Caracterización de la Maquinabilidad de la super aleación Cobalto, Cromo, Molibdeno (Co-Cr-Mo) Magnum Solare CE 0123®

PRESENTACIÓN PROPUESTA

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TESIS DE DOCTORADO:                 ☐        TESIS DE MAESTRÍA:                         ☐[pic 1][pic 2]

TRABAJO FINAL DE MAESTRÍA:        ☐        TRABAJO FINAL DE ESPECIALIZACIÓN         ☐

1. PROPONENTE:  José Daniel Cabas Daza    CÉDULA:  1.018.454.420
2. PROGRAMA: Maestría en Ingeniería Mecánica – Investigación.
3. DIRECTOR PROPUESTO: Ernesto Córdoba Nieto.

DEPARTAMENTO: Departamento de Ingeniería Mecánica y mecatrónica.

ASESORES:

1. TÍTULO: Caracterización de la Maquinabilidad de la super aleación Cobalto, Cromo, Molibdeno (Co-Cr-Mo) Magnum Solare CE 0123®.

ÁREA: Materiales y Procesos de Manufactura.

LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: Micro Maquinado Multiejes CNC – Robotizado.

1. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN: (Indicar los desarrollos previos, circunstancias y condiciones que llevaron a la conclusión de la necesidad y conveniencia del proyecto)

El maquinado y/o mecanizado, es un proceso de fabricación de piezas por medio de remoción de material, ya sea por arranque de viruta o abrasión. La industria relacionada con estos tipos de procesos en Colombia enfrenta retos cada vez más grandes buscando maquinar piezas con precisión micrométrica, como lo son implantes dentales, diferentes tipos de prótesis y MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Lo anterior combinado con las exigencias en cuanto a rentabilidad, eficiencia, calidad y propiedades físico-mecánicas, biomecánicas y mecano eléctricas de los materiales, constituye un reto mayor a la hora de establecer procesos de mecanizado rentables y proponer nuevos materiales para la obtención de piezas finales. Actualmente en el mundo existe un material que es el centro de atención de cara al futuro, en el desarrollo de prótesis e implantes dentales, debido a sus excelentes condiciones físicas, químicas y mecánicas, su alta compatibilidad con el sistema inmunológico humano y su alta resistencia a la corrosión en espacios húmedos (Mihalcea et al). Este material es catalogado como una super aleación, compuesta por 3 materiales: Cobalto, Cromo y Molibdeno (CoCrMo).

Las aleaciones de cobalto, cromo y molibdeno son utilizadas en componentes mecánicos y biomédicos sometidos a condiciones extremas, por lo cual el proceso de fabricación de las piezas en este material debe garantizar la magnificencia del producto final. (R.C. Morón et al). El micro fresado es un método adecuado cuando se va a micro mecanizar una pieza, es necesario conocer cuáles son los parámetros óptimos de maquinado que me van a permitir realizar una rutina de mecanizado dinámico, que nos permita disminuir tiempos de corte, aumentar la vida útil de la herramienta y obtener la rugosidad esperada en nuestra pieza; siendo los valores de avance de corte, velocidad de corte y profundidad de corte, lo que más influyen en dicho proceso. Diferentes investigadores han realizado estudios de maquinado buscando optimizar el rendimiento y las condiciones de corte de esta aleación. Otros autores han investigado los efectos que tienen las condiciones del mecanizado sobre el desgaste de la herramienta, enfocados en un método experimental DOE, consiguiendo como resultado que la profundidad de corte y el avance influyen en el desgate de la herramienta de forma significativa cuando se maquinan probetas de CoCrMo (Aykut et al.). Un estudio indicó que la velocidad de avance es el parámetro que más influye en la calidad de la superficie de la pieza maquinada y el desgaste de la herramienta, donde un avance mayor, aumenta el desgaste del filo de la herramienta, disminuyendo su vida útil y afectando el acabado superficial; propiciando el desgaste por adherencia y la formación de los fenómenos BUE & BUL por adhesión de viruta sobre la herramienta y la pieza maquinada (Bruschi et al).

Otro de los factores que debemos tener en cuenta, es la correcta elección de la micro herramienta de corte, ya que una mala elección puede ocasionar el desgaste prematuro de la misma y hacer el procedimiento muy costoso. Se han realizado estudios que muestran el comportamiento de las micro herramientas cuando se encuentran maquinando la aleación CoCrMo, mostrando que las herramientas revestidas tienen un mayor desempeño que las que no tienen ningún revestimiento (Ferreira et al.). El uso de recubrimientos como el nitruro de titanio-aluminio (TiAlN) permite el fácil mecanizado de materiales difíciles de mecanizar como lo es el caso de titanio, níquel y aleaciones de Co-Cr-Mo. El recubrimiento de TiAlN demuestra ser superior en comparación con recubrimientos de TiN, TiCN y TiC, además de demostrar ser un revestimiento biocompatible (Bernard et al.).

Como mencionamos anteriormente las aleaciones compuestas por Cobalto, Cromo y Molibdeno experimentan un auge exponencial en su utilización en la industria como un material avanzado en aplicaciones médicas y de ingeniería, debido a sus propiedades físicas, mecánicas y de biocompatibilidad con el cuerpo humano. Sin embargo, es considerado como una aleación difícil de maquinar y poco estudiada. La investigación sobre el micro maquinado de las aleaciones CoCrMo es muy limitada en comparación con la investigación realizada con materiales como el titanio, el acero inoxidable, aleaciones como la Ti-6Al-4v y la aleación de aluminio 7075 (Akbar et al.).  “Esta aleación se considera uno de los biomateriales metálicos de alto potencial para reemplazar las aleaciones de cobalto debido a la gran cantidad de níquel, que es un elemento de alto riesgo para el cuerpo humano, pudiendo causar reacciones alérgicas. Se espera que se utilice para implantes y dispositivos médicos que se fabrican mediante operaciones de mecanizado, priorizando el acabado superficial y la precisión dimensional” (Akbar et al.).

Otros estudios han demostrado que las super aleaciones compuestas por CoCrMo son tolerantes a defectos, por lo cual sus propiedades mecánicas se mantienen desde los niveles nano a los niveles macro. Por lo tanto, el procesamiento de esta aleación puede afectar las propiedades mecánicas de los componentes resultantes, lo cual implica un control riguroso para lograr la calidad deseada. Siendo puntos específicos de atención las deformaciones causadas en la microestructura, los granos, las temperaturas de fusión, los cambios de fase por corte y los tipos de corte causados sobre la microestructura (B. Qian et al).

1. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA:

El potencial de la aleación CoCrMo en la industria biomédica es grande alrededor del mundo y localmente. Sin embargo, se ha encontrado que las investigaciones alrededor de este material no son concluyentes y no se ha realizado un estudio que nos ayude a entender a ciencia cierta, como se comporta la materia prima cuando se está micro maquinando, ya sea por procesos comunes de micro fresado o procesos avanzados, de allí nace la inquietud investigativa que nos motiva a querer conocer y entender la aleación CoCrMo, queriendo como única finalidad optimizar los procesos de micro mecanizado de este material, relacionados con costos, tiempos y calidad. La intención de desarrollar investigación en bioingeniería, en el área de materiales y procesos de manufactura avanzados, es impulsar la industria colombiana, poder ayudar en el desarrollo de nuevos procesos que nos permitan acercarnos a lo que actualmente está desarrollando la industria en el mundo. Actualmente existen varias empresas en el campo odontológico utilizando materiales avanzados para la obtención de prótesis dentales, de ahí el apoyo que queremos brindar desde la universidad nacional en el conocimiento de la aleación compuesta por Cobalto, Cromo y Molibdeno (CoCrMo) Magnum Solare CE 0123®.

1. OBJETIVO GENERAL Y OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Objetivo General

Categorizar la maquinabilidad de la super aleación MAGNUM SOLARE CE 0123® compuesta por Cobalto, Cromo y Molibdeno (Co:66%, Cr:27% y Mo:6%) con base en estrategias avanzadas de micro fresado.

Objetivos Específicos

1. Establecer por medio del modelo matemático de optimización DOE-OA y el cubo itálico propuestos por el profesor Taguchi, los parámetros de micro fresado (velocidad de corte, avance de corte y profundidad de corte).

1. Analizar las estrategias de micro fresado propuestas por Bouzakis, buscando eficiencia del proceso de micro fresado hacia la rugosidad esperada en la pieza final (Bouzakis et al.).

1. Estructurar el protocolo de micro fresado experimental en seco, con base en tópicos del entorno de máquina-herramienta-probeta.

1. METODOLOGÍA: (Descripción del procedimiento a emplear para obtener los objetivos propuestos).

La metodología por desarrollar durante nuestra investigación se divide en tres etapas, la primera se centrará en optimizar la experimentación por medio de modelos matemáticos, buscando disminuir el número de ensayos a realizar sin arriesgar la calidad del proceso investigativo, la segunda será una fase experimental fundamentada en la primera etapa y la tercera se centrará en el análisis estadístico de los resultados.  

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