WO2010076346A1

WO2010076346A1 - Método de fabricación de inductores de calentamiento por inducción mediante técnicas de microfusión

Info

Publication number: WO2010076346A1
Application number: PCT/ES2008/000814
Authority: WO
Inventors: Pedro MORATALLA MARTÍNEZ; Miguel Mezquida Gisbert; José JORDÁN MARTÍNEZ; Enrique DEDE GARCÍA-SANTAMARÍA; Manuel DURÁN SÁNCHEZ; Vicente ESTEVE GÓMEZ
Original assignee: Gh Electrotermia, S.A.
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2010-07-08
Also published as: EP2371467A4; EP2371467A1

Abstract

Consiste en la realización de determinados pasos, mediante los cuales se consigue un inductor de calentamiento por inducción. Primeramente se generan los planos del inductor en dos dimensiones, posteriormente se generan planos en tres dimensiones, capaces de ser entendidos por un sistema de deposición de cera. A continuación se genera mediante la deposición de ceras un modelo del inductor en dos etapas que conformarán el interior y el cuerpo del inductor respectivamente. Se realiza un molde con la forma exterior del inductor y con dimensiones mayores al inductor. Se introduce el modelo del inductor en el molde. El molde es rellenado con una aleación de alta conductividad e introducido en un horno de Microfusión. Una vez secado en el horno, se realizará el desmolde del molde, mediante mecanismos físicos y decapantes químicos obteniendo el inductor.

Description

MÉTODO DE FABRICACIÓN DE INDUCTORES DE CALENTAMIENTO POR INDUCCIÓN MEDIANTE TÉCNICAS DE MICROFUSIÓN

OBJETO DE LA INVENCIÓN La presente invención, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria, se refiere a un método de fabricación de inductores de calentamiento por inducción utilizando las técnicas de MICROFUSIÓN. Mediante este sistema de fabricación se consiguen cuatro importantes mejoras con respecto a los sistemas actuales de fabricación. La primera de las mejoras consiste en la utilización de un sistema de almacenamiento de datos para guardar las características tanto físicas como mecánicas del inductor, de esta forma se permite reproducir nuevos inductores exactamente iguales, lo que optimiza los procesos de sustitución de inductores para procesos en los que se realizan centenares de miles de piezas. La segunda de las mejoras, consiste en la utilización de la aleación de metales altamente conductores adecuada, para minimizar las pérdidas en el inductor y aumentar de esa forma la vida media del mismo, pudiéndose duplicar con respecto a los inductores realizados mediante cobre puro y soldaduras de plata. La tercera de las mejoras, consiste en la utilización de planos en tres dimensiones para optimizar los inductores y disminuir los puntos de mayor densidad de corriente modificando las características geométricas de los mismos, mediante pequeñas modificaciones en los planos se consigue que la durabilidad de los inductores aumente, al eliminarse los puntos calientes del mismo. La cuarta de las mejoras, consiste en el diseño del interior del inductor, por donde circula la refrigeración del mismo, pudiéndose aumentar el caudal con respecto a los realizados con tubo de cobre, o aumentar el espesor de la pared del inductor donde sea conveniente . ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Desde la utilización del calentamiento por inducción para el temple de piezas de forma masiva, por ejemplo para piezas de automoción, se ha requerido de un inductor de calentamiento. Este inductor de calentamiento necesita tener una vida media muy prolongada para poder realizar el mayor número posible de piezas. Desde los comienzos se ha deseado que el inductor tuviese una vida infinita, puesto que cambiar el inductor, suponía tener que comprobar que el perfil de temple seguía siendo el mismo. Esta comprobación resulta necesaria, puesto que, no se puede tener la certeza de que dos inductores sean iguales. La diferencia que hay entre cada inductor se debe a que estos se realizan de forma manual, y pese a que se realizan con los mismos planos la realización física puede ser ligeramente diferente. La realización de forma manual de los inductores ha generado otro tipo de problemas, como pueden ser los errores en las soldaduras, dimensiones ligeramente diferentes, la obstrucción parcial del interior del inductor, etc. Todos estos errores debidos a la fabricación manual, se han intentado solventar por medio de la automatización en el procedimiento de fabricación de los inductores . Todos los intentos de automatización en la fabricación de inductores se ha realizado por medio de máquinas herramienta desarrolladas para la mecanización de piezas precisas. Estas máquinas herramienta están diseñadas para trabajar básicamente sobre materiales duros como el acero al carbón. El problema de la automatización en la fabricación de los inductores radica básicamente en la utilización de la tecnología actual para mecanizar piezas sólidas de cobre. El sistema utilizado consistía básicamente en, a partir de un gran trozo de cobre, mecanizar el exterior del inductor eliminando todo el cobre sobrante. Mediante este sistema se genera una gran cantidad de virutas de cobre, se rompen muchas herramientas de mecanizado, y no se consigue el interior hueco del inductor. Por lo que es necesario realizar un mecanizado posterior donde se desconoce el hueco del inductor. Posteriormente se debe tapar el extremo por el que se había introducido la herramienta, en este segundo proceso el inductor sufre deformaciones existiendo la posibilidad de fugas de agua. Este método sólo es válido para algún tipo muy específico de inductor de calentamiento por inducción. Se está utilizando desde hace tiempo un método de MICROFUSIÓN para la obtención de piezas de joyería. Este método consiste en el llenado de un material noble de moldes para la realización de esas piezas de joyería. Para la realización de los moldes se suele utilizar un molde inicial de cera que se realiza generalmente a mano. Los materiales utilizados en piezas de joyería suelen ser oro, plata, etc. La funcionalidad de las piezas realizadas por MICROFUSIÓN es únicamente de ornato, y no¹ deben de tener ningún requerimiento eléctrico.

No existen antecedentes de la utilización de los procesos de MICROFUSIÓN para obtener inductores de calentamiento por inducción, que requieran una funcionalidad eléctrica. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención consiste en la realización de un determinado número de pasos cuyo resultado es la obtención de un determinado inductor para el calentamiento por inducción. El primer paso, elemento 1 de la figura 1, consiste en la generación en uno o varios planos de dos dimensiones, con las características físicas exteriores del inductor de calentamiento. En este paso se tiene en cuenta cual va a ser la parte que va a estar en las proximidades de la pieza a tratar. Este diseño inicial vendrá determinado por, las experiencias previas, por las simulaciones realizadas con herramientas adecuadas para tal fin, etc.

El segundo paso, elemento 2 de la figura 1, consiste en la generación de un plano en tres dimensiones, que cumpla con las características determinadas por los planos iniciales. Este plano en tres dimensiones contiene tanto la cara y exterior del inductor, como el interior del mismo, por donde circulará el agua de refrigeración del inductor. En este plano se dibujarán, tanto las conexiones eléctricas (1) del inductor, como las conexiones para el agua de refrigeración (2) . El plano en tres dimensiones tiene que contener toda la información del modelo del inductor, puesto que sobre este plano se realizarán tanto las mejoras eléctricas o de refrigeración, como las posibles futuras modificaciones que se llevarán a cabo en nuevas versiones del inductor. La generación de este plano tiene que realizarse sobre un soporte de almacenamiento de datos donde se almacena la información del inductor para la realización de réplicas además de disponer de capacidad de comunicación con una impresora de impresión de capas de cera. En este plano en tres dimensiones se tienen que definir tres espacios diferentes, el primer espacio lo determinan las partes interiores (4) del inductor (por donde circula la refrigeración) , el segundo de los espacios lo forma el cuerpo (5) del inductor (las paredes del tubo) , el tercer espacio lo forma la parte exterior al inductor (se corresponde con las zonas donde no hay que realizar ninguna operación) . Para que el primero de los espacios pueda ser sustentado es necesaria la utilización de zonas que lo comuniquen con el tercero de los espacios. Estas zonas de comunicación tienen que encontrarse en lugares por donde no circule alta densidad de corriente, puesto que pueden producir interfases no deseadas . Se necesita diseñar también unos bebederos o mazarotas para que puedan ser utilizados para el relleno de las aleaciones, así como para el revestimiento del primero de los espacios.

El tercer paso, elemento 3 de la figura 1, consiste en la deposición de finas capas de cera que vayan formando una sobre otra el modelo en tres dimensiones que se ha definido en el segundo paso. Para la formación de las capas de cera se utilizan dos ceras de diferente temperatura de fusión. La cera cuya temperatura de fusión es más baja (8) se utiliza para la formación del primero de los espacios definidos en el segundo paso (el hueco interior del inductor por donde circula el agua de refrigeración) . La cera cuya temperatura de fusión es más alta (9) se utiliza para formar el cuerpo del inductor. Este tercer paso tiene que realizarse con máquinas específicas de deposición de capas de cera. Las características mecánicas de la cera tienen que ser tales que permita un modelo en tres dimensiones completamente rígido. Para el caso de inductores de dimensiones pequeñas es necesario definir en el segundo paso partes de unión de las zonas más débiles. Estas zonas de unión se eliminarán en el último proceso del mecanizado del inductor.

El cuarto paso, elemento 4 de la figura 1, tiene por objeto el llenado del cuerpo del inductor de la aleación óptima para ser utilizado en calentamiento por inducción. Este paso se divide en dos partes principales. En la primera parte se somete al modelo obtenido en el tercer paso a una temperatura ligeramente superior a la temperatura de fusión de la cera del primero de los espacios (la cera con la temperatura de fusión más baja) . Una vez esta cera está líquida es evacuada por gravedad, y el espacio que contenía (primer espacio) es rellenado con un revestimiento cerámico de alta fluidez, para que se rellenen todos los huecos de este espacio. La pieza es introducida en un horno a la temperatura y humedad controladas para que se produzca el secado del revestimiento cerámico. La segunda parte de este cuarto paso consiste en introducir el modelo en tres dimensiones del tercer paso en un molde cuyas dimensiones están comprendidas entre 0,1 mm y 500 mm, preferiblemente entre 1 mm y 50 mm y más preferiblemente entre 20 mm y 30 mm mayores que las dimensiones del inductor. Se rellena con revestimiento cerámico el molde que contiene al inductor y que en cuyo interior también hay revestimiento cerámico. Es importante dejar unas conexiones denominadas toberas (3) que permitan que el revestimiento cerámico del molde exterior quede unido al revestimiento cerámico de la parte interior (la primera parte del cuarto paso) . Para que este segundo revestimiento fragüe adecuadamente también es necesario controlar su temperatura y humedad en el horno. Una vez fraguado el revestimiento cerámico se aumenta la temperatura del horno hasta superar la temperatura de fusión de la cera de mayor punto de fusión. La cera que ocupaba el segundo espacio en estado líquido se extrae en un horno de vacío dejando hueco todo el cuerpo del inductor. Este molde final se introduce en un horno de Microfusión con movimiento centrífugo y es rellenado con la aleación adecuada que permita una alta conductividad y evite los poros. La aleación de llenado está formada por cualquier elemento de alta conductividad o combinación de elementos cuyo resultado tenga alta conductividad, preferentemente la combinación de un 75 % de plata y de un 25 % de cobre, con una variación de estas proporciones hasta un máximo del 10% y preferiblemente hasta un máximo del 5%. El quinto paso, elemento 5 de la figura 1 consiste en romper la parte cerámica del molde y extraer el inductor de su interior. Para eliminar el molde del tercer espacio se utilizan métodos mecánicos, rompiendo el revestimiento cerámico. Para eliminar el molde del primer espacio (interior del inductor) se utilizan decapantes químicos que eliminan el revestimiento. Una vez obtenido el inductor se procede a la eliminación de las partes sobrantes del molde que fueron utilizadas para unir los diferentes espacios y taponar los huecos dejados en el molde para el llenado de los diferentes espacios. En este proceso se utilizan máquinas herramientas para un acabado final del inductor (7) .

El método de fabricación de inductores de la presente invención, que comprende los pasos anteriores, permite que se repitan los pasos para obtener copias del mismo inductor, elemento 6 de la figura 1, o introducir mejoras en el inductor, elemento 7 de la figura 1.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1.- Representa el diagrama de los diferentes pasos del método utilizados en la fabricación del inductor de calentamiento con técnicas de MICROFUSION, así como los pasos de optimización, copia o mejora de dichos inductores .

Figura 2. - Representa un ejemplo del plano en dos dimensiones definido en el primer paso de la presente invención. Figura 3. - Representa el plano en tres dimensiones definido en el segundo paso de la presente invención.

Figura 4. - Muestra del inductor realizado por las técnicas de deposición de finas capas de cera, definidas en la presente invención. Figura 5. - Muestra el molde antes ser introducido en el horno centrífugo de MICROFUSIÓN.

Figura 6. - Muestra el inductor de calentamiento por inducción cuando estaba completamente terminado. DESCRIPCIÓN DE UN EJEMPLO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN Seguidamente se realizará la descripción de un ejemplo de la fabricación de un inductor por el método que describe la invención.

Mediante el plano de la figura 2 quedan representadas las características físicas del inductor que se va a fabricar. Estas características físicas son las dimensiones del inductor, las conexiones eléctricas

(1) y las conexiones de refrigeración (2) . En dicho plano están representadas todas las vistas que definen el inductor, de tal forma que queda perfectamente definido el inductor. De esta forma se dispone de todos los datos necesarios para generar la representación en tres dimensiones del inductor, figura 3. En esta representación en tres dimensiones también quedan representadas las conexiones eléctricas (1) , las conexiones de refrigeración (2), las toberas (3), las partes internas (4) , cuerpo (5) y externas (6) del inductor asi como las dimensiones del inductor.

Tras generar el plano en tres dimensiones, la impresora de capas reproduce el modelo en tres dimensiones mediante la deposición de finas capas de cera con al menos dos tipos de ceras con temperaturas de fusión diferentes, figura 4. Estas capas definen el primer, segundo y tercer espacio que se corresponde con los espacios interior (4), cuerpo (5) y exterior (6) del inductor respectivamente.

Para realizar el primer espacio del inductor se utiliza la cera (8) con menor temperatura de fusión mientras que para la realización del segundo espacio del inductor se utiliza la cera (9) con mayor temperatura de fusión.

A continuación se vacia el primer espacio del inductor sometiendo al inductor a una temperatura superior a la temperatura de fusión de la cera con temperatura de fusión más baja (8) e inferior a la temperatura de fusión de la cera con temperatura de fusión más alta (9) , tras lo cual se evacúa la cera de temperatura más baja por gravedad.

Seguidamente se rellena el primer espacio del inductor por un revestimiento cerámico de alta fluidez, en donde el proceso de secado se lleva a cabo mediante la introducción en un horno a temperatura y humedad controladas .

A continuación se introduce el inductor en un molde que se compone de dos partes (11,12), figura 5, para facilitar la introducción del inductor en el molde y de un orificio superior (10) para facilitar la entrada tanto de los revestimientos como de la aleación. Dicho molde tiene dimensiones 25 mm superiores a las dimensiones exteriores del inductor. Se rellena el molde que contiene el inductor con un revestimiento de alta fluidez, tras lo cual se introduce en un horno a temperatura y humedad controladas para el secado del revestimiento cerámico. Se realizan unas uniones entre el revestimiento del primer espacio del inductor y el revestimiento del molde exterior que contiene al inductor, y a continuación se seca el revestimiento.

Se aumenta la temperatura del horno hasta superar el punto de fusión de la cera con más alta (9) temperatura de fusión y que conforma el cuerpo del inductor, y a continuación se extrae la cera en un horno de vacío, de tal forma que se vacía el segundo espacio del inductor. El molde se rellena con una aleación de alta conductividad de plata al 75% y cobre al 25% mediante su introducción en un horno de Microfusión con movimiento centrífugo conformando el cuerpo del inductor. Se deja secar dicha aleación. Por último se desmolda el molde mediante métodos mecánicos y químicos . Comprendiendo dentro de los métodos mecánicos el mecanizado del inductor y dentro de los químicos los decapantes químicos . Tras lo cual se obtiene el inductor final (7), figura 6.

Claims

REIVINDICACIONES

1.- Método de fabricación de inductores de calentamiento por inducción mediante técnicas de MICROFUSIÓN, caracterizado porque comprende los siguientes pasos:

(1) generar al menos un plano en dos dimensiones con las características físicas que conforman el inductor de calentamiento a fabricar,

(2) generar al menos un plano en tres dimensiones con las características físicas del inductor y en el que, además de conexiones eléctricas (1) y de refrigeración (2), se definen tres espacios:

- primer espacio: partes internas (4) del inductor, - segundo espacio: cuerpo (5) del inductor, tercer espacio: partes externas (6) del inductor,

(3) realizar un modelo en tres dimensiones del inductor mediante deposición de sendas finas capas de cera (8,9) que conforman las características físicas del inductor generadas por el plano en tres dimensiones,

(4) vaciar el primer espacio del inductor, después rellenarlo con un determinado revestimiento, y a continuación secar el revestimiento,

(4.1) introducir el modelo en tres dimensiones en un molde de dimensiones superiores a las dimensiones exteriores del inductor y rellenar el molde que contiene el inductor con un determinado revestimiento,

(4.2) realizar unas uniones entre el revestimiento del primer espacio del inductor y el revestimiento del molde exterior que contiene al inductor, y a continuación secar el revestimiento, (4.3) vaciar el segundo espacio del inductor, (4.4) rellenar dicho segundo espacio del inductor con una aleación determinada y secar dicha aleación, y

(5) desmoldar el molde.

2. - Método de fabricación de inductores de calentamiento por inducción mediante técnicas de MICROFUSIÓN, según la reivindicación 1, caracterizado porque para realizar la parte interna del inductor y el cuerpo del inductor, se utilizan al menos dos ceras (8,9) de temperaturas de fusión diferentes.

3. - Método de fabricación de inductores de calentamiento por inducción mediante técnicas de MICROFUSIÓN, según la reivindicación 2, caracterizado porque en la realización del primer espacio del inductor se utiliza la cera (8) con menor temperatura de fusión.

4. - Método de fabricación de inductores de calentamiento por inducción mediante técnicas de MICROFUSIÓN, según la reivindicación 3, caracterizado porque en la realización del segundo espacio del inductor se utiliza la cera (9) con mayor temperatura de fusión.

5. - Método de fabricación de inductores de calentamiento por inducción mediante técnicas de MICROFUSIÓN, según la reivindicación 4, caracterizado porque el vaciado del primer espacio se lleva a cabo sometiendo al inductor a una temperatura superior a la temperatura de fusión de la cera con temperatura de fusión más baja (8) e inferior a la temperatura de fusión de la cera con temperatura de fusión más alta (9) , tras lo cual se evacúa la cera de temperatura más baja por gravedad.

6. - Método de fabricación de inductores de calentamiento por inducción mediante técnicas de MICROFUSIÓN, según la reivindicación 5, caracterizado porque el primer espacio del inductor es rellenado por un revestimiento cerámico de alta fluidez, en donde el proceso de secado se lleva a cabo mediante la introducción en un horno a temperatura y humedad controladas .

7. - Método de fabricación de inductores de calentamiento por inducción mediante técnicas de MICROFÜSIÓN, según la reivindicación 6, caracterizado porque el molde que contiene al inductor es rellenado por un revestimiento cerámico de alta fluidez, y a continuación se introduce en un horno a temperatura y humedad controladas para el secado del revestimiento cerámico.

8. - Método de fabricación de inductores de calentamiento por inducción mediante técnicas de MICROFÜSIÓN, según la reivindicación 7, caracterizado porque se aumenta la temperatura del horno hasta superar el punto de fusión de la cera con más alta (9) temperatura de fusión y que conforma el cuerpo del inductor, y a continuación se extrae la cera en un horno de vacío.

9. - Método de fabricación de inductores de calentamiento por inducción mediante técnicas de

MICROFÜSIÓN, según la reivindicación 8, caracterizado porque el molde es rellenado por una aleación de alta conductividad mediante su introducción en un horno de Microfusión con movimiento centrífugo.

10.- Método de fabricación de inductores de calentamiento por inducción mediante técnicas de MICROFÜSIÓN, según la reivindicación 9, caracterizado porque la aleación de alta conductividad está compuesta preferiblemente por plata al 75% y cobre al 25% con una variación máxima de estas proporciones preferiblemente del 10% y más preferiblemente del 5%.

11.- Método de fabricación de inductores de calentamiento por inducción mediante técnicas de MICROFÜSIÓN, según la reivindicación 10, caracterizado porque para eliminar la parte cerámica del molde y extraer el inductor se utilizan métodos mecánicos y químicos .

12. - Método de fabricación de inductores de calentamiento por inducción mediante 'técnicas de MICROFUSIÓN, según la reivindicación 11, caracterizado porque en los métodos químicos se utilizan decapantes químicos .

13. - Método de fabricación de inductores de calentamiento por inducción mediante técnicas de MICROFUSIÓN, según la reivindicación 1, caracterizado porque la separación entre el inductor y el molde del exterior del inductor está comprendida entre 0,1 mm y 500 mm, preferiblemente entre 1 mm y 50 mm y más preferiblemente entre 20 mm y 30 mm.

14. - Método de fabricación de inductores de calentamiento por inducción mediante técnicas de MICROFUSIÓN, según la reivindicación 12, caracterizado porque se eliminan las partes sobrantes definidas en el molde cerámico mediante un mecanizado final del inductor, sin interferir en las dimensiones diseñadas en el plano en 3 dimensiones.