Manufactura de moldes de acero inoxidable como alternativa a los moldes de grafito

Los fondos van arriba. Esto para decir que la singularidad de los vasos y jarras sopladas artesanalmente por artesanos de North Drinkware crece desde la base de esos vasos hacia arriba, a través de representaciones precisas de montañas icónicas de Estados Unidos. Las fotos muestran lo que quiero decir.

Hace un par de años, Nic Ramírez junto con la pareja de esposos Matt y Leigh Capozzi comenzaron una exitosa campaña cerca de Portland, Oregon, para fundar un proyecto alterno que denominaron North Drinkware. En pocas palabras, su idea era asociarse con Elements Glass para manufacturar vasos para bebidas soplados artesanalmente y que tuvieran moldeada en sus bases la forma del Monte Hood, el pico más alto de Oregon a 3,429 metros. El equipo creía que esto ofrecería a los bebedores locales de cerveza artesanal una conexión única con el paisaje del Pacífico Noroeste.

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Para comenzar, North Drinkware usó datos 3D del Estudio Geológico de Estados Unidos (USGS por sus siglas en inglés) para el Monte Hood, con el fin de desarrollar un modelo CAD de la montaña. Luego imprimió ese modelo en 3D para crear y refinar moldes de prototipo en yeso y, finalmente, contrató a C and L Custom Tooling de Portland para mecanizar el primer molde de producción en grafito. Después de eso, North Drinkware arrancó su campaña “Pinta Oregon” para apoyar los esfuerzos y la visión de la nueva compañía para crear vasos que tuvieran otras montañas famosas de EE.UU. De hecho, esta campaña con una meta de 15,000 dólares cerró en 531.581 dólares con fondos provistos por 5,620 patrocinadores, lo cual mostró el considerable interés en esta idea.

Sin embargo, los primeros moldes de producción de los vasos conllevaron problemas en la producción. El primer problema fue encontrar un taller que mecanizara los moldes. North Drinkware llegó primero a C and L, sabiendo que el taller, especializado en diseño y mecanizado de herramental de moldes de inyección, era exitoso diversificándose en el mecanizado de moldes para fabricantes locales de vasos de vidrio personalizados. Infortunadamente, Glen Sparkman, copropietario de C and L junto con su esposa Donna, dice que su taller de tres personas estaba demasiado ocupado en ese momento para tomar el trabajo. North Drinkware probó con otro taller, pero ese no era capaz de generar los intrincados detalles de las montañas que la compañía estaba buscando, así que esperó hasta que se abriera un espacio en el programa de C and L.

Eventualmente, C and L produjo el tipo de moldes de grafito detallados que North Drinkware necesitaba para comenzar la producción. Sin embargo, con el tiempo, esos moldes que eran calentados a 600°F durante el proceso de moldeado comenzaron a fallar. Esencialmente, el vidrio fundido se adhería a los moldes y arrancaba pedazos de grafito cuando se retiraba el vidrio soplado.

Por eso se tomó la decisión de cambiar a acero inoxidable, una aleación usada comúnmente para aplicaciones de moldeado de vasos en producción. Este material finalmente se mantenía más tiempo, requiriendo solamente un pulido periódico. Dicho esto, en comparación con el grafito era mucho más difícil mecanizar los intrincados detalles de las montañas. “Cuando se usaba un escariador de bola de 0.030 pulgadas de diámetro no era tan difícil dar el acabado al grafito, pero esto cambió completamente cuando se pasó al acero inoxidable”, dice Sparkman.

Aunque uno podría pensar que el proceso para mecanizar estos tipos de características con herramientas tan pequeñas puede involucrar máquinas con velocidades de husillo muy altas, C and L usa un VMC con una velocidad de husillo máxima de 8,000 rpm. Como lo describió Sparkman en una visita que hice recientemente, el proceso que él desarrolló para estos moldes, tan finamente detallados, no es apropiado para el trabajo típico de alto volumen, en el cual es clave minimizar los tiempos de ciclo, pero es necesario para los trabajos de a uno o de bajo volumen, como mecanizar estos moldes de acero inoxidable. De hecho, desde entonces él ha aplicado este proceso para crear otros tres diseños de moldes de montañas para North Drinkware y actualmente hay otro diseño en proceso.

Todo en torno a los detalles

Los moldes son creados a partir de dos piezas: un cilindro que C and L tornea en su torno Femco para crear la forma exterior del vaso soplado, el cual tiene un cono en la parte donde se encuentra con el componente de la base separada, que incluye la forma de la montaña. Aunque Sparkman cuenta con un modelo CAD de la montaña, generalmente usa herramientas de reparación en SolidWorks para poner parches en áreas donde faltan datos del modelo y para crear el diseño del molde. A partir de ahí usa Surfcam para crear patrones de herramientas que están diseñadas para no enterrar las herramientas de diámetro pequeño en las esquinas, previniendo así el quiebre de la herramienta.

Los componentes del molde base son mecanizados en el VMC Chevalier 2040 del taller. Sparkman dice que él compró esta máquina de guías cuadradas con husillo de 8,000 rpm por su flexibilidad para acomodar desde grafito hasta acero para herramientas. Él cree que, aunque una máquina más especializada con altas rpm podría ser más apropiada para producir los finos detalles que tienen los moldes de montañas, tiene más sentido para este taller tener una máquina versátil que pueda correr diferentes trabajos en lugar de una máquina de alta velocidad más costosa que podría estar parada esperando el trabajo correcto. Además, aun cuando el proceso para el mecanizado de los moldes de montañas puede ser más bien demorado, se pueden ejecutar programas más largos de forma desatendida en la noche.

Un componente del molde base comienza a partir de una longitud de barra redonda con una parte plana fresada en la parte inferior, de modo que puede asegurarse en el VMC con una prensa convencional. Sparkman dice que él usa herramientas Niagara Cutter para estos trabajos, algunas de las cuales tienen recubrimientos de nitruro de aluminio y titanio (TiAlN) y otras usan carbonitruro de titanio (TiCN), porque se desempeñan bien, tienen mínima desviación y son de precio razonable.

Dennis Noland, ingeniero senior de diseño e I&D en Niagara Cutter, dice que la delgadez de los recubrimientos (en el rango de 3 a 5 micras) es especialmente importante para las microherramientas como las que usa C and L (él define microherramientas como las herramientas que tienen un diámetro menor a 0.100 pulgadas). Esto es porque no hay mucha redondez en los filos de corte y el acabado de la superficie de la herramienta es más suave, porque hay menos goteos dejados en el proceso de recubrimiento.

Además, Noland indica que el incremento lateral para herramientas de diámetro tan pequeño no debería ser mayor que 8 a 10 por ciento el diámetro de la herramienta, especialmente cuando se requiere un acabado muy suave de la superficie de la pieza de trabajo.

Lo que sigue es la serie de operaciones de fresado que Sparkman generalmente usa para estos moldes de producción en inoxidable. Él comienza con dos ejes, desbaste del contorno y corta alrededor de la forma de la montaña; luego sigue una operación de desbaste Z en tres ejes. Luego está un patrón de herramientas Surfcam Auto Rough de tres ejes, seguido por un patrón de herramientas Planar de tres ejes, el cual corta múltiples superficies al tiempo en un patrón de línea recta, generando un pico de proyecciones curvas de 0.001 pulgadas de alto. El mecanizado se completa usando escariadores de bola más pequeños (el último es una herramienta de 0.030 pulgadas de diámetro) y el patrón de herramientas de 3 ejes pronunciado/plano, el cual provee una separación 3D constante basada en el ángulo superficial y en las especificaciones de traslapo para producir un pico de proyecciones curvas iguales a 0.0002 pulgadas.

Además de la selección adecuada del herramental y el patrón de herramientas, Sparkman dice que el tipo de refrigerante también juega un papel principal. El taller usa un fluido metalmecánico soluble en agua de dos componentes Hycut de Oemeta, el cual está basado en aceites sintéticos de éster que dicen ofrecer alto desempeño de lubricación y reducido desgaste de la herramienta (este producto también ha sido certificado por el USDA bajo su programa BioPrefered). El aceite de corte Hycut CF 21 de la compañía es combinado con Aditivo BF y añadido al sumidero de la máquina. Éste ofrece la capacidad de mezclar los dos componentes en cualquier número diferente de relaciones para ajustar la cantidad correcta de lubricidad según la aplicación (la mezcla usada para los moldes de acero inoxidable es altamente lubricante, para mecanizar más efectivamente el “pegajoso” material de acero inoxidable). El concepto de dos componentes también lleva a una vida más larga del aceite y aditivo en inventario en comparación con el refrigerante premezclado, porque los componentes se almacenan por separado y se mezclan sólo cuando se necesita.

Más montañas en el horizonte

Después del mecanizado, Sparkman pule manualmente las características de las montañas de los moldes. A la fecha, C and L ha creado moldes para cuatro diseños diferentes de montañas de North Drinkware (el Monte Hood, el Monte Rainier de Washington, la Joroba del Camello de Vermont y el Medio Domo en el Parque Nacional Yosemite). Para los productos de vidrio más populares que se producen en volúmenes mayores, se han mecanizado moldes duplicados. Además, los moldes se corroen ligeramente debido al alto rango de temperatura operacional, de modo que requieren ser pulidos en C and L cada cierto número de meses.

El hábil trabajo manual que implica el soplado artesanal de estos vasos de North Drinkware y los moldes detallados que se mecanizan para producirlos son impresionantes. Sparkman dice que su taller está trabajando actualmente en un molde para un nuevo producto para el fabricante de vasos, pero hay esperar para saber de cuál montaña se trata. Sin embargo, debido a que C and L ya ha establecido un proceso efectivo para mecanizar los moldes, North Drinkware podrá llegar al mercado más rápido. Finalmente, esta es la meta de todo taller metalmecánico.