La vanguardia en recubrimientos para herramientas

Los cambios incrementales resaltan los avances recientes a raíz de los graves desafíos de la cadena de suministro

Dada la fragilidad de la cadena de suministro, los cambios son inevitables pero no universales, y algunos se ven más afectados que otros. Ninguna industria es inmune, sin embargo, el sector de herramientas y su necesidad de metales de alta calidad, tierras raras y gases exóticos y convencionales pueden estar particularmente expuestos a interrupciones en los proveedores.

Esto ha llevado a avances continuos en las tecnologías de herramientas, aunque en su mayoría incrementales, lo que a su vez impulsa innovaciones similares entre los proveedores de recubrimientos. Además, la importancia de mejorar la calidad y las relaciones sólidas ha renovado el interés en la sostenibilidad y ha acelerado la innovación interna. Otra tendencia: mayor personalización.

CemeCon Inc., Big Flats, Nueva York, está atendiendo más solicitudes de recubrimientos para aplicaciones específicas según las necesidades de los clientes. Y se espera que la tendencia aumente en los próximos años.

"Ciertamente, todavía existen herramientas estándar, que son la base de la industria de herramientas, pero los fabricantes de herramientas están recibiendo solicitudes de geometrías únicas para aplicaciones especiales", dijo el gerente de ventas Ryan Lake. “Los usuarios finales presentan nuevas aleaciones y nuevos desafíos. Y debemos determinar cómo continuar optimizando nuestros productos para esas (aplicaciones) especiales”.

El cambio se aplica a la amplia gama de espesores de recubrimiento que ofrece la empresa, que, según afirma, cubre más del 80 por ciento de las aplicaciones. "Entonces, ahora la cuestión es ¿cómo optimizamos nuestros recubrimientos con espesores, tratamientos previos y limpieza para ayudar a nuestros clientes a abordar esas necesidades especiales?" añadió Lake.

Ben Johnson, director de producción de inserción de la planta de Sandvik Coromant en Westminster, SC, ve que el mercado cambiará de la deposición química de vapor (CVD) a la deposición física de vapor (PVD) y luego retrocederá debido a las mejoras en la CVD y los cambios en los recubrimientos de óxido. Como resultado, dijo, Sandvik está "invirtiendo significativamente en I+D para desarrollar equipos que nos brinden una ventaja competitiva donde podamos desarrollar nuestros propios recubrimientos".

En primer lugar, según Johnson, se está implementando un tipo de horno CVD recientemente desarrollado en unidades de producción seleccionadas. "Utiliza presión ultrabaja y proporcionará nuevas capacidades, especialmente para la demanda que hemos visto con el recubrimiento texturizado en CVD", continuó.

Los materiales de alta resistencia, los entornos hostiles y los exigentes requisitos de las aplicaciones aeroespaciales y de defensa están bien documentados.

Pero ahora estos requisitos se están extendiendo a otros mercados, como el de la automoción y el de la energía, señaló Osny Fabricio, jefe de herramientas de corte de Oerlikon Balzers Ltd, con sede en Liechtenstein.

"Estamos hablando de aleaciones de alta temperatura como el titanio y el Inconel, lo cual no es nada nuevo", dijo Fabricio. “Pero también vemos una tendencia en los sitios de mecanizado a aplicar estrategias de trayectorias de herramientas más sofisticadas para maximizar la MRR (tasa de eliminación de metal).

“Paralelamente”, continuó, “los fabricantes de herramientas ahora pueden ofrecer geometrías más complejas y al mismo tiempo mejorar el rendimiento de la herramienta gracias al número de canales, los ángulos de hélice optimizados y una mejor evacuación de viruta. Y a medida que el mercado avanza en esa dirección, los recubrimientos PVD se mueven en la misma dirección, pero a mayor velocidad, al tiempo que ofrecen una variedad de soluciones premium de alto rendimiento, con consistencia y calidad”.

Las velocidades de fabricación están aumentando y las geometrías para cortar titanio son cada vez más complejas. Para mantener el ritmo, dijo Fabricio, los sustratos están evolucionando con estas nuevas geometrías, se introducen nuevas estrategias CAD y CAM para el mecanizado, y los recubrimientos están dando a estas herramientas la capacidad de funcionar más rápido, minimizar el desgaste y poder iniciar y finalizar cortes. con una sola herramienta.

El nuevo horno de Sandvik, que funciona a presiones ultrabajas, permite más variaciones de temperatura, afirmó Johnson, y “puede mejorar la consistencia y la calidad de los productos que producimos.

"Cuanto más podamos reducir la variación, mayor será la previsibilidad para el cliente en términos de rendimiento", añadió. “Cuando se trata de una operación de gran volumen como la nuestra, que produce millones de insertos, si podemos, desde un punto de vista estadístico, reducir la cantidad de variabilidad en los productos y aumentar la confianza que el cliente tiene en el producto que está utilizando, promueve la lealtad del cliente, mejora las relaciones y ofrece una mejor experiencia general al cliente”.

Fabricio se hizo eco de este sentimiento: “Los clientes no sólo esperan rendimiento, sino también coherencia. La consistencia es probablemente incluso más importante que el rendimiento, ya que necesitan estar seguros de que la herramienta soportará sus aplicaciones exigentes sin fallar y al mismo tiempo mantendrá una calidad de superficie constante. Deben saber que el recubrimiento PVD específico y la geometría de la herramienta brindarán los mismos resultados día tras día. Por lo tanto, yo diría que la coherencia es uno de los puntos más importantes para los exigentes mercados y clientes actuales”.

La industria de herramientas se reinventa constantemente para responder a las necesidades de los clientes, reconoció Lake de CemeCon. “Entonces, ¿cómo deben alinearse nuestros recubrimientos para ayudar a ofrecer el mejor producto? No es sólo un recubrimiento, no es sólo geometría y no es sólo carburo. Son esas tres cosas trabajando juntas las que hacen que una herramienta sea exitosa”.

Las ofertas de productos, incluidas las combinaciones de recubrimientos, deberían estar impulsadas por la demanda de los clientes, afirmó. "Se trata de escuchar a los clientes y decir: esto es lo que debemos hacer en esta circunstancia".

Incluso antes de la pandemia, el desarrollo de estrategias de sostenibilidad dentro de la industria de herramientas era cada vez más importante. Citando el lema de Sandvik de “Personas, Planeta y Ganancias”, Johnson dijo que la porción del planeta se centra en las iniciativas de fábricas verdes de la compañía, en particular el uso de productos químicos. Esto incluye la depuración de los gases de escape y la reducción de la huella ambiental, el consumo de energía y el consumo de agua.

La planta de Sandvik en Westminster ha invertido en la destilación de etanol durante los últimos dos años y tiene "100 por ciento de circularidad" del producto químico, dijo Johnson. "Nunca más tendremos que comprar etanol, lo que nos da independencia de fuentes globales, ahorrando costos y mejorando la sostenibilidad".

Estas iniciativas pueden tener un amplio impacto y deben adoptarse en toda la industria manufacturera mundial, recomendó Inka Harrand, gestión de productos de insertos de corte del servicio de revestimiento de CemeCon AG en Alemania. Dijo que todos los fabricantes están obligados a diseñar los procesos de producción de manera económica y ecológicamente sensata.

"Los fabricantes de herramientas de corte tienen tres palancas a su disposición dentro de su estrategia de sostenibilidad: soluciones de herramientas, fabricación de herramientas y estrategias de mecanizado", explicó Harrand. “Los recubrimientos para herramientas contribuyen significativamente al diseño sostenible del proceso de mecanizado y son un componente indispensable para el fabricante de herramientas de corte, porque extienden la vida útil de la herramienta y reducen la producción de (productos) nuevos y la eliminación o reciclaje de productos viejos. "

Oerlikon extiende sus esfuerzos de sostenibilidad más allá de minimizar los gases y productos químicos utilizados en múltiples procesos para la seguridad ambiental y de los empleados, al uso de vehículos híbridos y eléctricos con rutas más eficientes de entrega y recogida a los clientes. Fabricio agregó: "Incluso los productos químicos que utilizamos, siempre estamos investigando algo que sea menos agresivo o más respetuoso con el medio ambiente para asegurarnos de que estamos en sintonía con las expectativas globales de las empresas que utilizan este tipo de tecnología".

Si bien los desafíos y oportunidades específicos continúan evolucionando, la necesidad de innovación sigue siendo constante. Esto incluye demandas de mejor rendimiento, mayor vida útil de las herramientas y mejores técnicas de fabricación.

Por ejemplo, los objetivos de diseño de CemeCon siguen siendo una mayor vida útil de la herramienta a velocidades más altas, un diseño de herramienta más rentable y menos desperdicio, es decir, cortes más finos, según Manfred Weigand, gerente de productos para las herramientas de servicio de recubrimiento de la compañía. Lo que ha cambiado, señaló, son los parámetros de fabricación, como los avances en CAD/CAM, que han llevado a refinamientos en la geometría y los recubrimientos de las herramientas. Esto aumenta la importancia de que los recubrimientos se adapten de forma óptima a la geometría de la herramienta.

Las operaciones de CemeCon en Norteamérica pueden, dependiendo del tipo de herramienta, proporcionar espesores de recubrimiento de una a 12 micras. Mientras tanto, la preparación de los bordes es cada vez más importante.

"(Es) una conversación que tenemos con los clientes ahora, debido a las diferentes soluciones de recubrimiento que ofrecemos, y no es algo que hiciéramos ni siquiera hace cuatro o cinco años", dijo el presidente de CemeCon, Jeff Barlow. “Anteriormente, la preocupación por la preparación de los bordes era en realidad por recubrimientos más gruesos en las plaquitas, y ahí es donde realmente terminaba. Ahora se ha ampliado a herramientas redondas”.

Los planes han cambiado recientemente, dijo, para tener en cuenta los materiales que se mecanizan y el espesor y la composición del revestimiento. Los clientes quieren saber qué tipo de preparación de bordes se necesita en un taladro o fresa “para que el recubrimiento y la herramienta realmente brillen”.

Si bien Oerlikon normalmente evita los recubrimientos patentados, no los descarta. Un ejemplo es un recubrimiento desarrollado y mejorado cíclicamente para un cliente aeroespacial, que Fabricio describió como "un recubrimiento para una geometría hecha a medida" con una preparación de bordes única.

Ya sea Boeing, Lockheed, GE o SpaceX, los fabricantes de A&D necesitan una mayor vida útil de las herramientas para materiales extremos. Por ejemplo, el Inconel, una aleación de níquel y cromo que se utiliza normalmente para motores de cohetes, es físicamente duro y difícil de mecanizar. Las herramientas adecuadas con las geometrías adecuadas son fundamentales para la prevención de fallas y el mecanizado eficiente. Como resultado, los fabricantes de herramientas comprometidos con este mercado están igualmente dedicados a soluciones premium con alto rendimiento, altas velocidades y velocidades de avance para lograr eficiencia.

Los recubrimientos de herramientas, las recetas y cómo se depositan, están dedicados a extender la vida útil de la herramienta independientemente de la velocidad o la geometría, destacó Christoph Schiffers, gerente de productos del equipo de recubrimiento de CemeCon. “En general, el deseo de reducir las emisiones de CO₂ estimula enormemente el proceso de innovación en cuanto a nuevos productos y procesos en el mercado”, afirmó. "En este contexto, la tecnología CemeCon HiPIMS (pulsura de magnetrón pulsado de alta potencia) permite depositar casi todos los elementos de la tabla periódica de elementos sobre un sustrato".

Como resultado, las recetas de recubrimiento se pueden adaptar a los requisitos del mercado, al material de la herramienta y al diseño de la herramienta según sea necesario, incluido el del cliente, afirmó Schiffers.

En Sandvik, Johnson considera que los “recubrimientos texturizados” tienen una mayor influencia en las recetas de recubrimiento para CVD en particular. “Los espesores generales de los recubrimientos suelen ser bastante consistentes y presentan pocos cambios. Sin embargo, vemos más microcapas dentro del espesor general del recubrimiento y, por lo general, vemos más capas funcionales que componen el recubrimiento general, especialmente dentro de la aplicación de recubrimiento texturizado”, dijo Johnson.

"La tecnología tiene que mantenerse al día con esa demanda en términos de ofrecer un proceso que sea capaz de lograr una alta textura", dijo, y agregó que Sandvik recientemente realizó una inversión sustancial en nuevos controladores de flujo másico y equipos de soporte para la distribución de gas en el horno para optimizar la deposición de capas de recubrimiento.

Johnson continuó: “Y, como siempre, hay un gran enfoque en la calidad. En los últimos tres a cinco años, yo diría que ha habido una mayor presión sobre la reducción de costos y la productividad de los costos. Y eso realmente nos desafía a mejorar constantemente nuestro proceso de producción, no solo desde el punto de vista de la utilización de recursos, sino también de la mano de obra, las materias primas y las operaciones diarias”.

Schiffers de CemeCon nos recuerda que "en principio, todos los recubrimientos prolongan la vida útil de la herramienta, si se han adaptado de forma óptima al sustrato".

Pero no todos los sustratos son ferrosos ni metálicos. Los compuestos presentan desafíos únicos: "En comparación con el proceso CVD clásico, (nuestros) recubrimientos de diamante ofrecen una producción libre de toxinas de recubrimientos extremadamente resistentes al desgaste con una excelente conductividad térmica", dijo Schiffers.

Barlow amplificó este punto. "Lo que realmente ha cambiado en el mundo de los diamantes CVD es su crecimiento continuo y su importancia para el sector aeroespacial comercial", dijo, señalando que la compañía puede proporcionar recubrimientos de tres a 18 micrones de espesor, con aplicaciones en cada uno de esos extremos, dependiendo del tipo de herramienta. Se espera que las aplicaciones de recubrimientos de diamante se expandan para “grafitos, cerámicas, fibra de carbono, materiales no ferrosos con alto contenido de silicio y, especialmente, aluminio con alto contenido de silicio que se utiliza principalmente en la industria aeroespacial comercial”.

Mientras tanto, la adquisición de D-Coat GmbH por parte de Oerlikon en 2020 mejoró su capacidad para satisfacer la creciente demanda de recubrimientos de diamante. "Hemos incorporado la tecnología y las mejores prácticas de D-Coat para nuestros recubrimientos de diamante actuales", dijo Fabricio, "y podemos proporcionar una solución para la operación más exigente que plantea el mecanizado de compuestos que pueda experimentar".

Fabricio también promocionó un nuevo proceso de deposición de PVD llamado Baliq S3p (Scalable Pulsed Power Plasma), que es el siguiente paso en la evolución de los procesos HiPIMS.

Los resultados muestran que los recubrimientos Baliq minimizarán la deposición de gotas, haciendo que el recubrimiento o la superficie del recubrimiento sean más suaves, según la empresa. Esto reduce la fricción y por lo tanto reduce el desgaste, generando menos calor, explicó Fabricio. La temperatura reducida brindará una vida útil más larga de la herramienta o podría volver a igualarse, aumentando el SFM para reducir el tiempo del ciclo, agregó.

CemeCon es pionero en HiPIMS y ofrece esta variación de PVD como recubridor por contrato, así como sistemas llave en mano. El lanzamiento de HiPIMS en 2016 supuso un punto de inflexión, según Lake. "El recubrimiento resultó mucho más denso y aumentamos las propiedades de dureza y tenacidad a niveles que la gente no había visto antes", dijo, y agregó que esto estimuló el crecimiento de HiPIMS en todo el mundo, tanto en servicios de recubrimiento como en ventas de tecnología. Tanto Lake como Barlow ven a HiPIMS como la primera expansión de la tecnología de recubrimiento posiblemente en décadas.

Si bien CemeCon tiende a ofrecer una selección de productos estándar, la empresa hace excepciones en la venta de equipos. “Podemos hacer cambios, diferentes recubrimientos, diferentes combinaciones, diferentes preparaciones de bordes. Ofrecemos (a esos clientes) una solución a su problema a través de la venta de equipos”, dijo Lake.

Finalmente, surge una idea interesante para mejorar la eficiencia de las estaciones de trabajo: herramientas de producción de recubrimientos de color. Para esto, Fabricio sugirió la línea de recubrimientos Baliq Unique con aproximadamente 30 colores diferentes disponibles: “Si tiene una herramienta dimensionalmente similar o herramientas para mano izquierda y derecha (tradicionalmente este es un punto de error), puede usar el color para ayudar a los operadores. "

Otro uso del color del recubrimiento sería asociar el color de la herramienta con un grupo de materiales de la pieza de trabajo. Por ejemplo, dijo Fabricio, azul para el acero, amarillo para el acero inoxidable y rojo para el hierro fundido. “Imagínese que puede tener un taladro, una fresa o una plaquita y solo por el color eliminar la necesidad de cualquier tipo de guía de corte, manual o catálogo, y solo al ver el color se sabe para qué se desarrolló esa herramienta en particular. .”

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