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Proceso de fabricación que consiste en la deformación plástica en frío del material mediante la aplicación de una presión sobre la superficie de la pieza

Acabado mediante bruñido hidrostático por bola. Importancia de la integridad superficial

G. Gómez-Escudero, P. Fernández De Lucio, H. González Barrio, A. Calleja Ochoa y L.N. López de Lacalle Marcaide, del Dpto. de Ing Mecánica. Universidad del País Vasco (UPV/EHU); y O. Pereira Neto, A. Rodríguez Ezquerro y L.N. López de Lacalle Marcaide, del Centro de Fabricación Avanzada Aeronáutica. (UPV/EHU).18/11/2020
En este artículo se propone la utilización del bruñido hidrostático por bola para su aplicación en aleaciones de Ti6Al4V. Para ello se describe en qué consiste esta técnica —que ya es utilizada en otros sectores como el ferroviario para aumentar la duración de sus componentes a fatiga— y cómo afecta a la integridad superficial de las piezas. Finalmente se mostrarán los resultados obtenidos de unas pruebas preliminares en Ti6Al4V con los que abrir una ventana a su estudio en componentes como prótesis de rodilla.

Uno de los sectores con más importancia dentro de la industria es el de la tecnología médica. Concretamente, la fabricación de prótesis es una de las tendencias que está creciendo exponencialmente los últimos años debido al estilo de vida más sedentario de las sociedades industrializadas, así como la mayor esperanza de vida, se traduce en problemas principalmente de artrosis y osteoporosis. [1]. Por ello, los esfuerzos en investigación en esta línea de trabajo cada vez cobran mayor peso en los centros de investigación con el fin de dar respuesta a las necesidades, no sólo de las empresas ya establecidas en el sector las cuales cada vez quieren aportar un mayor valor añadido a sus productos, sino a aquellas que quieren introducirse en este nicho de mercado que mueve una cantidad de 4425 prótesis por cada 100.000 habitantes [2].

Dentro de la fabricación de prótesis existen distintos campos de trabajo que van desde piezas pequeñas relacionadas con implantes dentales hasta componentes de mayor tamaño entre los que cobran especial relevancia las prótesis de cadera y rótula, siendo estos últimos los que soportan condiciones de trabajo más severas. Esto es debido a que este tipo de componentes, además de soportar un esfuerzo a compresión derivado del peso del cuerpo, están sometidos a un proceso de fricción mientras andamos ya que forman parte de las articulaciones de la pierna [3].

Hay que tener en cuenta que uno de los aspectos más relevantes en este tipo de componentes es la fiabilidad ya que, para su colocación, el paciente debe someterse a una operación con sus consiguientes factores de riesgo. De hecho, hay que tener en cuenta que sólo en España se generan en prótesis de rodilla anualmente unos 350-450 rechazos a motivos de infección [4]. Sin embargo, en Alemania de 170.000 cambios de rodilla que se producen anualmente, el 25% deberán ser sometidos a nuevas cirugías en los próximos años, no sólo por las propias infecciones iniciales, sino derivadas del desgaste de estas [5]. Por ello avanzar en conseguir prótesis para rodilla más robustos y fiables debe ser una de las metas de los centros de investigación de esta línea de aplicación.

Generalmente, las aleaciones que se suelen utilizar para fabricar prótesis de rodilla son aceros inoxidables, aleaciones de cromo-cobalto o aleaciones de titanio [6]. Entre éstas, la aleación de titanio Ti6Al4V de grado 23 es una de las más utilizadas para la fabricación de este tipo de prótesis. Esta aleación se caracteriza porque tiene una alta capacidad de osteointegración combinada con unas altas prestaciones mecánicas que satisface los requisitos de diseño. Sin embargo, avanzar en reducir el número de rechazos hasta lograr alcanzar valores cercanos al 0% es una meta a lograr a medio plazo.

1. Bruñido hidrostático por bola

Este proceso de fabricación consiste en producir la deformación plástica en frío del material a través de la aplicación de una presión sobre la superficie de la pieza. De este modo, cuando la presión ejercida supera el límite elástico del material se logra que haya un desplazamiento del material sobrante de los picos de rugosidad hacia los valles de la misma. En la figura 1 se muestra una ilustración del proceso en sí.

Figura 1. Esquema del proceso de bruñido
Figura 1. Esquema del proceso de bruñido.

Como se puede observar en la Figura, la principal característica de este proceso es que se reduce la rugosidad superficial de los componentes a los que se les aplica. Por otra parte, se generan tensiones residuales a compresión en la propia pieza, lo cual la combinación de estos dos factores se traduce en un aumento de la vida útil de componentes que están sometidos a esfuerzos constantes ciclos de carga/descarga y fricciones, como es el caso de las prótesis de rodilla.

Hay que destacar, que de entre los principales procesos de súper-acabado, el bruñido hidrostático por bola ofrece más ventajas frente al resto. La primera de ellas es la posibilidad de aplicar el propio proceso en la misma máquina en la que se ha realizado la operación de acabado previa. De esta forma, se reducen los tiempos de transporte y atado de la pieza además de reducir los errores de posicionamiento al cambiar el componente de máquina. Por otro lado, al ser un proceso de deformación y no de corte, la velocidad de la herramienta con respecto a la superficie de la pieza puede ser mucho mayor, lo que supone tiempos de proceso cortos en comparación a otras técnicas. Asimismo, el bruñido hidrostático por bola permite el acabado en máquinas de 5 ejes, lo que supone una idónea adaptación a superficies complejas como las de las prótesis. No obstante, para su aplicación en este tipo de superficies complejas hay que tener un know-how previo con el fin de conocer la influencia de los parámetros de trabajo sobre la pieza. Principalmente los dos parámetros a tener en cuenta es el tamaño de la bola y la presión que se va a ejercer. Por ejemplo, un diámetro de bola grande en comparación con uno pequeño para la misma presión permite transmitir mayores fuerzas a la pieza y, con ello, mayores tensiones residuales y profundidad de las mismas. Sin embargo, un diámetro de bola grande deja una mayor huella en la superficie bruñida dejando peores acabados superficiales. Por consiguiente, los parámetros del bruñido se deben escoger en función de los requerimientos finales del componente a bruñir. Por ello, en la siguiente sección se muestran los efectos concretos que produce el bruñido hidrostático con bola en la integridad superficial de la pieza desde el punto de vista superficial en sí y subsuperficial con el fin de poder acotar la mejora que realmente aporta este proceso a la fabricación de componentes protésicos.

2. Integridad superficial

El bruñido hidrostático con bola genera sobre la pieza un conjunto de efectos que modifican considerablemente la integridad superficial (IS) del componente. En ingeniería de superficies se conoce como integridad superficial al conjunto de propiedades, tanto superficiales como subsuperficiales, que presenta la pieza tratada y que afectan de alguna manera al comportamiento funcional en servicio. Hay muchas propiedades que se pueden considerar a la hora de evaluar la integridad superficial de un componente. Field (1972) [7] hizo un resumen de las características más importantes a considerar. Partiendo de esa base, dependiendo del tipo de tratamiento aplicado y de la aplicación del componente, se deben analizar diferentes propiedades para evaluar la integridad superficial. En el caso del bruñido hidrostático con bola, los efectos generados por el proceso en cuanto a integridad superficial se clasifican en dos bloques: efectos sobre el acabado superficial y efectos subsuperficiales, los cuales serán analizados a continuación. No obstante destacar que en cada uno de estos grupos se analizan diferentes propiedades, las cuales están resumidas en la tabla 1.

Tabla 1. Diferentes niveles de análisis de la integridad Superficial (IS) [7]
Tabla 1. Diferentes niveles de análisis de la integridad Superficial (IS) [7].

2.1. Efectos sobre el acabado superficial

El acabado superficial es una parte importante de la integridad superficial y normalmente presenta gran importancia en el comportamiento funcional de las piezas. Muchas de las propiedades funcionales del componente dependen directamente de este factor, como por ejemplo la resistencia a fatiga, a desgaste, el comportamiento ante rozamiento, rodadura, lubricación, condiciones de estanqueidad, brillo y aspecto entre otros. Unos de los efectos más destacados del proceso de bruñido hidrostático por bola es su excelente acabado superficial, lo cual es un factor importante a tener en cuenta en las prótesis de rodilla.

El grado de acabado superficial se cuantifica en base al análisis del perfil geométrico completo de la superficie. Normalmente se trata de un perfil plano de la superficie, obtenido mediante el corte con un plano perpendicular a la superficie teórica y en la dirección de mayor desviación entre la superficie real y la teórica. Las técnicas clásicas de obtención de este perfil se basan en palpadores por contacto que registran las coordenadas de una serie de puntos y almacenan los datos relacionando el desplazamiento longitudinal del palpador con el desplazamiento vertical, obteniendo de esta forma el perfil topográfico. El equipo de medida utilizado para tal fin se denomina rugosímetro. En los últimos años se han desarrollado nuevas tecnologías de obtención de perfiles tanto en 2D como en 3D, alguna de las más representativas son las técnicas de microscopia confocal. Se trata de equipos basados en técnicas ópticas capaces de obtener perfiles en 2D y 3D sin contacto y con tiempos de captura muy inferiores a los clásicos rugosímetros de contacto. Hay que destacar que una vez obtenido el perfil geométrico completo es necesario distinguir entre los errores de forma y ondulación y la rugosidad o textura superficial. Para ello es necesario realizar un filtrado del perfil completo en el que se utiliza la denominada longitud de corte (λc) para separar entre oscilaciones de longitud de onda larga o corta. Los valores recomendados de λc dependiendo del nivel de rugosidad, o lo que es lo mismo, dependiendo del tipo de proceso, se presentan en la norma ISO 4288. Para rangos de rugosidades comunes en procesos de mecanizado, el valor recomendado es λc = 0,8 mm. De esta forma, del perfil inicial completo se obtiene el perfil de ondulación, correspondiente a oscilaciones con longitud de onda larga, y el perfil de rugosidad, correspondiente a longitudes de onda cortas. El perfil de ondulación es válido para analizar errores superficiales como defectos de forma y de ondulación. El perfil de rugosidades es el utilizado para obtener los parámetros de rugosidad que definen la textura superficial.

En la Figura 2 se muestra un ejemplo de adquisición de rugosidad superficial obtenido con un microscopio confocal Leica® donde se ha aplicado el proceso de bruñido hidrostático con bola de diámetro 6 mm con dos presiones de trabajo distintas en un acero F114 [8].

Figura 2. Rugosidades superficiales obtenidas con el bruñido [8]
Figura 2. Rugosidades superficiales obtenidas con el bruñido [8].

2.2. Efectos subsuperficiales

En el proceso de bruñido hidrostático con bola, los efectos subsuperficiales producidos por la deformación plástica alcanzan profundidades de hasta 1 mm, dependiendo de la operación concreta y los parámetros del proceso. Principalmente los efectos que más se estudian son la deformación plástica generada, los cambios microestructurales, el incremento de dureza y la introducción de tensiones residuales de compresión.

• Cuando la presión aplicada sobre la superficie de la pieza supera el límite elástico del material, se produce la deformación plástica de la capa extrema del componente. El tamaño de grano disminuye y estos se deforman en la dirección de avance del bruñidor, generando cambios microestructurales en los componentes.

• Existen varios mecanismos de endurecimiento de materiales metálicos, sin embargo, en el caso del bruñido, el mecanismo predominante es el endurecimiento por deformación, también denominado acritud o endurecimiento por trabajo en frío, dado que la temperatura a la que ocurre es baja en relación a la temperatura de fusión del material. Este fenómeno se basa en el aumento de la dureza y resistencia de metales dúctiles a medida que son deformados plásticamente.

• Otro de los efectos más importantes del proceso de bruñido es la introducción de tensiones residuales de compresión en zonas cercanas a la superficie de la pieza. Se denominan tensiones residuales o internas al estado tensional presente en el interior del material cuando éste no se encuentra sometido a cargas externas u otras fuentes de tensiones, como por ejemplo los gradientes térmicos. Este estado tensional interno tiene su origen en los tratamientos mecánicos y térmicos utilizados en los diferentes procesos de fabricación del componente y en ocasiones también puede ser generado debido a las cargas aplicadas en servicio.

En la Figura 3, continuando con el ejemplo del anterior subapartado se observa cómo al aplicar el bruñido hidrostático con bola realmente el tamaño de grano disminuye en la capa deformada, así como se aumenta la dureza subsuperficial y se generan unas tensiones residuales de compresión.

Figura 3. Integridad subsuperficial obtenida con el proceso de bruñido con bola hidrostático [8]
Figura 3. Integridad subsuperficial obtenida con el proceso de bruñido con bola hidrostático [8].

3. Bruñido de Ti6Al4V

Una vez mostrado en qué consiste el proceso de bruñido, así como en materiales comunes es una técnica de súper-acabado que aporta grandes ventajas a los componentes a los que se le aplica cabe estudiar si esto es extrapolable a las aleaciones utilizadas en componentes protésicos, las cuales se caracterizan por tener una dificultad añadida durante su mecanizado y acabado debido a sus superiores propiedades mecánicas (principalmente una mayor dureza combinada con una alta ductilidad). En el caso concreto de las prótesis de rodilla, estos parámetros deben ser ajustados para obtener rugosidades superficiales que tengan valores inferiores de 0,10 μm en el caso de la rugosidad media (Ra) equivale a un acabado N3 según la norma ISO 1302:2002. Gracias a esto se logra que el desgaste a fricción disminuya. No obstante, el proceso de bruñido además de obtener estos valores de forma más rápida que otros procesos introduce en el material tensiones de compresión que los otros procesos no, por lo que aumenta también su resistencia a fatiga. Por tanto, cuantificar el valor de las tensiones residuales obtenidas en función de la presión obtenida es esencial para poder cuantificar a futuro el aumento de productividad basada en los tiempos necesarios de ejecución, así como el aumento de la vida útil de las prótesis de rodilla gracias a las tensiones residuales inducidas.

En esta línea desde la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) se ha realizado una batería de ensayos en titanio Ti6Al4V con el fin de cuantificar las tensiones residuales obtenidas en función de la presión aplicada a la bola de bruñido hidrostático. Para ello se han mecanizado unas probetas en este material y se ha procedido a su bruñido con diferentes parámetros.

3.1. Montaje experimental

Las pruebas se han realizado en un centro de mecanizado de 5 ejes Kondia HS-1000. Para ello, inicialmente se han mecanizado tres probetas con unas dimensiones de 40x40x10 mm. Estas dimensiones han sido establecidas teniendo en cuenta la norma ASTM E837-13a. Una vez preparadas, se han amarrado al centro de mecanizado mediante una mordaza Lang Makro Grip y se ha procedido a su bruñido. Para el bruñido se ha utilizado un equipo de bruñido Ecorroll HGP 6.5 provisto de una bola cerámica de diámetro 6 mm. Las presiones analizadas fueron 100 bares y 200 bares, respectivamente. Estos valores fueron establecidos en base al know-how adquirido por el equipo de investigación por experiencias anteriores con esta tecnología. Una vez realizado el bruñido se procedió al estudio de las tensiones residuales con un equipo RS 200 provisto de una broca de diámetro 1,6 mm y galgas extensiométricas con las que obtener la variación del diámetro del micro-agujero realizado cuyo valor es registrado y convertido en tensiones por el programa H-drill. En la figura 4 se muestran los diferentes montajes experimentales.

Figura 4. Montajes experimentales
Figura 4. Montajes experimentales

3.2. Resultados obtenidos

En la Figura 5 se muestran los resultados obtenidos. Como se puede observar, el material base muestra a lo largo de las medidas realizadas unos valores relativamente estables. En el caso de aplicar 100 bares de presión, las tensiones residuales ya son claramente de compresión, alcanzando valores iniciales de 350 MPa en la dirección de avance del bruñido (dirección X) y de 1.000 MPa en la dirección perpendicular a la misma (dirección del fresado previo) hasta alcanzar los valores del material base cuando se alcanza una profundidad de más de 1 mm. En el caso de aplicar 200 bares de presión, el comportamiento es análogo a la aplicación en 100 bares. No obstante, los valores aumentan en un 35% situándose en 1.500 MPa inicialmente en la dirección perpendicular a la de bruñido y un 16% alcanzando los 400 MPa en la dirección del fresado previo, hasta alcanzar el valor del material base pasado el milímetro de profundidad.

Figura 5. Tensiones residuales obtenidas
Figura 5. Tensiones residuales obtenidas.

Como se puede apreciar la diferencia entre aplicar 100 ó 200 bares es significativa ya que, en el caso de los 200 bares de presión, las tensiones residuales están cerca de la tensión de fluencia del material, lo cual puede resultar peligroso en caso de aplicarlo en un componente objeto de ciclos de carga y de descarga. Por tanto, de cara a su aplicación en prótesis de rodilla el uso de 100 bares es una presión más que suficiente para alcanzar un valor que suponga un aumento de la vida útil de este tipo de componentes.

4. Conclusiones y acciones futuras

En este trabajo se ha expuesto en qué consiste el proceso de bruñido con bola hidrostático, a qué parámetros de la integridad superficial de la pieza afecta y cómo puede ser una técnica de súper-acabado aplicable a componentes biomédicos como las prótesis de rodilla. Hay que tener en cuenta que, a día de hoy, el número de remplazos de éstas es relativamente alto y el objetivo es alcanzar valores cercanos al 0%. Por ello, cualquier operación que genere valor añadido por pequeño que sea, es necesaria. En este caso, la aplicación del bruñido hidrostático con bola no sólo logra la rugosidad superficial deseada de forma más rápida que otros procesos convencionales, sino que induce tensiones residuales de compresión que puede hacer que aumente la vida útil de las prótesis de rótula.

Por tanto, a la vista de este estudio inicial se abre una nueva línea en la que aplicar el bruñido a este tipo de componentes y someterles a ensayos de fatiga con el fin de cuantificar si ese aumento de vida es significativo o no.

Proyecto PROCODA (Procesos de alto valor basados en el conocimiento y los datos)

Este proyecto nace gracias a la convocatoria de Elkartek 2019 del Gobierno Vasco para el apoyo a la realización de Investigación Colaborativa, llevada a cabo por las Entidades de Investigación, Desarrollo e Innovación integradas en la Red Vasca de Ciencia, Tecnología e Innovación de Euskadi.

El consorcio que integra este proyecto incluye algunos de los centros de investigación más importantes del territorio vasco, aunando conocimientos y experiencias con el fin común de dar soluciones a desafíos presentes tanto en la comunidad científica como industrial.

Proyecto

El objetivo concreto del proyecto PROCODA es investigar en el desarrollo de nuevos procesos de fabricación complejos de alto valor añadido a través de una aproximación integral basada en la simulación, la monitorización y análisis de datos, configurando una plataforma de modelización híbrida y actuación flexible que permita a empresas fabricantes de máquinas y, en especial a sus usuarios optimizar drásticamente sus procesos de fabricación, en todas las fases de desarrollo.

Este proyecto propone dar un salto cuantitativo y cualitativo sobre el sentido de integrar en las máquinas diferentes sensores de manera distribuida, continua y global, permitiendo así que dichas máquinas sean capaces de proporcionar y gestionar de manera continua y en tiempo real información multivariable, tanto para procesos principales como secundarios. Se divide en tres líneas fundamentales: procesos multitasking, procesos de acabado y procesos asistidos; cada una con sus modelos predictivos, estrategias smart y demostradores representativos.

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Referencias

[1] Naranjo Hernández, A.; Díaz del Campo Fontech, P.; Aguado Acín, M.P.; Arboleya Rodríguez, L.; Casado Burgos, E.; Santos Castañeda; Fiter Aresté, J.; Gifre, L.; Gómez Vaquero, C.; Candelas Rodríguez, G.; Manuel Francisco Hernández, F.; Guañabens Gay, N. Recomendaciones de la Sociedad Española de Reumatología sobre osteoporosis. Reumatología Clínica. 2019. Vol 15, Nº4, pp 185-248. DOI: 10.1016/j.reuma.2018.09.004

[2] Número de operaciones de reemplazo de la rodilla efectuadas en los países de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE) en 2017

[3] Torrente Blanco, C.; Jiménez Octavio, J.; Del Real Romero, J.C. Análisis FEM de la resistencia y estabilidad de Prótesis de Rodilla. Repositorio Universidad Pontífica de Comillas

[4] Prácticas y tendencias en el proceso de atención de las artroplastias primarias totales de rodilla y cadera. Situación en España 2018. Sociedad Española de Cirugía Ortopédica y Traumatología.

[5] Denkena, B., Köhler, J., Turger, A., Helmecke, P., Correa, T., Hurschler, C. Manufacturing Conditioned Wear of All-ceramic Knee Prostheses. 2013. Procedia CIRP, Vol. 5, pp 179-184,

[6] Axinte D., Guo Y., Liao, Z., Shih A.J., M’Saoubi R., Sugita, N. Machining of biocompatible materials – Recent advances. 2019. CIRP Annals – Manufacturing Technology. Vol. 68, pp. 629-652.

[7] Field, M.; Kahles, J.; Cammett, J. (1972) Review of measuring methods for surface integrity. CIRP Annals Manufacturing Technology, Vol21: pp219–238

[8] Rodríguez, A. Mejora funcional de superficies en componentes mecánicos mediante bruñido hidrostático con bola. Tesis doctoral. UPV/EHU 2014.

Comentarios al artículo/noticia

#1 - Antonio Jordan
17/03/2022 12:46:15
Interesante artículo sobre bruñido en plástico, quiera saber si tienen información y máquinas, equipos y accesorios para bruñido en metales ferrosos ( interiores y exteriores ), Gracias...

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