Fabricación en metal

Los metales son materiales opacos que pueden ser brillantes cuando se pulen, son buenos conductores del calor y la electricidad y tienen unos puntos de fusión relativamente altos.

Suelen ser maleables, lo que significa que se pueden moldear por presión o golpeteos, sin romperse ni agrietarse.

Son lo suficientemente versátiles para poder fundirlos o mezclarlos y pueden adoptar la forma de bloques rígidos grandes, láminas o cables finos (una propiedad que se denomina ductilidad).

Cerca de 95 de los 118 elementos de la tabla periódica son metales, y 80 de ellos se usan a menudo en la fabricación.

Los metales se encuentran en minerales, generalmente en la roca, en toda la corteza terrestre. Se pueden encontrar en estado puro, como el aluminio, el cobre y el oro, o mezclados con otros elementos que hay que separar. 

El método de extracción y separación dependerá del metal y las impurezas que presente. La mayoría implica una combinación de:

Minería:  cuando el metal o mineral se ha localizado, se extrae de la tierra mediante el uso de explosivos o excavadoras. 

Molienda y trituración:  machacadoras y trituradoras pulverizan la roca hasta convertirla en un polvo fino, para que sea más fácil extraer los metales. 

Extracción: para la separación del metal o el mineral de otros minerales e impurezas se utilizan diversas técnicas. Entre ellas, mezclarlos con agua, disolver el mineral con disolventes y usar imanes.

Refinado:  el resto de las impurezas se separan con métodos más complejos. Entre los ejemplos que se pueden citar están la fundición, que utiliza el calor y un agente químico, y electrólisis, que utiliza ácido y electricidad. El resultado es una forma más pura de metal, pero todavía puede contener impurezas.

Colada: los metales se pueden procesar y/o combinar después con otros elementos, para formar aleaciones. Esto se suele hacer con los elementos en estado líquido. Una vez conseguido el metal definitivo, la mezcla fundida se vierte en moldes o se extrude mecánicamente de diversas formas.

Las más comunes son láminas, palanquillas, varas, tubos, placas, barras y cables. Después, se cortan en distintas formas y tamaños, en función del uso previsto, y se envían a los fabricantes para que las transformen en un número infinito de productos.

• El aluminio es un metal blando, no magnético, dúctil y ligero, con una gran resistencia a la corrosión. Es el segundo metal más fabricado, después del hierro. El aluminio y sus aleaciones son cruciales para la industria aeroespacial, el transporte y la construcción y tiene otros usos, que van desde contenedores de bebidas hasta líneas de transmisión eléctricas.
• El cobalto es un metal rígido, brillante, que se ha usado durante varios siglos en joyería, pinturas y para añadir un toque azul distintivo al vidrio. Actualmente, el cobalto se utiliza sobre todo para crear aleaciones de alto rendimiento, resistentes, magnéticas y duraderas. También se usa en la producción de baterías, catalizadores y pigmentos, y en los radioisótopos.
• El cobre es un metal blando, maleable y dúctil. Su principal uso industrial es como conductor de calor y electricidad. El cobre también se usa en edificios, sobre todo en los tejados, y como compuesto de pigmentos, agentes antibacterianos, fungicidas y conservantes de la madera.
• El oro es un metal precioso denso, maleable y dúctil. Su principal uso industrial es para los contactos y conectores eléctricos. El oro también se usa en las protecciones de luz infrarroja, producción de vidrio de colores, láminas de oro y restauración de dientes y se suele usar en joyería, en aleaciones.
• El hierro es uno de los elementos más comunes que se encuentran en la Tierra, por lo que es el metal más barato. Casi el 90 % de todo el metal que se refina hoy es hierro, sobre todo para fabricar acero aleado y estructuras para obras civiles. El hierro se oxida con facilidad (herrumbre) al entrar en contacto con el oxígeno. Es un mineral esencial para la salud de todos los seres vivos y un cuerpo humano adulto contiene unos 4 gramos de hierros.
• El molibdeno se presenta en varios estados de oxidación en los minerales. Como forma rápidamente carburos en las aleaciones, la mayor parte de la producción de molibdeno se utiliza en aleaciones de acero. Se suele encontrar en acero estructural, acero inoxidable, sustancias químicas, aceros para herramientas y fundición de hierro. En su estado más puro, también se usa como fertilizante, en imágenes médicas y como forma de detectar la contaminación en centrales de energía.
• El níquel es un metal duro, dúctil y principalmente, una aleación metálica. Se utiliza principalmente en aceros niquelados y fundiciones de hierro-níquel, debido a su resistencia a la tracción y dureza. El níquel se usa también en monedas, baterías recargables, para los chapados (cuando se añade una capa de metal en la parte exterior del material), y como un tinte verde para el vidrio.  
• El niobio es un metal suave y dúctil que se usa sobre todo en aleaciones, sobre todo en los aceros especiales empleados en los gaseoductos. También es una superaleación importante para los motores de cohetes y motores a reacción, debido a su estabilidad térmica. Otras aplicaciones son las soldaduras, electrónica, óptica y joyería.
• El platino es un metal precioso denso, maleable y dúctil. Es uno de los metales menos reactivos y presenta una alta resistencia a la corrosión, incluso a altas temperaturas. Los usos van desde los catalizadores, equipo de laboratorio, contactos eléctricos y electrodos, equipo de odontología y joyería.
• La plata es un metal blando precioso que presenta la mayor conductividad eléctrica y térmica entre los metales. Se usa en paneles solares, para la filtración de agua, la fabricación de cubertería, adornos y joyas. Los compuestos de platas se utilizan en fotografía, radiografías, desinfectantes e instrumentos médicos. En un contexto industrial, la plata se usa para producir contactos y conductores eléctricos, revestimientos especializados para espejos y catalizadores para reacciones químicas.
• El tantalio es un metal rígido, raro, inerte altamente resistente a la corrosión. Se utiliza para producir aleaciones para componentes de motores de inyección, equipos de procesos químicos y reactores nucleares. Los condensadores de tantalio se encuentran en equipos electrónicos, como teléfonos móviles, consolas de videojuegos y ordenadores.
• El titanio es uno de los metales más resistentes y caros. Las aleaciones de titanio se utilizan en la industria aeroespacial, de la automoción y naval por sus propiedades de ligereza y alta resistencia. Las industrias química y petroquímica las usan para fabricar el equipo de procesos, debido a su alta resistencia a la corrosión. También se encuentran en artículos deportivos y gafas, y los óxidos de titanio se suelen usar en pigmentos, aditivos y revestimientos. 
• El tungsteno es un metal raro muy estable que se encuentra de forma natural en la Tierra, casi exclusivamente en compuestos químicos y tiene el punto de fusión más alto de todos los elementos. Se utiliza principalmente para fabricar materiales rígidos, en particular carburo de tungsteno, así como en la producción de elementos electrónicos, aleaciones y acero.
• El zinc es un metal rígido, quebradizo, que es un mineral esencial para la salud de todos los seres vivos. Uno de sus usos primarios es el chapado de hierro (galvanización en caliente), por su resistencia a la corrosión. También se usa en las baterías eléctricas y es una aleación habitual del latón.
• El circonio es un metal blando, dúctil y maleable, sólido a temperatura ambiente, aunque es sólido y quebradizo con un grado de pureza menor. Presenta una alta resistencia a la corrosión por alcalinos, ácidos, agua salada y otros agentes. Como metal, el circonio se usa en las industrias nuclear y aeroespacial, y sus isótopos se utilizan en las imágenes médicas. Como compuesto, se utiliza en aplicaciones de altas temperaturas y biomédicas.

Las propiedades de los metales puros pueden mejorar si se mezclan con otros metales o elementos para formar aleaciones.

• El latón es una aleación de cobre y zinc que se suele utilizar en instrumentos musicales, debido a sus propiedades acústicas y ductilidad. También se emplea en una gran variedad de aplicaciones donde se favorece el uso de sustitutos de los metales preciosos más económicos.
• El bronce es una aleación principalmente de cobre con un 12 % de estaño, mezclados con otros metales y no metales. Entre las aplicaciones más comunes están las monedas y medallas, esculturas, instrumentos musicales, rodamientos, conectores eléctricos y muelles.
• La fundición de hierro es un grupo de aleaciones de hierro-carbono con un contenido de carbono superior al 2 %. Aunque las fundiciones de hierro tienden a ser quebradizas, su punto de fusión relativamente bajo, una buena fluidez, maleabilidad y resistencia al desgaste y la deformación hace que se utilice ampliamente en ingeniería. Entre sus aplicaciones, tuberías, estructuras y piezas de maquinaria y automóviles. Asimismo, tiene una alta resistencia a la oxidación.
• El acero colado se obtiene de la fusión del hierro forjado con carbón. Es similar a la fundición de hierro, pero contiene mucho menos carbono, entre un 0,1 % y un 0,5 %. El acero colado es más difícil de verter y encoge más que la fundición de hierro, por lo que se requiere un proceso de inspección más exhaustivo.
• Las aleaciones ferrosas son aleaciones basadas en hierro que se utilizan para la fabricación de aceros, hierro y aleaciones. 
• Las aleaciones de bajo punto de fusión, o aleaciones fusibles, se utilizan como refrigerantes debido a su estabilidad térmica, y también se utilizan en la refrigeración de reactores nucleares y en los rociadores automáticos de incendios.
• Las aleaciones no ferrosas son aleaciones que no presentan un alto contenido en hierro. Aunque son más caras que las aleaciones con base de hierro (ferrosas), pesan menos, no son magnéticas, tienen una mayor conductividad y son resistentes a la corrosión.
• El acero es una aleación de hierro, carbono y otros elementos. Es un componente principal de edificios, infraestructuras, herramientas, barcos, automóviles, máquinas y electrodomésticos, gracias a su alta resistencia a la tracción y bajo coste. Hay distintas categorías de acero, incluyendo los productos largos de acero, acero plano al carbono, acero corten (o Cor-Ten) y acero de bajo fondo.
• El acero inoxidable es una aleación de acero con un contenido en cromo superior al 11 %, lo que evita que el material se oxide y aporta unas propiedades de resistencia térmica. Es altamente resistente a la corrosión y se utiliza ampliamente en la fabricación de maquinaria industrial, cubertería, utensilios de cocina, instrumentación quirúrgica, arquitectura, gran electrodoméstico e impresión 3D.
• El acero para herramientas hace referencia a varios aceros al carbono y aleados que son muy resistentes al desgaste y capaces de mantener una hoja de corte a temperaturas muy elevadas. En consecuencia, se trata de un material ideal para fabricar herramientas de corte, presión, extrusión o estampación de metales u otras sustancias. 

Las técnicas empleadas en la fabricación del metal varían, pero casi todas empiezan con el material en forma de una lámina, palanquilla, vara, tubo, placa, barra o cable.

• Torneado: una pieza cilíndrica de metal se sujeta en un torno y se gira, mientras se apoya contra ella una herramienta de corte, en distintos puntos y profundidades para retirar material con precisión hasta darle la forma deseada. 
• Conformado: unas prensas mecánicas muy potentes utilizan presión y cargas pesadas para doblar, estirar, cortar, enrollar y formar piezas de metal.
• Fresado:  unas cuchillas giratorias situadas sobre o dentro de una máquina van a tallar con eficiencia y precisión el material de una pieza de metal para conseguir la forma deseada. Las fresadoras tradicionales se transformaron en centros de mecanizado en los años 60 gracias a la llegada del control numérico (CNC) y un cambiador automático de herramientas.
• Forjado:  se da forma al metal mediante un martilleo, presión o enrollado. El forjado, que históricamente se hacía a mano, ahora se realiza con prensas y martillos alimentados por aire comprimido, electricidad, sistemas hidráulicos o vapor. El forjado se suele clasificar por la temperatura a la que se realiza el proceso, ya sea en frío, templado o caliente.
• Soldeo:  dos o más piezas de metal se funden y se unen, mediante la aplicación de una presión y calor muy elevados. El soldeo emplea distintas fuentes de calor, como una llama de gas, arco eléctrico, láser, haz de electrones, fricción y ultrasonido.
• Colada:  el metal se calienta hasta dejarlo en estado líquido y después se vierte en un molde. El molde y el metal se dejan enfriar hasta que el metal líquido se solidifica; cuando esté solidificado, se puede extraer del molde. La colada se utiliza principalmente para crear formas complejas, cuya obtención sería cara o dificultosa por otros métodos.
• Extrusión: el metal caliente o frío se hace pasar por un molde de la forma o perfil deseados. El material se puede hacer pasar de forma continua para producir una línea única y larga, o con interrupciones, para crear varias piezas.  Este proceso es útil para crear secciones transversales muy complejas, con la ventaja adicional de crear un acabado superficial de calidad, un objeto final resistente y una gran libertad de diseño en la forma del molde.

• Versatilidad:  hay muchos metales y aleaciones, cada uno con sus propiedades y características.
• Viabilidad de fabricación: el metal es relativamente fácil de trabajar; se puede moldear para crear objetos de todos los tamaños y formas y admite distintos tipos de acabados.
• Bajo coste: Los productos fabricados con metal son fáciles y asequibles de producir en masa con distintos procesos, aunque el material original sea relativamente complicado de extraer y refinar.
• Conductividad: los metales conducen electricidad, lo que hace que sean esenciales para los cables y los componentes electrónicos.
• Resistencia: la mayoría de los metales utilizados en la fabricación son resistentes, duraderos, resistentes a la temperatura, tienen unos puntos de fusión altos y son fáciles de limpiar. Combinan el metal para crear una aleación puede reforzar estas propiedades.
• Reusabilidad: salvo el plomo y el mercurio, casi todos los metales pueden reciclarse, y de hecho se reciclan cada vez más. Casi 700 millones de toneladas de acero y más de 30 millones de toneladas de aluminio se reciclan anualmente en todo el mundo, por ejemplo.

• Minería: los procesos que se usan para extraer metal de la tierra pueden tener un impacto negativo en el medioambiente.
• Recursos finitos: en la corteza de la Tierra hay una cantidad limitada de metal, y una gran cantidad de este metal no es accesible, porque está a mucha profundidad.
• Corrosión: algunos metales se oxidan con el tiempo, lo que los debilita estructuralmente y afecta a su aspecto. 
• Costes elevados: los costes iniciales asociados con fabricar piezas en metal son elevados, en especial cuando se trata de grandes volúmenes, porque requiere una maquinaria cara y herramientas especializadas. Además, algunas de las sustancias químicas que intervienen en varios métodos de conformado y acabado son peligrosas y, en consecuencia, son sustancias controladas que requieren una licencia para usarlas. 
• Mejores alternativas: los metales pueden ser mucho más resistentes que la mayoría de los plásticos, pero los plásticos suelen ser más ligeros, fáciles de mecanizar, no requieren un acabado intensivo en posproducción y resisten mejor a la corrosión. Usar metales en un edificio, por ejemplo, pueden ser considerablemente más caros y requerir más trabajo que utilizar materiales como el hormigón.   

La impresión 3D, en ocasiones llamada «fabricación aditiva», cubre distintos procesos y técnicas. Todos incluyen un material, como plástico o metal, que se deposita en múltiples capas finas para crear una forma.

La impresión 3D del plástico se remonta a los años 80. La impresión 3D en metal llegó en los años 90, tras la invención de las técnicas de fusión con láser y el sinterizado (calentamiento sin fusión).

A medida que la tecnología ha evolucionado, también las opciones de materiales metálicos se ha ampliado:

• Aluminio: granos ultrafinos de polvo de aluminio se sinterizan con láser para producir piezas metálicas para un uso final, que son igual de buenas que sus equivalentes mecanizados. Se suele usar para fabricar piezas funcionales, recambios y joyería. Las dos principales técnicas de impresión 3D para aluminio son el sinterizado directo de metal por láser (DMLS) y la fusión selectiva con láser (SLM).
• Latón: se suele usar para fabricar miniaturas detalladas, esculturas, joyería o pruebas de preimpresión (para adecuar la forma antes de la fabricación en oro o plata).
• Bronce: un material asequible y resistente para imprimir, que se suele usar en las mismas aplicaciones que el latón.  
• Cobre: se usa en la impresión para fabricar maquetas decorativas pequeñas, como monedas, medallas, conectores y estatuas. 
• Oro: se usa principalmente para imprimir hoyas de oro macizo de 14 o 18 quilates, mezclado con una aleación para aportar durabilidad.
• Acero inoxidable para detalles: ofrece unos detalles y una resistencia significativos, haciendo que sea apto para elementos como figuras en miniatura, joyas, llaveros y pernos.
• Plata de ley: las maquetas impresas en 3D en plata están formadas por un 92,5 % de plata pura y un 7,5 % de otro metal, generalmente cobre. El uso más extendido de la impresión 3D es la fabricación de joyería.
• Acero: la forma asequible de impresión 3D en metal; el polvo de acero contiene bronce para formar un material capaz de crear objetos más grandes y resistentes.
• Titanio: los objetos impresos en 3D y hechos en titanio son muy resistentes, precisos y tan buenos como sus equivalentes mecanizados. El material tiene las mismas propiedades y aplicaciones que el aluminio.