto se fabricó una turbina de prueba con acero AISI 304. La meta siguiente es colar ruedas de turbinas, compresores y piezas afines con aleaciones resistentes a altas temperaturas ( figuras 5, 6 y 7 ).

Figura 5: fabricación de una matriz copiando la forma original por medio de caucho de siliconas.

Figura 6: pequeña rueda de compresor (φ= 73 mm) con su canal de colada, luego de retirar el molde.

Figura 7: la misma rueda; proceso de eliminación del canal de colada, centrado y limpieza.

2.4. Proyecto de fabricación de implantes quirúrgicos Se inició en el año 2001 la elaboración de modelos de implantes de cadera (femorales) y posteriormente los moldes con varias piezas. Se fabricaron implantes de prueba y probetas para ensayos metalográficos y mecánicos con acero AISI 316 y aleaciones de Cr-Co-Mo; se continúa este trabajo con el auspicio de una empresa particular ( figura 8 ).

Figura 8: primeros ensayos de implantes quirúrgicos femorales. A la izquierda: molde tipo racimo, luego una pieza terminada. Al centro y a la derecha: modelos y canal de colada de cera. 3. CONCLUSIONES El grupo de trabajo en estos años ha adquirido cierta experiencia en la fabricación de piezas pequeñas de hasta 500 gramos, tanto en aceros, como en aleaciones especiales y de titanio, que podrían ser aplicados a la fabricación de pequeñas piezas (tipo prototipos) para la industria aeroespacial. Se continuan efectuando mejoras en la puesta a punto de los equipos y herramientas especiales de fabricación. 4. AGRADECIMIENTOS Dra. Marta Barreiro, Materiales Dentales, Facultad de Odontología, U. de Buenos Aires. Lic. Pierre Arneodo Larochette, Grupo metales, Centro Atómico Bariloche. Grupo de Servicios de Ingeniería, Centro Atómico Bariloche. Grupo de Diseños Avanzados y Evaluación Económica, Centro Atómico Bariloche. Grupo de Trabajo de Electromecánica, Centro Atómico Bariloche. Empresa Fundalum S.A., Fundición de Precisión, Tandil, Argentina. Empresa Cobalcrom S.A. 5. REFERENCIAS [1] K.A. Krekeler, “Microfusión”, Ed. Gili, Barcelona, 1971.

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[2] “Metals Handbook, Vol.V,Forging and Casting”, 8th edition, 1970, pp.237-261. [3] “Journal of Dentistry”,.27,.1999, pp. 412-413. [4] J.Thorne and W.Barice, “Recent Developments in Titanium Investment Castings Technology and Aplications”, Precision Castparts Corp., Portland, Oregon, U.S.A. [5] D.C.Pratt, “Industrial Casting of Superalloys”, Materials Science and Technology, 2, 1986, pp.426-434. [6] G.A.Whittaker, “Precision Casting of Aero Gas Turbine Components”, Materials Science and Technology”, 2, 1986, pp.436-441. [7] Y.Minggao and W.Huichan, “Investment Casting Alloys for Airccraft Parts”, Metal Progress, 3, 1986, pp.39-51.