Guía para diseñadores de productos: Cómo funcionan el magnesio y sus aleaciones

Al ser el metal estructural más ligero, el magnesio tiene atractivas propiedades físicas y mecánicas. Más importante aún es para los diseñadores, cuya principal tarea es crear algo ligero y resistente. Su moldeabilidad, alta resistencia específica y favorables propiedades de blindaje electromagnético hacen que sus aleaciones sean más cruciales. Estas aleaciones se utilizan sobre todo en aplicaciones de automoción, aeroespacial, electrónica y dispositivos médicos.

Además, su disponibilidad natural y su capacidad de reciclaje hacen del magnesio un objetivo sostenible en el diseño de productos. Por tanto, es una opción deseable para los fabricantes preocupados por el medio ambiente. La capacidad de las aleaciones de magnesio para amortiguar las vibraciones y el ruido refuerza aún más los mejores usos de estas aleaciones. Su aplicabilidad y aplicaciones son comunes en carcasas de equipos electrónicos y mecánicos. Este atributo mejora el rendimiento general de los usuarios. También protege los elementos interiores de las vibraciones exteriores.

En particular, el magnesio puede formarse con un menor consumo de energía. Esto puede aumentar la eficacia de la producción y reducir el desgaste de las herramientas en algunas operaciones de mecanizado. Aunque el coste inicial del material de magnesio suele ser más elevado que el del aluminio, factores como la mayor velocidad de mecanizado, la mayor duración de las herramientas en fundición a presión, y el potencial de consolidación de piezas pueden, en aplicaciones específicas de gran volumen, compensar algunos de estos costes, llevando potencialmente a costes de fabricación competitivos o incluso inferiores en determinados escenarios.

Además, la flexibilidad visual y la resistencia del magnesio permiten a los diseñadores alcanzar fronteras hasta ahora desconocidas del diseño ligero. La capacidad de la aleación para revestirse en formas detalladas y su receptividad a diversos acabados superficiales determinan su flexibilidad. Esto le permite reunir propiedades tanto funcionales como decorativas.

A medida que crece la demanda de productos ligeros y eficaces, aumenta la preferencia por nuevos materiales ligeros. Además, el magnesio es un material cada vez más relevante y estratégico para los diseñadores de productos centrados en la ligereza y el rendimiento.

Principales aleaciones de magnesio para diseñadores

La aplicación poco frecuente de magnesio en la industria requiere el desarrollo de aleaciones con fines prácticos. El magnesio se combina con aluminio, zinc, manganeso, silicio y metales de tierras raras. Mejora sus propiedades mecánicas y aumenta su resistencia a la corrosión. Aunque los diseñadores prefieren varias aleaciones, como AZ91D, AM60 y ZK60, las tres tienen ventajas distintas que pueden servir para sus fines.

La AZ91D es una aleación de magnesio impresionante, más adecuada que ninguna otra para la fundición a presión. Contiene aproximadamente 9% de aluminio y 1% de zinc. Sus características son un rendimiento superior frente a la corrosión. Tiene una elevada relación resistencia-peso aplicable habitualmente en piezas de automoción. Otros sectores son la vivienda y los productos de fundición en general. Debido a sus características estables, los diseñadores suelen elegir el AZ91D para aplicaciones estructurales ligeras y fiables.

La AM60 es una aleación de magnesio y aluminio con capacidad de absorción de energía y ductilidad y, por tanto, adecuada para su uso en componentes de choque de automoción, armazones de asientos y volantes. La alta ductilidad en AM60 en comparación con AZ91D indica que hay más deformación que el AM60 puede soportar antes de romperse, proporcionando una mayor seguridad en la situación de impacto.

Los principales elementos de aleación de ZK60 son el zinc y el circonio, que confieren a la aleación una excelente resistencia y resistencia a la fatiga. Esta aleación suele utilizarse en componentes aeroespaciales, deportivos y de automoción de alto rendimiento para ahorrar peso sin perder estructura. En aplicaciones mecánicas exigentes de alto esfuerzo, la aleación ZK60 ofrece una solución estable y eficaz.

Escenarios para el uso de materiales alternativos al magnesio

Aunque el magnesio tiene varias ventajas, puede no funcionar para todos los fabricantes. Los diseñadores también deben evaluar las limitaciones del magnesio.

Coste y disponibilidad

Los materiales a base de magnesio pueden ser mucho más caros que los plásticos o las aleaciones de aluminio estándar en tiradas pequeñas. Las capas protectoras adicionales o las características de protección contra la corrosión pueden aumentar considerablemente los costes generales de producción. Las aplicaciones que deben ahorrar costes pueden preferir utilizar materiales de aluminio o polímeros.

Susceptibilidad a la corrosión

El magnesio es más susceptible a la corrosión galvánica. Es necesario planificarlo cuando entra en contacto con la humedad o la exposición a la sal. Los tratamientos superficiales son esenciales para evitar la degradación incontrolada de los componentes de magnesio. Por lo demás, el acero inoxidable o el aluminio revestido suelen ser materiales más fiables en caso de humedad o condiciones adversas.

Inflamabilidad y complejidad de procesamiento

Las cualidades combustibles del magnesio en su estado particulado y fundido elevan el riesgo de los trabajadores en el mecanizado, la soldadura o la fundición. Este nivel de seguridad exige normas únicas y confina el uso del magnesio a entornos de fabricación controlados. Las empresas suelen elegir materiales más estables, como el aluminio o el titanio, si las fábricas no están preparadas para afrontar los riesgos del procesamiento del magnesio.

Magnesio y procesos de fabricación

Existen numerosos métodos de fabricación de aleaciones de magnesio. La elección de la técnica de fabricación depende de factores como la aleación específica, la complejidad de la pieza, las propiedades mecánicas requeridas, el volumen de producción y consideraciones de coste. Cada técnica tiene distintos niveles para optimizar esas características únicas y el rendimiento. La fundición a presión, la forja (un tipo de trabajo en caliente), la extrusión (otro tipo de trabajo en caliente), el mecanizado y la fabricación aditiva son los principales procesos en la fabricación de aleaciones de magnesio. La fundición a presión es, con diferencia, el método más estándar para fabricar piezas de magnesio. Facilita la producción en serie de este tipo de componentes con especificaciones precisas y una superficie pulcra. Es adecuado para la fabricación de piezas de automoción y electrónica. Estas piezas requieren una precisión y una consistencia muy elevadas. El rendimiento mecánico de las aleaciones de magnesio es eficaz gracias al refinamiento de la estructura del grano. Su eficacia también se debe al aumento de la resistencia a la fatiga por forja.

Las piezas de magnesio forjado son ampliamente aplicables en aplicaciones activas. Incluye áreas como la aeroespacial y los coches de carreras, pero también las bicicletas exclusivas. El forjado es una estrategia eficaz si se quiere que las piezas demuestren ser excepcionalmente fuertes y fiables. Debido a su baja resistencia al corte y a su naturaleza blanda, el magnesio suele ser fácil de mecanizar, lo que permite altas velocidades de corte y un buen acabado superficial. Sin embargo, hay que tener en cuenta que las virutas de magnesio son muy combustibles, por lo que es necesario adoptar estrictas medidas de prevención de incendios. El procesamiento del magnesio requiere controles especiales de ventilación y protección contra incendios en el entorno de fabricación. Utilizando los protocolos de seguridad adecuados, el mecanizado crea la posibilidad de producir componentes de magnesio mecanizados a medida con gran detalle. La fabricación aditiva presenta una solución prometedora para la fabricación de piezas o geometrías complejas. La fabricación aditiva de magnesio está aumentando en la fabricación de piezas aeroespaciales. También, en piezas biomédicas, ayuda a reducir el peso y permite personalizar las formas de los objetos.

Opciones de acabado superficial para el magnesio

El magnesio es muy reactivo y adecuado para acabados superficiales. El objetivo es mejorar sus características de corrosión y aspecto.

Anodizado

El anodizado es un proceso electroquímico que crea una gruesa capa de óxido sobre el magnesio. Mejora significativamente la resistencia del magnesio a la corrosión y la abrasión. Además, el tratamiento proporciona un acabado flexible tanto para fines funcionales como decorativos. Las variaciones en las aleaciones de magnesio suelen causar dificultades en la aplicación de soluciones de anodizado estándar debido a las diversas propiedades superficiales y reactividad de estas aleaciones. Cuando los métodos estándar resultan inadecuados, la oxidación electrolítica por plasma (PEO) o la oxidación por microarco son la clave para obtener un rendimiento protector óptimo y un revestimiento uniforme. 

Revestimientos de conversión

Los procesos de revestimiento por conversión implican un tratamiento químico para crear superficies resistentes a la corrosión sobre piezas de magnesio. Se trata de revestimientos como el cromato y el fosfato. Los revestimientos son una imprimación fiable para la fijación de la superficie en cualquier otra operación de acabado. Su uso es muy apreciado en las industrias militar, aeroespacial y manufacturera. Estas industrias prefieren el rendimiento y la fiabilidad, que son lo más importante.

Recubrimiento en polvo

El recubrimiento en polvo de piezas de magnesio se aplica en seco. El proceso siguiente consiste en calentarlo y desarrollar una superficie resistente y uniforme. Este proceso proporciona a los diseñadores una amplia gama de colores y texturas. También lo hace más duradero frente a desconchones, arañazos y la exposición ambiental. Tiene aplicaciones perceptibles y tocables, como dispositivos electrónicos, bicicletas y muebles de interior. Estas piezas son idóneas para aplicar recubrimientos en polvo por su aspecto fiable y su durabilidad. El recubrimiento en polvo, en el que no intervienen disolventes, llama la atención como estilo de recubrimiento respetuoso con el medio ambiente.

Galvanoplastia

La galvanoplastia del magnesio comienza con la deposición de una capa metálica, como níquel, cromo u oro. La fijación se produce sobre el componente, normalmente después de aplicar el promotor de adherencia. Además de proporcionar una superficie visualmente agradable, este acabado mejora significativamente la durabilidad del producto y su protección contra la corrosión. Se aplica habitualmente tanto en interiores de automóviles como en instrumental médico. También es pertinente cuando el aspecto y la durabilidad son fundamentales. La alta reactividad del magnesio es tal que los pasos de pretratamiento necesarios deben hacerse con cuidado. Tiene que producirse junto con la inclusión de capas intermedias para obtener unos resultados de galvanoplastia eficaces y una vida útil efectiva de los componentes.

Estudio de caso

Carcasas ligeras para electrónica: Las aplicaciones frecuentes de la aleación de magnesio se utilizan para fabricar carcasas ligeras de aparatos electrónicos. También se aplica a dispositivos resistentes como carcasas de portátiles y diseños de cuerpos de cámaras. Los diseñadores eligieron la aleación de magnesio AZ91D por su excelente moldeabilidad y resistencia a la corrosión. El objetivo era convertirlo en un objeto más ligero. Sin embargo, también es sólido y tiene un acabado metálico de excelente calidad. Las instalaciones de fundición a presión producen diseños complejos con paredes frágiles que no necesitan mucho tratamiento posterior. Esto acelera el proceso de fabricación y ahorra costes. Después de tratar las piezas con dos pasos de protección, cada una se sometió a un recubrimiento de conversión. También se sometieron a un recubrimiento de polvo negro para evitar el sudor, los aceites y las abrasiones leves en el magnesio. La estrecha colaboración entre los equipos de diseñadores y fabricantes permitió fabricar las piezas funcionales. El producto cumplió los objetivos funcionales y los requisitos estéticos. También apoyaron los esfuerzos de la marca en términos de sostenibilidad y portabilidad.

Cómo los diseñadores de productos trabajan sin problemas con sus socios fabricantes

El éxito del rendimiento de los materiales en los productos depende en gran medida de los diseñadores y fabricantes de forma sencilla, sobre todo con materiales complicados como las aleaciones de magnesio.

Dibujo técnico y CAD

Los diseñadores deben proporcionar modelos CAD completos con dimensiones clave, requisitos de acabado y niveles de tolerancia, así como la especificación de la aleación de magnesio. Añadir estas anotaciones ayuda a los fabricantes a entender correctamente las representaciones y disminuye las posibilidades de problemas en el moldeado o mecanizado. El magnesio presenta diferencias con el aluminio (y el acero) en cuanto a contracción, ángulos de desmoldeo y grosor de las paredes, lo que resulta esencial.

Especificaciones materiales

Los materiales vienen en forma de especificaciones de materiales, donde se puede comprobar la alineación de las especificaciones de materiales. Deben ajustarse a las normas ASTM B93/B93M o ISO 16220. Los ingenieros siempre pueden ser coherentes y claros durante el proceso de selección de aleaciones de magnesio. La composición química, las propiedades mecánicas y las expectativas del procesado eliminan la incertidumbre de la selección de materiales durante la fabricación. De este modo, los diseñadores permiten a los proveedores y fabricantes cumplir con precisión las especificaciones de los materiales. El cumplimiento de una referencia estándar simplifica la selección de materiales y mejora la colaboración internacional.

Prototipos de bucles de realimentación

El plástico impreso en 3D permite evaluar rápidamente la forma, el ajuste y la función. También puede hacerse mediante un prototipo de muestra de magnesio mecanizado por CNC. Los modelos físicos en esta fase permiten a ambas partes identificar los problemas futuros. De este modo, la producción completa está perfectamente ajustada en cuanto a calidad y eficacia. La implicación de los fabricantes en esta coyuntura garantiza que los aspectos prácticos de la fabricación formen parte de los pasos siguientes a las mejoras del diseño. Así, los desarrolladores pueden evitar los cuantiosos gastos de revisión posteriores.

Debate sobre la tolerancia

Los diseñadores deben tener en cuenta la dilatación térmica y la suavidad a la hora de delinear las especificaciones dimensionales. Imponer tolerancias poco realistas o demasiado estrictas puede provocar distorsiones. Otros factores son el fallo del producto o el aumento de los costes de fabricación. Los diseñadores pueden garantizar que sus exigencias de rendimiento se cumplan durante la producción. Fabricantes y diseñadores pretenden mejorar la eficacia de la fabricación y la fiabilidad del producto.

Integración de procesos

La colaboración con los ingenieros de fabricación en las primeras fases del diseño permite detectar y resolver los problemas que puedan surgir. Los diseñadores pueden sugerir características complejas o combinadas que parecen atractivas pero que pueden resultar difíciles y caras de producir en magnesio. Las sugerencias del equipo de fabricación pueden incluir la segmentación. También pueden rediseñar piezas para facilitar su fundición o mecanizado. La fabricabilidad se mejora sin comprometer el sentido del diseño.

Alineación terminológica

Un glosario o documento de referencia bien definido es útil tanto en el grupo de diseño como en el de fabricación. Garantiza que todos sepan lo que implica "anodizado", "revestimiento de conversión" o "índice de dureza". Pueden surgir problemas con el acabado, el procesamiento o la selección de materiales debido a la confusión con la terminología. Una nomenclatura estándar al principio facilita la comprensión mutua de los requisitos y los pasos. Esta armonización garantiza una mejor comunicación entre los equipos.

Conclusión

Los materiales de magnesio presentan ventajas únicas para los diseñadores de productos. Lo son en términos de peso, resistencia y conformabilidad, y son los mejores en campos que buscan rendimiento y eficacia. La selección de los métodos de aleación y el acabado superficial ayudan a los diseñadores a ofrecer resultados ligeros, resistentes y visualmente atractivos. Sin embargo, los diseñadores deben prestar la debida atención a los puntos débiles del magnesio. Entre estos puntos débiles se encuentran la vulnerabilidad a la corrosión, la combustibilidad y el precio normalmente más elevado de la materia prima en comparación con algunas alternativas. Sin embargo, una estrecha colaboración con los fabricantes puede ayudar a optimizar los diseños y procesos para mitigar estos retos y gestionar eficazmente los costes generales. Un conocimiento profundo del ciclo de vida de los productos de magnesio dota a los diseñadores de los conocimientos necesarios. El conocimiento es clave para la lógica y la creatividad posteriores: las tecnologías avanzadas y el aumento de las preocupaciones por la sostenibilidad posicionan al magnesio para aumentar su presencia en el diseño de productos.

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