Refrigeración conformal: el caso que casi siempre sale rentable

De todas las aplicaciones de la impresión 3D en metal, la refrigeración conformal en insertos de molde es la que sale rentable con más frecuencia, y por una razón que no tiene nada que ver con la geometría: es la única en la que el ahorro se cobra en cada pieza inyectada, miles de veces, en lugar de una sola vez.

El problema con los canales taladrados

Un molde de inyección se refrigera haciendo circular agua por canales interiores. Con mecanizado convencional esos canales solo pueden ser rectos: se taladran, y se tapona lo que sobra.

Eso obliga a dos cosas malas. Los canales pasan lejos de las zonas de la cavidad que no caen en su recorrido, así que esas zonas se enfrían por conducción a través del acero, mucho más despacio. Y la distancia entre el canal y la superficie varía a lo largo de la pieza, con lo que unas zonas se enfrían antes que otras.

Las consecuencias las conoce cualquiera que inyecte:

El ciclo lo marca el punto más lento. No puedes abrir el molde hasta que la zona más caliente ha solidificado, aunque el resto lleve rato listo.
El enfriamiento desigual deforma. La pieza se contrae más donde se enfría más tarde, y sale alabeada.
Aparecen marcas de rechupe justo en las zonas gruesas mal refrigeradas.

Qué cambia con un canal que sigue la superficie

La fabricación aditiva permite que el canal acompañe la geometría de la cavidad a distancia constante, entre y alrededor de zonas donde una broca no entra.

Con eso se consigue lo que importa: distancia uniforme, y por tanto extracción de calor uniforme. El punto más lento deja de estar tan retrasado respecto al resto, y el ciclo baja.

Los rangos que se manejan en el sector para una aplicación bien elegida son reducciones de tiempo de ciclo del orden del 15 al 40 %, con menos deformación y menos rechupes. La horquilla es ancha a propósito: depende enteramente de si tu molde tiene un punto caliente identificado o no.

Si compensa o no se decide con una cuenta, no con una intuición

Es un cálculo de cuatro líneas y se hace antes de dibujar nada.

¿Cuánto dura hoy el ciclo, y qué fracción es enfriamiento? Si el enfriamiento son 6 de 30 segundos, el techo de tu mejora es pequeño. Si son 25 de 40, hay mucho que ganar.
¿Cuántas piezas al año salen de ese molde? El ahorro se multiplica por aquí. Con series cortas no hay caso, por bueno que sea el molde.
¿Cuánto cuesta un segundo de máquina? Coste horario de la inyectora dividido entre 3.600.
Multiplica. Segundos ahorrados × piezas al año × coste del segundo. Si el resultado devuelve el sobrecoste del inserto en menos de un año, es un sí claro.

La segunda pregunta es la que más casos descarta, y es la que casi nunca se hace primero.

Cómo se diseña el canal

Distancia a la cavidad: constante, típicamente entre una y dos veces el diámetro del canal. Demasiado cerca compromete la resistencia mecánica del inserto; demasiado lejos pierde el efecto.
Sección: preferiblemente en gota o elíptica en lugar de circular, para que el canal se autosoporte durante la fabricación y no haya que meter soportes dentro. Un soporte dentro de un canal cerrado no se puede retirar.
Rugosidad interior: la superficie interna de un canal fabricado por LPBF es más rugosa que la de uno taladrado. Eso aumenta la pérdida de carga —hay que comprobar que la bomba llega— y, curiosamente, mejora la transferencia de calor al favorecer la turbulencia.
Evacuación del polvo: el canal tiene que poder vaciarse del polvo sin fundir que queda dentro. Si tiene recovecos donde el polvo se queda, ese polvo acaba en el circuito de refrigeración.
Estanqueidad: es lo que más se prueba y lo que más se juega. Un inserto con una fuga de agua dentro de un molde caliente es un problema serio.

Material

El habitual es un acero de herramienta maraging tipo Fe2709 o C300: se fabrica bien por LPBF, endurece por envejecimiento con deformación mínima —lo que evita tener que rectificar mucho después— y aguanta el ciclado térmico del molde.

Cuando el punto caliente es muy localizado y hace falta evacuar mucho calor de una zona pequeña, se recurre a aleaciones de cobre, que conducen mucho mejor a costa de menor resistencia mecánica. Es una decisión de diseño: cobre donde manda el calor, acero donde manda la carga.

Cuándo no

Por honestidad, los casos en los que no lo recomendamos:

Series cortas. Sin volumen no hay retorno posible.
Moldes sin punto caliente identificado. Si el ciclo lo marca otra cosa, mejorar el enfriamiento no cambia nada.
Insertos muy grandes. Se sale del volumen de construcción y hay que partirlo, con lo que aparecen uniones justo donde no interesan.
Cuando nadie ha medido el ciclo actual. Sin el dato de partida no se puede demostrar la mejora, y entonces la inversión se justifica con fe.

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Si tienes un inserto en la cabeza y quieres un número, el cotizador te da la estimación de coste de fabricarlo. Las aleaciones disponibles están en el catálogo de materiales, y las reglas de diseño que evitan soportes dentro del canal, en soportes en impresión 3D de metal.

Por qué este caso concreto no lo alcanzan ni la fundición ni el MIM, en imprimir, fundir o sinterizar.