Análisis de procesos de joyería: comparativa de fabricación en metal vs. microfusión asistida por impresión 3D

Treball de Fi de Grau Grau en Enginyeria en Tecnologies Industrials (GETI) Análisis de procesos de joyería: comparativa de fabricación en metal vs. microfusión asistida por impresión 3D MEMORIA 20 de enero de 2025 Autora: Sol García Gómez Directores: Irene Buj Corral Enrique Ernesto Zayas Figueras Convocatoria: Q1 Curso 2024-25 Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial de Barcelona Análisis de procesos de joyería pág. 1 Resumen El presente trabajo analiza y compara dos métodos de fabricación aplicados en la industria de la joyería. El objetivo principal del proyecto es diseñar, fabricar y comparar las dimensiones y la rugosidad superficial de una pieza de joyería obtenida mediante los procesos de trabajo del metal y de microfusión asistida por la impresión 3D. Este estudio surge de la necesidad de evaluar la viabilidad técnica y económica de integrar tecnologías de fabricación aditiva (FA) en un sector tradicionalmente dominado por procesos artesanales. El trabajo incluye una revisión teórica de los métodos de fabricación estudiados, el diseño CAD (diseño asistido por ordenador) con el uso del programa SolidWorks de un colgante de estrella de seis puntas y la fabricación de prototipos. La fabricación manual permite realizar ajustes personalizados durante todo el proceso, obteniendo valores dimensionales y geometrías consideradas satisfactorias pero con una notable inversión de tiempo y esfuerzo. Por otro lado, la microfusión asistida por impresión 3D muestra una capacidad superior para reproducir dimensiones concretas y garantizar la repetibilidad en piezas casi idénticas. Sin embargo, en este último proceso se identifican limitaciones importantes en el uso de impresoras FDM (de modelación por deposición fundida), como la necesidad de utilizar soportes adicionales para la impresión del prototipo, que afectan al acabado superficial de las piezas fundidas y que requieren realizar tareas de posprocesado aumentado el tiempo de obtención de dichas piezas. En el análisis de los resultados se destaca que las piezas fabricadas por microfusión asistida por la impresión 3D presentaron una mejor precisión dimensional frente a las obtenidas mediante el trabajo manual, pero una mayor rugosidad superficial en comparación con este último. Asimismo, del análisis económico y ambiental se concluye que la microfusión asistida por la impresión 3D tiene un coste inicial más elevado debido al equipamiento, pero resulta más eficiente en la producción de series largas. El impacto ambiental fue menor en la microfusión, gracias a la posibilidad de reutilizar materiales y reducir residuos. La principal conclusión del proyecto es que la microfusión asistida por impresión 3D se perfila como una herramienta prometedora para la producción en serie y en la experimentación con piezas de joyería de geometrías complejas, mientras que el trabajo manual sigue siendo un proceso ideal para piezas únicas y altamente personalizadas. No obstante, para mejorar la integración de la fabricación aditiva en la joyería, se recomienda explorar otras tecnologías, como la estereolitografía (SLA), que permitan minimizar las limitaciones identificadas en este estudio. Análisis de procesos de joyería pág. 3 Abstract This paper analyzes and compares two manufacturing methods applied in the jewelry industry. The main objective of the project is to design, fabricate, and compare the dimensions and surface roughness of a jewelry piece produced using metalworking techniques and 3D printing-assisted investment casting. This research arises from the need to evaluate the technical and economic feasibility ofintegrating additive manufacturing (AM) technologies into a sector traditionally dominated by artisanal processes. The project includes a theoretical review of the studied manufacturing methods, the CAD (computer-aided design) of an eight-pointed star pendant using SolidWorks, and prototypefabrication.Manualmanufacturingallowsforcustomadjustmentsthroughout the process, achieving satisfactory dimensional values and geometries but requiring a significant investment of time and effort. On the other hand, 3D printing-assisted investing casting demonstrates superior capability in reproducing precise dimensions and ensuring repeatability in nearly identical pieces. However, significant limitations were identified in the latter process when using FDM (Fused Deposition Modeling) printers, such as the need for additional supports during prototype printing, which affected the surface finish of the cast pieces and increased the post-processing time required. The results analysis highlights that the pieces produced by 3D printing-assisted investment casting showed better dimensional accuracy compared to those obtained through manual work but exhibited greater surface roughness in comparison. Furthermore, an economic and environmental analysis concluded that 3D printing-assisted investment casting has a higher initial cost due to the equipment but is more efficient for long-series production. The environmental impact was lower in investment casting, thanks to the possibility of reusing materials and reducing waste. The main conclusion of the project is that 3D printing-assisted investment casting emerges as a promising tool for serial production and experimentation with jewelry pieces of complex geometries, while manual craftsmanship remains an ideal process for unique and highly customized pieces. However, to enhance the integration of additive manufacturing into the jewelry industry, it is recommended to explore other technologies, such as stereolithography (SLA), which can minimize the limitations identified in this study. Análisis de procesos de joyería pág. 5 Resum El present treball analitza i compara dos mètodes de fabricació aplicats a la indústria de la joieria. L’objectiu principal del projecte és dissenyar, fabricar i comparar les dimensions i la rugositat superficial d’una peça de joieria obtinguda mitjançant els processos de treball del metall i de microfussió assistida per la impressió 3D. Aquest estudi sorgeix de la necessitat d’avaluar la viabilitat tècnica i econòmica d’integrar tecnologies de fabricació additiva (FA) en un sector tradicionalment dominat per processos artesanals. El treball inclou una revisió teòrica dels mètodes de fabricació estudiats, el disseny CAD (disseny assistit per ordinador) amb l’ús del programa SolidWorks d’un penjoll d’estrella de vuit puntes i la fabricació de prototips. La fabricació manual permet fer ajustos personalitzats durant tot el procés, obtenint valors dimensionals i geometries considerades satisfactòries però amb una notable inversió de temps i esforç. Per altra banda, la microfussió assistida per impressió 3D mostra una capacitat superior per reproduir dimensions concretes i garantir la repetibilitat en peces gairebé idèntiques. Tanmateix, en aquest últim procés es van identificar limitacions importants en l’ús d’impressoresFDM (modelatgeperdeposiciódematerialfos),comlanecessitat d’utilitzar suports addicionals per a la impressió del prototip, que afecten l’acabat superficial de lespeces fosesirequereixentasquesdepostprocessatqueaugmenten eltempsd’obtenció d’aquestes peces. En l’anàlisi dels resultats es destaca que les peces fabricades per microfussió assistida per la impressió 3D van presentar una millor precisió dimensional en comparació amb les obtingudes mitjançant el treball manual, però una major rugositat superficial respecte d’aquest últim. Així mateix, de l’anàlisi econòmica i ambiental, es conclou que la microfussió assistida per impressió 3D té un cost inicial més elevat a causa de l’equipament, però resulta més eficient en la producció de sèries llargues. L’impacte ambiental va ser menor en la microfussió, gràcies a la possibilitat de reutilitzar materials i reduir residus. La principal conclusió del projecte és que la microfussió assistida per impressió 3D es perfila com una eina prometedora per a la producció en sèrie i l’experimentació amb peces de joieria de geometries complexes, mentre que el treball manual segueix sent un procés ideal per a peces úniques i altament personalitzades. No obstant això, per millorar la integració de la fabricació additiva en la joieria, es recomana explorar altres tecnologies, com la estereolitografia (SLA), que permetin minimitzar les limitacions identificades en aquest estudi. Análisis de procesos de joyería pág. 7 Índice 1. Prefacio 11 1.1. Origen del proyecto ............................... 11 1.2. Motivación personal .............................. 11 2. Introducción 13 2.1. Contexto ..................................... 13 2.2. Objetivos ..................................... 13 3. Parte teórica 15 3.1. Estado de la cuestión .............................. 15 3.1.1. Proceso de fundición .......................... 15 3.1.2. Proceso de microfusión ........................ 16 3.1.3. Fundamentos del trabajo de metal convencional .......... 20 3.1.4. Uso de gemas .............................. 24 3.2. Estado de la ciencia y la tecnología: Microfusión asistida por tecnología de Fabricación Aditiva ............................. 28 4. Metodología 35 4.1. Planificación temporal ............................. 35 4.2. Propuestas de diseño .............................. 37 4.2.1. Especificaciones y requerimientos del diseño ............ 37 4.2.2. Proceso de modelación de sólidos .................. 38 4.3. Proceso de fabricación por trabajo de metal convencional ......... 43 4.3.1. Proceso de fusión del material .................... 43 4.3.2. Procedimiento de conformado del material ............. 46 4.4. Proceso de fabricación mediante Microfusión Asistida ........... 52 4.4.1. Selección de filamentos de cera .................... 52 4.4.2. Procedimiento de impresión y microfusión ............. 52 4.5. Mediciones .................................... 55 4.5.1. Mediciones dimensionales ....................... 56 4.5.2. Rugosidad superficial ......................... 56 5. Resultados 61 5.1. Comparativa de las dimensiones ....................... 61 5.2. Comparativa del acabado superficial ..................... 64 5.3. Comparativa de la complejidad del proceso ................. 67 5.4. Exploración del falso engaste en FA ...................... 71 6. Estudio de Coste, Impacto Ambiental y Equidad de Género 75 6.1. Análisis de coste de los procesos ....................... 75 6.2. Impacto ambiental ............................... 77 6.3. Equidad de género en el proyecto ....................... 79 Conclusiones 81 pág. 8 Memoria Agradecimientos 83 Análisis de procesos de joyería pág. 15 3. Parte teórica 3.1. Estado de la cuestión En este apartado se presenta un estudio detallado sobre los fundamentos teóricos y técnicos relacionados con los procesos de fundición y microfusión, así como los principios básicos del trabajo del metal convencional. Además, se analiza el uso de gemas en aplicaciones tradicionales y modernas, destacando su integración en los procesos de fabricación. 3.1.1. Proceso de fundición Antes de hablar sobre microfusión, se presenta el contexto de la fundición en términos generales y sobre las técnicas específicas más usadas. La fundición es un proceso de manufactura mediante el cual un metal se funde (Figura 1) y se vierte en moldes con la forma del negativo de la pieza [31]. Cuando el metal solidifica, se desprende del molde para dejar la forma metálica. Figura 1: Material fundido siendo vertido. Fuente: [1] La fundición permite fabricar piezas con formas intricadas, paredes delgadas y características huecas, difíciles de lograr con otros métodos. Asimismo, el material sobrante puede reutilizarse mediante nuevas fusiones, lo que la convierte en un proceso sostenible. Sin embargo, presenta limitaciones en términos de características mecánicas, como baja resistencia a flexión y tracción, porosidad interna y precisión dimensional limitada. Además, los tiempos de enfriamiento suelen ser elevados y requieren moldes específicos, lo que puede incrementar los costos iniciales [32]. Los moldes utilizados en fundición pueden clasificarse en dos grandes categorías: los no permanentes (fabricados con materiales como arena, yeso o cerámica, y usados para pág. 16 Memoria series cortas) y los permanentes (construidos con metal y con mayor durabilidad y velocidad de producción). La selección del material para fundir depende del tipo de molde y de las propiedades requeridas en la pieza final. Dentro de los procesos de fundición se distinguen dos modalidades según la forma en que el metal líquido es introducido en el molde: fundición por gravedad y fundición a presión. Ambas técnicas se utilizan dependiendo de las características del producto final y los requerimientos del proceso. En la fundición por gravedad el metal fundido fluye hacia el molde simplemente por efecto de la gravedad, sin necesidad de aplicar presión externa. Es el tipo de fundición más tradicional y sencillo y se utiliza tanto en moldes permanentes como no permanentes. En la industria mecánica se utiliza para fabricar componentes como bloques de motor o piezas estructurales de aleaciones de aluminio y bronce. En cambio, la fundición a presión involucra la inyección de metal fundido al molde mediante presión externa, lo que permite llenar moldes más rápidamente y con mayor precisión. Esto es particularmente útil para piezas con paredes delgadas o con alta necesidad de repetibilidad. En la industria automotriz se utiliza para producir piezas de aluminio y magnesio como carcasas de transmisiones o componentes de motores [33]. Por último, el diseño de piezas de fundición es crucial para garantizar la calidad del producto final. Es fundamental evitar paredes excesivamente gruesas o puntos calientes que puedan causar tensiones internas y deformaciones. Además, el diseño de bebederos, canales de entrada y mazarotas debe realizarse cuidadosamente para evitar defectos. En joyería, este diseño detallado es esencial para minimizar porosidad y garantizar acabados precisos. 3.1.2. Proceso de microfusión La microfusión es un tipo de fundición por gravedad. Concretamente, es el proceso por el que un modelo de material fusible se funde para dar lugar a una pieza de metal. El modelo, habitualmente de cera, se recubre de una masa cerámica con una única apertura y se derrite con calor, dejando el negativo (o cavidad del molde) que se llenará con el metal fundido. Aunque no se sabe con certeza la fecha del descubrimiento de dicha técnica, las primeras piezas encontradas datan de la Edad de Bronce y son originarias del Asia Menor [34]. Vale la pena destacar que se conocen precedentes de origen natural: los fósiles. En especial en materiales calizos, se da un proceso de infiltración y descomposición que provoca la fosilización de animales o plantas [35], tal y como se observa en la Figura 2. Este tipo de fosilización genera el negativo de los organismos, con impresiones exteriores o interiores. Análisis de procesos de joyería pág. 17 Figura 2: Leuciscus oenigensis, fósil por fundición. Fuente: [2] A lo largo de la historia, esta técnica se ha usado para crear recipientes, útiles, adornos o estatuillas y apenas hace unos decenios que se ha empezado a usar para fabricación en serie [34]. Anteriormente, la producción se veía limitada a una unidad o a series muy cortas por la imposibilidad de reproducir el molde. Es por eso que, históricamente, la fundición a la cera perdida se ha asociado a un proceso muy artesanal y de fin artístico. Una de las primeras piezas que dejan constancia de la serialización del proceso es una estatuilla egipcia del siglo VII a.C. (Figura 3), que se fabricaba en dos piezas distintas: la cabeza y el tronco, que se unían para formar el modelo completo [3]. Desde entonces, se ha explorado la creación de modelos de cera a partir de matrices. Al poder fabricar un gran número de piezas manteniendo de manera exacta las dimensiones y forma, se ha hecho realidad la producción a nivel industrial. Figura 3: Estatua egipcia de bronce. Fuente: [3] En la actualidad, la microfusión es un proceso de fabricación ampliamente usado tanto en el sector industrial como en el joyero. A continuación, se describe el proceso de manera detallada [36]. pág. 18 Memoria En primer lugar, se construyen los modelos. En función de su aplicación, los modelos serán únicos o formados a partir de moldes. En el caso de los modelos únicos, se crean de manera completamente artesanal a partir de cera en hilo, bloque o plancha y la calidad del modelo dependerá de las habilidades del joyero. En el caso de los moldes, la cera es inyectada en una matriz y muchas veces es necesaria una sujeción (con mordazas, por ejemplo) para que la cera sea inyectada de manera correcta. Como no es el caso que presenta este trabajo, no se estudiará en profundidad. Una vez se tienen las piezas de cera, se forman los racimos de modelos que constituirán el árbol de fundición (Figura 4), una construcción formada por un tronco de cera grueso con racimos unidos a este como ramas. Figura 4: Formación del árbol de modelos de cera para fundición. Fuente: [4] El árbol se recubre por pulverización o inmersión de un material pulverulento y refractario (como pueden ser la caolinita -Al2Si2O5(OH)4con alúmina -Al2O3o la zirconia -ZrO2) y de un aglomerante (como el sílice coloidal -SiO2). Algunas de las características que debe tener el recubrimiento son: su porosidad, para que el aire contenido en el molde pueda ser evacuado al fluir el metal, y su uniformidad, puesto que de esta depende la integridad del molde. El árbol de modelos de cera recubierto se inserta en una caja de moldeo y esta se llena con yeso (Figura 5). Dicha caja se introduce en un horno para fundir y extraer la cera dejando la cavidad correspondiente en el molde. Figura 5: Llenado y vaciado de la caja de moldeo. Fuente: [4] El proceso de cocción del molde de escayola se da a una temperatura de entre 900 y 1000 ◦Cy, posteriormente, se somete a la colada del metal, ya sea por gravedad o presión. Después del enfriamiento del molde y de la solidificación del metal, se extrae el Análisis de procesos de joyería pág. 19 árbol y se procede al corte y separación de las piezas, que suele ser un proceso manual. Siempre es necesario un posproceso de limpieza, desbarbado y pulido para conseguir el mejor resultado final. En la Figura 6 se muestra el diagrama de flujo de dicho proceso. Figura 6: Diagrama de flujo del proceso de microfusión. Fuente: propia Comparado con otros tipos de fundición por gravedad (molde de arena o en coquilla), la microfusión es mejor en aspectos como la complejidad geométrica, la precisón dimensional o la reproducción de detalles que se puede lograr en las piezas. Al diseñar, hay que tener en cuenta la contracción que sufre el molde, que es entre el 0,5 y el 2,5% de las dimensiones de la pieza [34]. En la Tabla 1 se recogen datos comparativos de las tolerancias en los procesos de microfusión, fundición en molde de arena y metálico (coquilla) [31]. Tabla 1: Comparativa de tolerancias para tres procesos de moldeo. Fuente: [31] Moldeo Moldeo Moldeo Tolerancias en arena en coquilla por microfusión Tolerancia media en% de la cota nominal ±0,6±0,6±0,21 Valor mínimo de la tolerancia [mm] ±0,4±0,2±0,05 A pesar de que el proceso de microfusión tiene excelentes características de precisión dimensional, es un proceso muy complejo, con pocas opciones de automatización y con una velocidad de producción muy lenta. pág. 20 Memoria 3.1.3. Fundamentos del trabajo de metal convencional Otro proceso con mucha historia es el trabajo convencional del metal. Es la técnica con la que habitualmente se asocia la joyería. En ésta se parte del material noble de elección (suele ser plata, oro o bronce) en forma primaria (granalla) y se mecaniza para conseguir las formas que se necesitan. En la actualidad, la mayoría de joyeros aprovechan los avances tecnológicos para ahorrar tiempo de producción, partiendo de metal ya mecanizado, en forma de planchas, hilo o bolas. En la Figura 7 se ven las formas más usadas. Figura 7: De izquierda a derecha: granalla, plancha, hilo plano e hilo de plata. Modificado de: [5], [6], [7]y[8] A continuación se explicarán únicamente los procesos más típicos y aquellos que se usaran posteriormente en el trabajo [37]. Tal y como se ha explicado, teniendo en cuenta que los artesanos parten de piezas ya conformadas y, por lo tanto, en estado duro, es habitual que el primer paso sea el recocido del material para ablandarlo y que se más fácil de manipular. Para hacer un recocido de plata, se usa un soplete o un horno de recocido y se calientan las piezas hasta una temperatura entre 204 y 427 ◦C, puesto que temperaturas superiores causarían pérdida de ductibilidad por culpa del exceso de crecimiento de grano [38]. En la Figura 8 se ve el tamaño de grano para una lámina de plata (Ag) en función de la temperatura de recocido. Análisis de procesos de joyería pág. 21 Figura 8: Tamaño de grano en función de la temperatura de recocido. Fuente: [9] Otro de los procesos más habituales es el serrado. En joyería se usan sierras de arco con marco ajustable y relativamente pequeñas (Figura 9), con una profundidad de aserrado máxima de alrededor de 80 mm. El material de la sierra suele ser acero al carbono de alta dureza que garantiza la durabilidad de la herramienta. El proceso es un tipo de mecanismo de arranque de viruta. En este, las virutas se arrancan al mover la sierra en un único sentido, que se conoce como carrera de ida [37] y debe ser en dirección vertical y sentido hacia abajo. El movimiento que hace de salida la sierra es la carrera de retorno y esta no es activa; hay otras sierras que evitan la carrera inactiva, como son las circulares o de cinta. Figura 9: Sierra de arco. Fuente: [10] El limado es un proceso ampliamente utilizado tanto en el trabajo de metales como en pág. 22 Memoria el diseño de piezas en cera, y constituye una técnica de arranque de viruta. En este proceso, lograr un acabado preciso y limpio requiere una técnica depurada y una práctica prolongada. La herramienta principal, la lima, está compuesta por una hoja y una cabeza con superficie de múltiples dientes finos y afilados, los cuales realizan el proceso de arranque de viruta al entrar en contacto con el material. Durante el proceso, al presionar la lima sobre la superficie de trabajo, los filos de sus dientes levantan pequeñas partículas del material (conocidas como virutas o limaduras), que se acumulan en los espacios entre los dientes. A medida que la lima avanza sobre la superficie las limaduras son arrastradas y finalmente expulsadas por el canto posterior de la pieza trabajada, permitiendo que los dientes mantengan una acción de corte continua. El limado en joyería implica un control adicional sobre la herramienta debido a la precisión requerida por los detalles de las piezas. Se emplean distintos tipos de limas, con variaciones en la forma, grosor y grosor de los dientes, según el material y la precisión deseada [37]. En la Figura 10 se ven ejemplos. Figura 10: Conjunto de limas de uso común en joyería. Fuente: [11] Las chapas o barras pueden ser redondeadas o curvadas mediante el proceso de martilleado, una técnica que permite modificar la forma del material mediante una serie de golpes controlados. Además de la curvatura, operaciones como el arqueado, repujado y el enderezado se llevan a cabo manualmente, logrando la forma deseada mediante el estirado y compresión del material. Estas técnicas se ejecutan con herramientas específicas (Figura 11), como martillos y sufrideras fijas (placas, yunques o el tas), que proporcionan una superficie adecuada para la conformación de las piezas. Durante el martilleado, cada golpe aplicado provoca una compresión localizada de las partículas, alterando la estructura y densidad del material en las zonas impactadas. Esta compresión produce tanto un cambio en la forma como en las propiedades mecánicas de la pieza. Es relevante destacar que los metales tienden a endurecerse progresivamente a medida que se trabajan, un fenómeno conocido como endurecimiento por deformación en frío. Este endurecimiento se produce debido a los cambios estructurales internos, aumentando su resistencia y disminuyendo su ductilidad. Para contrarrestar esta pérdida de ductilidad, es común realizar tratamientos de recocido a intervalos durante el proceso de trabajo. Análisis de procesos de joyería pág. 23 Figura 11: Conjunto de martillos, yunque, tas y elementos auxiliares. Fuente: [12] En joyería, la soldadura en plata se realiza mediante una técnica conocida como falsa soldadura, que consiste en la unión de piezas mediante la interposición de un metal de aporte fundido, sin llegar a la fusión del propio material base. Este proceso permite realizar uniones precisas y firmes sin comprometer la estructura del metal principal [39]. Para soldar, es necesario preparar cuidadosamente las superficies de las piezas en los puntos de unión. Primero, se limpian las zonas de contacto para garantizar la adherencia, eliminando cualquier impureza que pudiera afectar la calidad de la soldadura. Luego, las piezas se posicionan en contacto estrecho y se calientan hasta alcanzar una temperatura adecuada para fundir el metal de aporte. En la Figura 12 se ve el proceso de calentamiento. Este metal de aporte, comúnmente una aleación específica de plata, se vierte en estado fundido en la rendija o intersección entre las piezas. Al enfriarse, el material de aporte se solidifica, creando una unión firme entre las partes. Durante el proceso de calentamiento, es frecuente que las piezas metálicas desarrollen una capa de óxido debido a la interacción con el oxígeno presente en el aire, lo que puede obstaculizar la soldadura al impedir la adhesión del metal de aporte. Para evitar su formación, se emplean productos fundentes (como el bórax),que actúan eliminando o previniendo la oxidación [40]. pág. 24 Memoria Figura 12: Proceso de soldadura. Fuente: [13] El rectificado es un proceso de mecanizado de precisión que utiliza una herramienta abrasiva, conocida como muela, para remover pequeñas cantidades de material de una superficie [31]. La muela está formada por partículas abrasivas que al girar a alta velocidad actúan como múltiples micro-cuchillas, cortando pequeñas virutas del material y generando una superficie extremadamente lisa y con tolerancias de acabado muy precisas. En joyería, el proceso de rectificado se utiliza especialmente en el contexto del pulido y acabado final de superficies. Aunque no se usa con el mismo nivel de abrasividad o en las mismas dimensiones que en la industria, el rectificado en joyería sigue principios similares, empleando herramientas abrasivas para alisar y pulir superficies metálicas tal y como se ve en la Figura 13. Figura 13: Proceso de rectificado/pulido. Fuente: [14] 3.1.4. Uso de gemas La siguiente explicación se limita a proporcionar una visión general de la gemología, sin entrar en el detalle que correspondería a aquellos que han realizado estudios especializados en el campo. No obstante, se ofrece la información necesaria para entender los conceptos básicos que son pertinentes para el desarrollo de la parte práctica de este Análisis de procesos de joyería pág. 31 Figura 19: Pieza producida con polimerización en cuba. Fuente: [19] b) Material jetting (o inyección de material): se deposita un material similar a la cera que se cura de manera instantánea mediante luz UV. En la Figura 20 se ve el proceso de fabricación. Generalmente, esta tecnología es mucho más rápida que la polimerización en cuba. Un tipo de inyección de material es la denominada dropon-demand (DOD). Esta emplea dos cabezales de impresión: uno para depositar el material principal del modelo y otro para un material de soporte soluble, que se disuelve en una solución líquida dejando solo el modelo liso. Este proceso elimina la necesidad de retirar los soportes manualmente, reduciendo el tiempo total. Figura 20: Piezas producidas con material jetting. Fuente: [20] c) FDM (Fused Deposition Modeling): mediante un filamento con propiedades semejantes a la cera, permite generar piezas para fundición o patrones para modelos. Esta opción es la más económica; sin embargo, se requiere posprocesamiento para eliminar las líneas que dejan las capas del filamento. En la Figura 21 se ve el proceso de fabricación. pág. 32 Memoria Figura 21: Pieza producida con impresión FDM. Fuente: [21] En el ámbito de la joyería, la amplia variedad de materiales disponibles para el proceso de FDM ha dirigido los esfuerzos hacia la identificación de aquellos que no presenten problemas como agrietamiento del yeso, combustión incompleta o la generación de cenizas residuales tras la fase de quemado [47]. Lo más habitual es usar filamentos de PLA con algún porcentaje (bajo) de cera. El PLA (ácido poliláctico) es un biopolímero compuesto por unidades derivadas del ácido láctico, cuyas propiedades son comparables a las del tereftalato de polietileno (PET). A diferencia del PET, el PLA es biodegradable bajo condiciones específicas, alcanzando su degradación a temperaturas cercanas a los 60 ◦C. Otra opción es usar PLA sin cera, pero adaptado, para que su proceso de quemado deje residuo mínimo. En la microfusión asistida, en función de la técnica de impresión escogida, el modelo es de un material u otro. A nivel nacional, el tipo de fabricación aditiva para joyería más usado es la polimerización. Aunque se puede usar también el FDM, la tipología más extendida es la primera debido a su excelente acabado superficial [48]. En apartados posteriores se discutirá el método usado en este trabajo. A parte de los avances en la inclusión de la fabricación aditiva en el proceso de modelado de la microfusión, se ha investigado cómo prever cómo se comportará el metal líquido durante el proceso de vertido y enfriamiento [49]. Se ha desarrollado software de simulación del proceso de microfusión, como MAGMASOFT [50] o Inspire Cast [22], que permiten evitar defectos típicos del proceso: los poros, el llenado incompleto o la contracción. También sirven para decidir en qué posición colocar cada pieza dentro del árbol y asegurar que se hace de manera óptima. En la Figura 22 se ve la simulación del enfriamiento de un árbol de fundición usando el software de Insipire Cast. Análisis de procesos de joyería pág. 33 Figura 22: Simulación de un árbol de fundición con el software Inspire Cast. Fuente: [22] Además, se está explorando qué parámetros afectan a la tolerancia del proceso. La temperatura de vertido del metal fundido, el tipo de recubrimiento cerámico y la relación volumen-área contribuyen de manera significativa (68,38%, 6,57 % y 23,12% respectivamente) a la variación de precisión dimensional [51]. Se ha encontrado que el desplazamiento y la contracción de piezas con un diámetro exterior mayor son mayores y que la velocidad de enfriamiento y solidificación es más rápida para espesores de pared más pequeños [52]. Análisis de procesos de joyería pág. 35 4. Metodología 4.1. Planificación temporal Para la planificación temporal del presente trabajo, se ha utilizado la metodología del diagrama de Gantt, una herramienta ampliamente empleada en la gestión de proyectos que permite representar de manera gráfica las tareas planificadas y su cronología de ejecución. Según Muralidharan [53], este método consiste en una representación gráfica que desglosa un proyecto en tareas específicas, organizadas a lo largo de una línea temporal, lo que facilita el seguimiento y el control del progreso. El diagrama desarrollado para este proyecto presenta las tareas relacionadas con el marco teórico en color azul y aquellas correspondientes a la parte práctica en color verde, lo que permite una clara distinción entre ambas áreas de trabajo. Además de las actividades planificadas, en el gráfico se han incluido las fechas reales en las que se completaron las distintas fases del proyecto con el fin de documentar cualquier desviación respecto al plan inicial. En términos generales, la planificación establecida se ha seguido de manera efectiva, aunque se identificaron algunos retrasos puntuales en tareas específicas debido a factores no previstos, como ajustes técnicos en los procesos de fabricación o verificación y revisiones adicionales del marco teórico. Sin embargo, estos problemas no han comprometido los objetivos globales del proyecto, ya que se ha ajustado la planificación para asegurar su compleción. En la Figura 23 se ve el diagrama de Gantt del proyecto completo. pág. 36 Memoria Figura 23: Diagrama de Gantt del proyecto. Fuente: propia Análisis de procesos de joyería pág. 37 4.2. Propuestas de diseño El diseño de la pieza ha estado condicionado por una serie de restricciones técnicas y metodológicas, derivadas tanto de la técnica de fabricación elegida como de las características intrínsecas del sector de la joyería. 4.2.1. Especificaciones y requerimientos del diseño En primer lugar, se ha optado por emplear tecnología de modelado por deposición fundida (FDM) para la fabricación aditiva, en lugar de la estereolitografía (SLA), que es la técnica más utilizada en el sector. Con esto se pretende explorar la viabilidad de producir modelos para microfusión mediante FDM, con el objetivo de comprobar si un usuario que disponga solo de una impresora de este tipo puede obtener buenos resultados. Sin embargo, esta elección introduce restricciones específicas, como la necesidad de imprimir sobre una superficie plana y las limitaciones en la resolución y precisión del extrusor. Otra restricción significativa es la necesidad de que el diseño sea viable tanto para la fabricación mediante microfusión asistida por impresión 3D como para el trabajo manual. Como el objetivo es comparar los dos procesos, la mejor manera es hacer el mismo diseño para ambos. Esto implica que las formas muy complejas, como las que presentan relieves o formas intrincadas (Figura 24 c) y d)), son poco adecuadas para su fabricación manual, mientras que las geometrías más simples, como anillos elaborados a partir de hilos metálicos (Figura 24 a) y b)), resultan difíciles de imprimir en 3D al no haber una base plana sobre la que construir. El uso de soportes incrementa el trabajo posterior de pulido puesto que obliga a eliminar las marcas generadas por estos, lo que también constituye una limitación importante en términos de acabado superficial. Figura 24: De izquierda a derecha: a) Anillo de hilo con nudo [23], b) Anillo de hilo con unión [24], c) Anillo en forma de orquídea [25] y d) Colección de colgantes con relieve [26] La inclusión de gemas en el diseño añade una capa adicional de complejidad. Las gemas que requieren engaste mediante grapas (Figura 25) presentan desafíos importantes en eldiseño digital, ya que las impresorasFDMconvencionales no suelentener un extrusor con la precisión necesaria para crear grapas delgadas (de aproximadamente 1 mm de grosor. pág. 38 Memoria Figura 25: Anillo con engaste en grapa [27] Además, la variabilidad natural en el tamaño de las gemas, incluso cuando teóricamente son iguales, complica el diseño digital. Mientras que el trabajo manual permite ajustar cada gema individualmente durante el proceso de fabricación, el diseño 3D exige imprimir múltiples prototipos y realizar ajustes iterativos hasta que las dimensiones sean adecuadas para cada piedra en particular. Este proceso debe repetirse para cada pieza y piedra única (si se hacen npiezas de mpiedras, el proceso de diseño se deberá hacer n·mveces), lo que supone una inversión significativa de tiempo y recursos. Finalmente, cabe destacar que muchos de estos aspectos se han descubierto y documentado durante el desarrollo del proyecto, dada la escasez de bibliografía específica sobre el uso de FDM en el ámbito de la joyería. Este vacío ha exigido una aproximación exploratoria, combinando conocimientos prácticos y teóricos para identificar y superar las limitaciones de esta metodología. 4.2.2. Proceso de modelación de sólidos En el proyecto se proponen 3 piezas: dos anillos y un colgante. En la Figura 26 se ve una imagen de cada una. Figura 26: Propuestas de diseño, de izquierda a derecha: a) Anillo 1 [28], b) Anillo 2 [24] y c) Colgante [29] Análisis de procesos de joyería pág. 39 Para el diseño por ordenador se ha empleado el software SolidWorks, una herramienta ampliamente utilizada en el ámbito de la ingeniería y el diseño industrial debido a su capacidad para modelar piezas con alta precisión y facilidad. El programa permite crear modelos tridimensionales detallados, lo que resulta esencial para visualizar y construir piezas con geometrías complejas y características específicas. Durante el proceso se ha usado la funcionalidad de SolidWorks para trabajar con superficies y sólidos, permitiendo ajustar las formas y las proporciones de manera repetitiva hasta alcanzar un diseño óptimo. Además, el programa permite la exportación del diseño en formatos compatibles con el software de impresión 3D, como STL. Anillo 1 Esta pieza (Figura 26, a)) representa la primera propuesta planteada. La idea inicial consistía en personalizar el modelo para que incluyera piedras únicamente en la parte delantera(adiferenciadelejemplomostradoenla Figura26 a)),dejandola parte trasera exclusivamente en metal. En la Figura 27 se presenta el prototipo generado. Figura 27: Vista isométrica del Anillo 1. Fuente: propia Como puede observarse, el anillo no presenta ninguna cara completamente plana, lo que generó diversos problemas durante el proceso de impresión. En la Figura 28 se muestran los resultados obtenidos al imprimir la pieza en diferentes orientaciones. Figura 28: Prototipos iniciales para el Anillo 1. Fuente: propia A pesar de lograr la impresión de las grapas, la cantidad de soportes necesarios para generar dicha geometría seguía siendo elevada. Esto no solo incrementó el tiempo de impresión, sino que también resultó en un acabado superficial deficiente de las grapas, pág. 40 Memoria lo cual requeriría un esfuerzo significativo para su posterior limpieza. Además, el material utilizado para la impresión era muy frágil, lo que podía provocar la rotura de las grapas durante su manipulación y limpieza. Se realizó una nueva impresión utilizando la orientación horizontal que presentó mejores resultados, con el objetivo de reducir la cantidad de soportes requeridos. Aunque esto permitió obtener una mejora en el prototipo, persistieron complicaciones técnicas, como se muestra en la Figura 29. Figura 29: Quinto prototipo para el Anillo 1. Fuente: propia Finalmente, considerando las limitaciones identificadas en el acabado superficial derivadas de la impresión 3D, la elevada complejidad del proceso de engaste de piedras posterior a la fundición, y las restricciones temporales del proyecto, se decidió descartar la primera propuesta. Anillo 2 Para el segundo anillo (Figura 26 b)) se propune un diseño que, si bien resulta relativamente sencillo de fabricar con trabajo manual, presenta una mayor complejidad en el diseño digital. Una de las principales dificultades fue la definición de la unión debido a la geometría curva de la superficie. Finalmente, la pieza quedó definida como se muestra en la Figura 30 yFigura 31. Análisis de procesos de joyería pág. 47 Figura 40: Lingote con bórax (color ámbar). Fuente: propia Figura 41: Lingote sin el bórax. Fuente: propia Este proceso inicial, sin embargo, somete al lingote a trabajo en frío, lo que provoca el endurecimiento del material debido a la acumulación de defectos en su estructura cristalina [54]. Para restaurar la ductilidad y facilitar el laminado, es necesario recocer el metal. El recocido se lleva a cabo utilizando un soplete de mano, asegurando un calentamiento uniforme que permita la reorganización de la estructura cristalina del material. Una vez recocido, el lingote se somete al proceso de laminado, el cual se realiza utilizando una laminadora como la mostrada en la Figura 42. Este equipo consta de dos rodillos paralelos que comprimen progresivamente el material, reduciendo su espesor y alargando su longitud. Durante el laminado, es crucial ajustar gradualmente la distancia entre los rodillos para evitar deformaciones excesivas en el metal. Figura 42: Laminadora trabajando un lingote de plata. Fuente: propia pág. 48 Memoria El proceso de laminado implica trabajo en frío, lo que endurece el material con cada pasada. Por esta razón es necesario realizar recocidos periódicos (Figura 43) para prevenir la formación de grietas o fracturas debido al endurecimiento excesivo. Figura 43: Lingote ya laminado siendo recocido con un soplete. Fuente: propia Además, es importante alternar la orientación del lingote durante el laminado, girándolo entre pasadas para asegurar una reducción uniforme del espesor y evitar una lámina excesivamente alargada. Durante el proceso de laminado, uno de los defectos más comunes son las arrugas que aparecen en la superficie del metal (Figura 44). Estas se forman debido a una compresión desigual durante el paso por los rodillos, lo cual puede ser causado por un ajuste incorrecto de la laminadora o por una falta de homogeneidad en el material. Figura 44: Ejemplo de un defecto en el laminado. Fuente: propia Cuando estas aparecen, es fundamental eliminarlas antes de continuar con el proceso. Se debe limar la superficie hasta que las arrugas desaparezcan por completo. Si no se eliminan, estas imperfecciones pueden cerrarse superficialmente, encapsulando defectos internos. Este fenómeno puede provocar la formación de cavidades o agujeros dentro de la pieza, debilitando su estructura y comprometiendo tanto su resistencia como su durabilidad. Análisis de procesos de joyería pág. 49 Durante el proceso se emplea un pie de rey para medir con precisión el espesor de la lámina en cada etapa, permitiendo detener el laminado al alcanzar las dimensiones requeridas para el diseño. En la Figura 45 se puede ver la lámina siendo medida y marcando un espesor de 15 mm. Este control es esencial para garantizar que la pieza cumpla con las dimensiones especificadas. Figura 45: Lámina medida por el pie de rey. Fuente: propia Con la lámina de metal ajustada a las dimensiones requeridas, se procede a definir la forma de la pieza. Este proceso varía en función del diseño específico; cada forma necesita un enfoque distinto en su elaboración. Inicialmente, se dibuja el contorno exterior de la estrella sobre una cinta de pintor, utilizando un compás para garantizar que el diámetro exterior sea exacto. El diámetro interior de la estrella, al ser más pequeño, se completa a mano alzada. La plantilla de cinta se recorta con precisión y se adhiere a la lámina de metal para marcar el diseño sobre la superficie. Con el fin de maximizar el aprovechamiento del material, se colocan cuatro estrellas en la disposición más eficiente posible. El contorno de las formas se transfiere al metal utilizando un punzón, que graba líneas finas sobre la plata tal y como se ve en la Figura 46. Este grabado es lo suficientemente superficial para ser eliminado durante el proceso de pulido final, asegurando que no afecte al acabado estético. Figura 46: Formas marcadas con punzón de manera óptima en la plancha. Fuente: propia pág. 50 Memoria A continuación, se lleva a cabo el proceso de serrado utilizando una sierra de joyería (Figura 47). Es fundamental planificar cuidadosamente la trayectoria de corte, ya que las hojas de la sierra no permiten giros bruscos, y se podría ocasionar una rotura. Figura 47: Serrado de las estrellas sobre la plancha. Fuente: propia Una vez que las cuatro piezas han sido recortadas, se procede a limarlas para perfeccionar sus contornos y asegurar que coincidan con el patrón inicial. Este proceso comienza con limas de mayor grosor, destinadas a eliminar irregularidades y exceso de material, y se continúa con limas más finas para obtener la geometría precisa del diseño. Los modelos antes y después de limador son los de las Figura 48 yFigura 49. Figura 48: Estrella antes de limar. Fuente: propia Figura 49: Estrella ya limada. Fuente: propia Análisis de procesos de joyería pág. 51 Antes de realizar el pulido final, es necesario soldar las anillas que permitirán colgar las estrellas. Normalmente, el proceso de soldadura se realiza antes del pulido, ya que genera impurezas superficiales que deben ser eliminadas posteriormente. Sin embargo, debido a restricciones en los horarios del laboratorio de Sistemas de Fabricación, se optó por realizar el pulido antes de la soldadura, con el fin de medir el acabado superficial en etapas previas. Tras la soldadura, se llevó a cabo un nuevo pulido para corregir las marcas residuales. El proceso de pulido se realiza utilizando una herramienta rotativa con esmeriles de diferentes granos. Los esmeriles son herramientas abrasivas compuestas generalmente de óxido de aluminio o carburo de silicio [56], con una numeración que indica el tamaño de las partículas abrasivas: números más bajos corresponden a partículas más grandes y abrasivas, mientras que números altos representan un acabado más fino [57]. El pulido comienza con esmeriles de grano 600, seguido por 800, 1000 y finalmente 1200, asegurando una progresión gradual para conseguir una superficie brillante. Después de los esmeriles, se aplican pastas de pulido, que contienen compuestos abrasivos más finos diseñados para eliminar microimperfecciones y conseguir un acabado espejo. El proceso que se ha seguido ha consistido en una pasta de color marrón con un cepillo de cerdas duras, seguido por la misma pasta con un cepillo de cabezal de algodón. El proceso se ha repetido con una pasta blanca de abrasivos aún más finos. Finalmente, las piezas se someten a limpieza en una máquina de ultrasonidos que utiliza ondas sonoras de alta frecuencia para eliminar cualquier residuo o suciedad, dejando la superficie limpia. El producto final se ve en la Figura 50. Figura 50: Piezas finales con trabajo manual. Fuente: propia pág. 52 Memoria 4.4. Proceso de fabricación mediante Microfusión Asistida La elección de realizar el modelo para microfusión utilizando una impresora FDM responde a la intención de evaluar si este método es viable para su aplicación en la joyería cotidiana. En la actualidad, la tecnología más comúnmente utilizada en este sector es la impresión por fotopolimerización en cuba mediante resina, ya que este método proporcionaacabados superficiales significativamentesuperiores [58]. Sin embargo, el empleo de impresoras FDM tiene la ventaja de que muchos usuarios ya disponen de este tipo de equipos en sus hogares, lo que evitaría la necesidad de adquirir una impresora específica para resina. 4.4.1. Selección de filamentos de cera Para realizar la microfusión asistida, es fundamental utilizar un material de impresión adecuado que soporte las condiciones del proceso. El PLA, el filamento más comúnmente utilizado en impresoras FDM, no es viable para este propósito, ya que no presenta propiedades de combustión limpia durante el quemado del modelo, lo que deja residuos y compromete la calidad de la microfusión. Por esta razón se empleó el filamento Moldlay, diseñado específicamente para procesos de microfusión, que contiene una proporción de cera que facilita su combustión limpia y deja un molde sin residuos. Este filamento cumple con los requerimientos del proceso y ha sido reconocido como una alternativa práctica en aplicaciones donde no se dispone de una impresora especializada [59]. 4.4.2. Procedimiento de impresión y microfusión En la Figura 51 se representa el diagrama de flujo del proceso, así como los materiales y herramientas empleados. Cabe destacar, que no se aparecen en la lista los materiales empleados para llevar a cabo la microfusión, ya que este proceso se ha externalizado. Análisis de procesos de joyería pág. 53 Figura 51: Diagrama de flujo, herramientas y materiales del proceso de microfusión asistida. Fuente: propia El diseño del colgante de 8 puntas se realizó en SolidWorks, exportando el modelo a formato .STL, y las condiciones de impresión se configuraron según las especificaciones del material y la impresora utilizada. Para llevar a cabo la impresión, se utilizó una impresora SW-X4 Pro, con un volumen máximo de impresión de 240x240 mm. Las condiciones de impresión configuradas para el filamento Moldlay se ajustaron con los parámetros de la Tabla 3. Tabla 3: Parámetros de impresión para la SW-X4 Pro. Fuente: propia Parámetro Unidades Valor Temperatura del extrusor [oC] 180 Temperatura en la cama caliente [oC] 25 Altura de la capa [mm] 0,1 Velocidad de impresión [mm/s] 10 Densidad de relleno [%] 20 Además, se ha impreso usando refrigeración de impresión, con una velocidad de ventilador del 50% y un patrón de relleno en forma de rejilla. Debido a las limitaciones inherentes a la impresión FDM, los modelos presentan una textura notablemente rugosa (Figura 52), característica del proceso de deposición en capas. El punto más conflictivo ha sido la arandela, donde el agujero presenta un leve exceso de material (tal y como se ve en la Figura 53) que requiere limpieza manual posterior. pág. 54 Memoria Figura 52: Vista superior del modelo final mediante impresión FDM. Fuente: propia Figura 53: Vista de detalle de la anilla del modelo final. Fuente: propia Una vez impresos los cuatro modelos, se procedió a realizar un pulido preliminar utilizando una herramienta rotativa con una broca cónica de punta fina para limpiar los agujeros de las arandelas y suavizar los bordes de las estrellas. No se eliminaron las rugosidades de la parte plana del modelo, puesto que se decidió conservarlas para evaluar hasta qué punto la microfusión es capaz de replicar los detalles originales. Las piezas se llevaron a fundir a la empresa Microfusió Solà, que está habituada a trabajar con piezas hechas con FA. Figura 54: Pieza realizada por microfusión antes de pulir. Fuente: propia Tras la microfusión, las estrellas se sometieron a un pulido similar al del apartado 4.3.2, pero con una etapa adicional: la eliminación del sistema de alimentación residual del proceso de colado. En la Figura 54 se puede ver la alimentación, que es el exceso de material empleado para unir la pieza al árbol de fundición. En la Figura 55 se ven las piezas una vez pulidas. Análisis de procesos de joyería pág. 55 Figura 55: Piezas finales realizadas por microfusión asistida por impresión 3D. Fuente: propia Es importante destacar que, en este caso, el pulido sólo se ha hecho por la cara exterior. La cara interior sigue mostrando la rugosidad típica de la impresión 3D (tal y como se ve en la Figura 56), y no se ha eliminado para evitar un grosor demasiado pequeño. Figura 56: Cara reversa de las piezas finales realizadas por microfusión asistida por impresión 3D. Fuente: propia 4.5. Mediciones El objetivo de este apartado es verificar la precisión dimensional y la rugosidad superficial de las piezas fabricadas mediante las dos técnicas. Para ello, se han realizado mediciones sobre un total de 4 piezas hechas mediante trabajo manual, y otras 4 fabricadas por microfusión asistida. Además, se ha medido una pieza impresa en 3D antes de ser sometida al proceso de microfusión con el fin de comparar los valores obtenidos antes y después de la fundición, y evaluar así la fidelidad del proceso de microfusión. A continuación se ve la medida para una de las estrellas hechas con trabajo manual (Figura 57). El resto de las mediciones se encuentran en el Anexo. pág. 56 Memoria Figura 57: Medidas dimensionales para la Pieza 1 de trabajo manual. Fuente: propia 4.5.1. Mediciones dimensionales La medición de las dimensiones se ha realizado utilizando una lupa de alta precisión de la marca Leica, acoplada a una cámara Kernodc 852-HDMI+WLAN, que ha sido controlada mediante el programa MicroscopeVIS2.0Pro. Este software permite realizar mediciones con una tolerancia de centésimas de milímetro. Enelcaso de las estrellas,se han seleccionado 3 pares de puntas, medidasdeladoalado, lo que permite obtener tanto el diámetro exterior de la estrella como la diferencia entre las puntas. El programa tiene una interfaz intuitiva que facilita el proceso de medición. Para medir, únicamxente es necesario seleccionar los dos puntos que forman la línea que se quiere medir. El programa marca sobre la imagen de la pieza la línea medida y muestra el valor correspondiente. 4.5.2. Rugosidad superficial Para la medición de la rugosidad superficial se ha utilizado una cámara de visión Zeiss Smartproof 5 con tecnología confocal y el programa nativo para Zeiss ZEISS Confomap. El proceso de medición de la rugosidad es más laborioso que el de las dimensiones, dado que se debe cambiar de lentes y configurar varias variables antes de realizar la medición. El primer paso es definir el aumento necesario, comenzando con un aumento de 2,5x y luego incrementando a 20x, lo cual corresponde a un área de medición de 0,5 mm x 0,5 mm. Además, se debe definir un rango en el eje Z para medir y la iluminación. La máquina mide un punto cada media micra, y lo hace a diferentes alturas (500 puntos por cada imagen). Una vez realizadas las mediciones, el software genera una serie de imágenes que deben ser procesadas para obtener la información de la rugosidad. El primer paso del Análisis de procesos de joyería pág. 63 de la norma ISO [31]. El grupo dimensional es el mismo para ambos procesos: intervalo de 10 a 18 mm (puesto que el diámetro externo de la estrella es 14 mm). La tolerancia es IT15 para ambos procesos. Es interesante destacar que para la microfusión, el valor experimental es, de media, 0.34mm superior al teórico, mientras que para la microfusión es 0.65mm inferior. La primera diferencia se justifica por el proceso de serrado y limado: es posible que, en un intento por asegurar que el valor no fuera inferior al teórico, se serrara (o limara) de menos. En el caso de la microfusión, la diferencia radica en la contracción típica de este proceso (mencionada en el apartado 3.1.2). En este caso, la pieza es un 4,64% menor a la dimensión orginal. Esto se debe a la contracción que sufre el molde, que suele ser de entre el 0,5 y el 2,5% [34], y también al proceso de pulido final, en el que se han limado las puntas de las estrellas reduciendo sus dimensiones ligeramente. Pese a que es un valor muy elevado, es aceptable dado que la pieza es un colgante y no requiere tolerancias estrictas para su funcionalidad o estética. Además, considerando que el proceso de fabricación es manual, la variabilidad es esperada y el resultado puede considerarse razonable dentro de este contexto. El proceso de microfusión asistida muestra una menor variabilidad en comparación con el trabajo manual, como se refleja en el menor rango promedio (0.495 vs. 0.765). Aunque el índice de tolerancia sigue siendo IT15, el resultado está muy cerca de una IT14, lo que sugiere que con ajustes en los parámetros de impresión o microfusión, se podría obtener un mejor control dimensional. Esto resalta la ventaja del proceso asistido en términos de repetibilidad y precisión. Comprobación de la precisión del proceso de microfusión: Además de medir la tolerancia dimensional de las piezas finales, se ha aprovechado la oportunidad para verificar la precisión teórica del proceso de microfusión de la Tabla 1. La tolerancia teórica mínima para este proceso es de ±0,05 mm, lo que establece un valor de referencia para evaluar la precisión del proceso de microfusión asistida. Por problemas de disponibilidad de acceso al laboratorio de Sistemas de Fabricación, no se han podido medir todos los modelos obtenidos después de la microfusión, pero sí que se ha podido hacer con uno. Al comparar las dimensiones de la pieza impresa en 3D con las dimensiones obtenidas después de la microfusión, se ha observado que la diferencia en las medidas para las cuatro piezas analizadas varía en los siguientes valores: – Para la pieza 1: 0.07 mm – Para la pieza 2: 0.06 mm – Para la pieza 3: 0.31 mm – Para la pieza 4: 0.35 mm pág. 64 Memoria Estos resultados indican que no todas las diferencias se encuentran por debajo del intervalo mínimo de 0.1 mm, lo que sugiere que el proceso de microfusión no ha logrado la precisión esperada. Las diferencias observadas, que varían entre 0.06 mm y 0.35 mm, muestran un alto nivel de fidelidad en la reproducción de las dimensiones originales del modelo impreso, pero no tan alto como el teórico. Se cree que esta diferencia puede ser debida al material usado. Como no se ha realizado el proceso con cera (como es habitual), es posible que el proceso de quemado haya dejado restos de material en el molde de yeso, afectando a las piezas en metal. 5.2. Comparativa del acabado superficial La Tabla 6 presenta los valores de rugosidad para los tres procesos de fabricación: modelo 3D, fabricación manual y microfusión asistida, a través de los parámetros Ra,Sa, RzySz. A continuación, se analizan los resultados obtenidos: Tabla 6: Valores de rugosidad para los modelos 3D, los de fabricación manual y por microfusión asistida. Fuente: propia Parámetro Modelo 3D Fabricación manual Microfusión asistida Ra[µm]3.158 0.221 0.313 Sa[µm]6.373 0.221 0.361 Rz[µm]18.510 2.399 3.238 Sz[µm]56.295 2.414 3.279 Los valores de RaySapara los modelos impresos en 3D son significativamente más altos que los de las piezas hechas manualmente o por microfusión asistida. Esto se debe a que la impresión 3D generalmente deja marcas visibles de las capas del material utilizado, lo que aumenta la rugosidad superficial. En particular, Ra= 3,158 µm ySa = 6,373 µm son altos, lo que refleja la textura provocada por la impresión con hilo. A continuación se muestran los mapas topográficos del modelo 3D (Figura 60), de la pieza en metal antes de ser pulida (Figura 61) y de la pieza final (Figura 62). Es importante comparar las escalas de color. Como se ve, los valores máximos van disminuyendo desde 70 µm hasta 2 µm. Para los dos primeros, se siguen viendo las marcas del hilo de la impresión, pero para la última, estas han sido completamente eliminadas. Análisis de procesos de joyería pág. 65 Figura 60: Mapa topográfico del modelo 3D de la Pieza 1. Fuente: propia Figura 61: Mapa topográfico de la superficie sin pulir de la Pieza 1. Fuente: propia pág. 66 Memoria Figura 62: Mapa topográfico de la superficie pulida de la Pieza 1. Fuente: propia Lafabricaciónmanual muestravaloresmucho másbajos.Ra= 0,221 µm ySa= 0,221 µm reflejan una superficie significativamente más lisa en comparación con los modelos 3D. Esto puede ser el resultado de un trabajo de acabado manual más controlado y preciso, aunque sigue existiendo (poca) cierta rugosidad residual. Los valores de RzySz también son más bajos (2,399 µm y2,414 µm), lo que indica que las irregularidades de la superficie son menores en comparación con los modelos 3D, y que los acabados manuales tienen menos picos y valles pronunciados. Se ha analizado la rugosidad de la lámina de metal antes de hacer el proceso de pulido, para medir en qué porcentaje se reduce la rugosidad. En la Figura 63 yFigura 64 se ven los mapas topográficos de cada una. Figura 63: Mapa topográfico de la lámina sin pulir. Fuente: propia Análisis de procesos de joyería pág. 67 Figura 64: Mapa topográfico de la superficie pulida manual de la Pieza 1. Fuente: propia El cambio en la rugosidad es de un 56.62%. Aunque es una disminución considerable, ya se partía de una rugosidad muy baja. En el caso de las fabricadas por microfusión, el pulido ha tenido que ser más profundo, puesto que la rugosidad inicial era mucho más alta. En ese caso, la reducción ha sido del 96.60%. Las piezas fabricadas con microfusión asistida tienen valores de rugosidad mayores que las piezas hechas manualmente, pero inferiores a los modelos impresos en 3D. Ra= 0,313 µm ySa = 0,361 µm son significativamente más bajos que los de los modelos 3D, pero siguen siendo más altos que los de fabricación manual. Estos valores podrían ser corregidos de cara a una nueva producción. Como las rugosidades originales producidas por la impresión 3D son profundas, el proceso de pulido no se ha podido hacer de manera idéntica al de fabricación manual, porque hubiera sido necesario retirar demasiado material, y el grosor del colgante se hubiera visto reducido de manera considerable. Para un futuro, se puede tener en cuenta para diseñar un modelo ligeramente más grueso. 5.3. Comparativa de la complejidad del proceso En este apartado se usaran diversos valores para comparar los dos procesos de manera cuantitativa. Cálculo del tiempo total: El primer parámetro que se usará para comparar los dos procesos es el tiempo total. Para ello, se emplea la fórmula siguiente: ttotal =tpreparación +tformado +tacabado (5) Cabe destacar que cada uno de los procesos tiene pasos distintos, por lo tanto, los tiem- pág. 68 Memoria pos de cada etapa varían. En la Tabla 7 se ven desglosados los pasos de cada etapa por cada proceso y se especifica si el tiempo es único o debe repetirse por cada pieza (·n). Tabla 7: Resumen de tiempos para la fabricación a partir de trabajo manual y microfusión asistida por FA. Fuente: propia Tal y como se ve en la última fila de la Tabla 7, el tiempo total de fabricación depende de la cantidad de piezas que se fabrican. En la Figura 65 se puede ver cómo evoluciona el tiempo (t) en función del número de piezas producidas (n). 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 200 400 600 800 1,000 n: Número de piezas t: tiempo total de fabricación Fabricación manual Microfusión asistida Figura 65: Comparación de tiempos de fabricación: Fabricación manual vs. Microfusión asistida. Fuente: propia En la Figura 65 se observa que el punto de equilibrio se encuentra en las coordenadas (4.6, 299.2). Esto indica que, a partir de la producción de cinco piezas, resulta más eficiente optar por el proceso de microfusión asistida en comparación con el trabajo manual. Esto sugiere que, en aplicaciones a gran escala, la microfusión asistida ofrece una ventaja considerable en términos de tiempo. Por ejemplo, para una producción de 100 Análisis de procesos de joyería pág. 69 piezas, la diferencia es de 620 minutos, es decir, 10 horas y 20 minutos. En cambio, para producciones de menos de 5 unidades, es más rápido seguir la fabricación manual. De todas maneras, es interesante ver que la diferencia de tiempo es muy pequeña: para 1 unidad, la diferencia son 23 minutos y esta va disminuyendo hasta solo 4 minutos de diferencia para 4 unidades. Es relevante señalar que, aunque en la Tabla 7 se presenta el proceso de microfusión como un único paso con una duración de 60 minutos, al escalar la producción a nivel industrial se debe considerar la capacidad de los árboles de microfusión. Dado que las piezas del proyecto son pequeñas, se estima que se pueden colocar hasta 100 modelos en un único árbol. En caso de superar esta cantidad, será necesario añadir 60 minutos adicionales al proceso por cada lote de 100 piezas, lo que afecta directamente al tiempo total de fabricación en producción masiva. Cálculo de la habilidad manual: Otro de los parámetros que se estudia es un índice de habilidad Ih. Se propone su formulación a continuación: Ih=Pn i=1 Ri n(6) donde: –Ricorreponde a una calificación subjetiva del nivel de destreza requerido para cada paso con Ri∈[0,10] –nes el número total de pasos Se calcula el índice para cada uno de los procesos asignando una puntuación a cada uno de los pasos de la Tabla 7. La puntuación se ha determinado en función de los conocimientos y la experiencia de la autora, por lo que puede variar significativamente según el usuario evaluador. Ih,manual =8+4+4+1+6+5+8+7 8= 5,375 Ih,F A =8+8+0+4+9+7 7= 5,857 La diferencia entre ambos procesos es relativamente pequeña, con un valor de 0.482. Es importante repetir que la puntuación reflejada en este análisis está influenciada por la experiencia en áreas como la joyería y el diseño 3D de la autora, lo que puede llevar a una evaluación más favorable de ambos procesos. No obstante, para un usuario sin experiencia en alguno de estos ámbitos, las diferencias en la percepción de dificultad podrían ser mucho más pronunciadas. En el caso de la microfusión asistida por impresión 3D, se requieren conocimientos en diseño 3D y no de joyería, dado que la microfusión en sí misma se lleva a cabo externamente, lo que facilita la iniciación al proceso para quienes no cuentan con experiencia previa. Se ha calculado el índice usando las calificaciones de alguien formado en impresión 3D y esta ha sido de 4.29. Por otro lado, para un joyero experimentado, el trabajo pág. 70 Memoria manual no presenta grandes dificultades para etapas como la fusión y el colado del metal, o el serrado y pulido. Se ha calculado el índice para 2 joyeras profesionales, y las puntuaciones han sido 2.25 y 2.63 respectivamente. Como se refleja, las puntuaciones para un experto en joyería son más bajas en comparación con aquellas de la autora, reflejando una menor dificultad percibida para los profesionales del sector. Facilidad para la automatización: Para medir la facilidad para la automatización, se proponen las siguientes fórmulas: A=Pn i=1(ti·pi) Pn i=1 ti ×100 (7) An=Pn i=1 ti(n)·pi Pn i=1 ti(n)×100 (8) donde: –Aes el porcentaje total de automatización del proceso para los pasos que no dependen de n –ties el tiempo del proceso i –pies el porcentaje de automatización del paso i –Anes el porcentaje total de automatización del proceso para los pasos que dependen de las unidades producidas (n) –ti(n)es el tiempo del proceso ipara producir nunidades Así, para el trabajo manual: Amanual =(40 ·0) + (30 ·0,10) + (10 ·0,80) 40 + 30 + 10 ×100 = 13,75 % Amanual,n =(0,5·n·0) + (10 ·n·0) + (10 ·n·0) + (7 ·n·0) + (20 ·n·0) 0,5·n+ 10 ·n+ 10 ·n+ 7 ·n+ 20 ·n×100 = 0,00 % Se ve claro que es un proceso con muy poca opción de automatización. Para los pasos que no dependen de la cantidad de unidades (Amanual = 13,75 %), como el laminado del lingote o el diseño del patrón hay un poco de margen de automatización, usando herramientas como laminadoras eléctricas, en lugar de manuales, o imprimiendo el patrón, en lugar de dibujarlo. En cambio, para los pasos que dependen de n(Amanual,n), no hay opción para automatizar (0,00 %). En cambio, para la microfusión asistida por FA: AF A =(30 ·0) + (20 ·0) + (60 ·0,80) 30 + 20 + 60 ×100 = 43,64 % AF A,n =(12 ·n·1) + (3 ·n·0) + (6 ·n·0,5) + (20 ·n·0) 12 ·n+ 3 ·n+ 6 ·n+ 20 ·n×100 = 7,32 % Análisis de procesos de joyería pág. 71 De nuevo, el porcentaje de automatización es mayor para los procesos únicos por producción (AF A). Pese a que no hay opción de automatizar el proceso de diseño 3D ni la definición de los parámetros de impresión, la microfusión, si se hace a gran escala, también puede ser automatizada en gran medida, lo que resulta en un 43.64% para AF A. Para la AF A,n, el pocentaje es mucho menor: 7.32%. De todas las maneras, sigue siendo superior al Amanual,n. En este caso, la automatización se debe a que la impresora puede trabajar de manera completamente autónoma, y a que la alimentación se podría eliminar de manera repetitiva si la producción es de un solo tipo de pieza. En la Tabla 8 se resumen los parámetros calculados en este apartado, diferenciando entre los dos procesos. Tabla 8: Resumen de valores para el análisis comparativo. Fuente: propia Fabricación manual Microfusión asistida Tiempo total (ttotal) 80 + 47,5·n110 + 41 ·n Índice de habilidad (Ih∈[0,10])5,375 5,857 Automatización (A)13,75 % 43,64 % Autom. en función de n (An)0,00 % 7,32 % 5.4. Exploración del falso engaste en FA Como apartado adicional, se ha explorado la posibilidad de aplicar el concepto de falso engaste, descrito en el apartado 3.1.4, a la fabricación de modelos mediante FA. Con el objetivo de asegurar que la gema no se desplace dentro del molde de yeso, se ha incorporado un agujero en la parte inferior del modelo donde se inserta la gema, tal como se ilustra en la Figura 66. Para ello, se ha editado el diseño original en SolidWorks, añadiendo dicho agujero. Las piedras seleccionadas para este experimento son circonitas. En concreto, se utilizarán gemas de 3 mm de diámetro y 2 mm de profundidad. Para garantizar que la circonita quede firmemente fijada, el agujero en la estrella se ha diseñado con una forma cónica que permite sujetar la piedra de manera estable y evita que se desplace o incline. Además, la estrella ha sido rediseñada con mayor altura para cubrir completamente la altura de la gema. Para colocar la piedra durante el proceso de impresión, es necesario detener la impresión en un momento intermedio. La solución más práctica consiste en diseñar dos piezas separadas: una para la parte inferior de la estrella (Figura 66), en la cual se coloca la circonita tras su impresión, y otra para la parte superior, que se imprime sobre la pieza inferior junto con la circonita (Figura 67). La intención original era que el agujero de la parte superior se cerrara de manera cónica, asegurando que la piedra quedara completamente fija. Sin embargo, debido a las limitaciones del diámetro de la boquilla de la impresora, no fue posible cerrar el agujero sin tocar con la piedra. pág. 72 Memoria Figura 66: Parte inferior de la estrella. Fuente: propia Figura 67: Parte superior de la estrella. Fuente: propia A pesar de no haber podido cerrar completamente la abertura, las gemas permanecen inmóviles dentro de la estructura. El resultado de la impresión se ve en la Figura 68. Figura 68: Modelos 3D con falso engaste. Fuente: propia El posprocesado de estas piezas es homólogo al de las otras piezas fabricadas mediante impresión 3D, con la excepción de que se lima la parte superior para eliminar los orificios ocasionados por la impresión. La pieza de la derecha en la Figura 69 es la posprocesada y la de la izquierda es sin procesar. Análisis de procesos de joyería pág. 79 za el uso de plata reciclada, reduciendo la extracción de nuevos recursos y minimizando el impacto ambiental. El hecho de realizar un análisis de impacto ambiental también subraya la importancia de medir y minimizar las emisiones y el consumo energético asociado a la producción. En conjunto, este proyecto fomenta el crecimiento económico sostenible y el consumo responsable, avanzando hacia un equilibrio entre innovación, productividad y sostenibilidad ambiental. 6.3. Equidad de género en el proyecto En este apartado se aborda la relación entre el proyecto desarrollado y las posibles diferenciaciones por motivos de género. A partir de los aspectos metodológicos, los resultados y la composición del equipo, se evalúan las implicaciones y posibles desigualdades relacionadas con las dimensiones de género y diversidad. El proyecto utiliza herramientas tecnológicas avanzadas, como software de diseño 3D y equipamiento de microfusión asistida, cuyo acceso, pese a no estar condicionado por género, sí que puede estarlo por factores económicos, formativos y culturales. Para personas no formadas en estas tecnologías, el acceso puede verse limitado por la necesidad de conocimientos técnicos específicos, lo que subraya la importancia de programas de formación inclusivos. El equipo de trabajo destaca por su composición equilibrada, formado por dos mujeres y un hombre: la directora, el director y la autora. Este equilibrio es especialmente significativo considerando el contexto de la Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial de Barcelona (ETSEIB), donde históricamente la representación femenina ha sido limitada, tanto a nivel estudiantil como en el cuerpo docente. La presencia de una directora en este proyecto es especialmente relevante, dado que en la ETSEIB es poco común encontrar mujeres en roles de liderazgo académico. Este hecho resalta la importancia de fomentar la participación femenina en áreas técnicas y de ingeniería, no solo como una cuestión de equidad, sino también para enriquecer el ámbito académico con perspectivas diversas. Este equipo equilibrado no solo refuerza el valor del proyecto, sino que también actúa como un modelo positivo para futuras generaciones de estudiantes, demostrando que es posible y necesario avanzar hacia una mayor representación femenina en las disciplinas de ingeniería. Históricamente, la industria de la joyería ha estado predominantemente controlada por hombres. Sin embargo, en las últimas décadas, ha habido un cambio significativo con la creciente participación de mujeres que asumen roles destacados en este sector [70]. La participación de la autora no solo refleja esta tendencia emergente, sino que también contribuye activamente a la equidad de género en la industria. Su involucramien- pág. 80 Memoria to desafía las normas tradicionales y sirve de inspiración para futuras generaciones de mujeres interesadas en el arte y la ciencia de la joyería. El proyecto, aunque no está directamente orientado hacia colectivos vulnerables, podría generar un impacto positivo si se promovieran programas de capacitación en las técnicas estudiadas, tanto manuales como asistidas, para personas de comunidades con recursos limitados. Análisis de procesos de joyería pág. 81 Conclusiones El principal objetivo del trabajo ha sido diseñar, fabricar y comparar piezas de joyería empleando dos técnicas de fabricación. De los objetivos específicos planteados, se han logrado cumplir los siguientes: – Estudio del estado de la cuestión: Se han revisado y documentado las técnicas de trabajo del metal, microfusión y fabricación aditiva aplicadas a la joyería. – Diseño de piezas: Se ha completado con éxito el diseño de un colgante mediante herramientas CAD. – Fabricación por ambos métodos: Se han elaborado prototipos empleando trabajo manual y microfusión asistida. – Análisis de costes y sostenibilidad: Se ha realizado un análisis económico y ambiental de ambas técnicas. Por lo que respecta al análisis comparativo, se han obtenido datos cuantitativos para comparar los procesos. Tanto la fabricación manual como la microfusión asistida tienen una IT15, pero el proceso de fabricación manual tiene una variabilidad mucho mayor (0.765 >0.495). Las piezas fabricadas por trabajo manual son superiores a las dimensiones teóricas (+0.34mm), y las de microfusión asistida son menores (-0.65mm). Los valores de rugosidad de la fabricación manual son de 0.221 µm, mientras que los de la microfusión asistida son de 0.313 µm. Como trabajo extra, se ha planteado la comprobación de la tolerancia dimensional del proceso de microfusión y la exploración del falso engaste usando FA. De los valores obtenidos en la comparativa de la tolerancia dimensional, dos han resultado dentro del rango de tolerancias pero los otros dos se han quedado fuera. Sería interesante ampliar la investigación para poder determinar con exactitud cómo se puede asegurar dicho rango. Por otro lado, los objetivos relacionados con la fabricación de piezas con gemas no se alcanzaron por completo debido a las limitaciones temporales del proyecto. Aún y así, se ha podido hacer un estudio preliminar satisfactorio que se podría seguir investigando en proyectos futuros. En general, el estudio confirma que la microfusión asistida por impresión 3D presenta ventajas significativas para diseños complejos y series repetitivas, aunque requiere mejoras en la selección de materiales y en el posprocesado. El trabajo manual sigue siendo más adaptable y adecuado para piezas únicas con alta personalización. Se recomienda explorar otras tecnologías de impresión, como SLA, para superar las limitaciones identificadas y ampliar el potencial de la fabricación aditiva en joyería. Análisis de procesos de joyería pág. 83 Agradecimentos En primer lugar, quiero expresar mi más sincero agradecimiento a mis directores, Irene BujCorraly Enrique ZayasFigueras,por haber aceptadoesteproyectocon entusiasmoy disposición. Su guía y experiencia han sido fundamentales a lo largo de todo el proceso. Gracias a sus conocimientos técnicos y sus valiosas observaciones, he podido afrontar los retos de este trabajo con confianza y motivación. Amifamilia,mispadresymihermano,quiero agradecerlesprofundamente su constante apoyo, tanto emocional como práctico. Siempre han estado dispuestos a ayudarme en todo lo que he necesitado, estando a mi lado en cada paso del camino. Sin su respaldo incondicional, no habría sido posible llegar hasta aquí. Quiero también dedicar un agradecimiento muy especial a Paula, mi profesora de joyería, por compartir su inmenso conocimiento y transmitirlo con tanta pasión. Su dedicación ha sido una inspiración constante y un pilar fundamental en mi formación. Sin su guía, este proyecto no habría sido posible. También quiero agradecer a todas mis compañeras de clase de joyería. Vuestras conversaciones, apoyo y compañía han convertido las horas de trabajo en momentos de aprendizaje y amistad que han enriquecido mi experiencia. Sin vosotras, no es lo mismo. Finalmente, quiero expresar mi más sincero agradecimiento a todos mis amigos de la universidad, que han sido una parte esencial de estos cuatro años. Gracias por todas las horas compartidas en la biblioteca, por el apoyo mutuo en los momentos de estrés y por hacer más llevaderas las largas jornadas de estudio. Vuestras risas, conversaciones y las interminables comidas en la terraza del bar han sido un respiro necesario, llenando de buenos recuerdos esta etapa de mi vida. Sin vosotros, este camino habría sido mucho más difícil y mucho menos especial. A todas y todos, gracias de corazón. Análisis de procesos de joyería pág. 85 Bibliografía [1] García Requejo. 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