Fundamentos y Técnicas de Fundición de Metales: Desde la Arena hasta la Inyección

Ventajas y Desventajas de la Fundición

Ventajas:

• Permite obtener geometrías variadas.
• Amplio rango de tamaños de piezas.
• Aplicable a cualquier tipo de metal.
• Posibilidad de producción en masa.

Desventajas:

• Limitaciones en las propiedades mecánicas.
• Precisión dimensional y acabado superficial mejorables.
• Peligros asociados al manejo de metal fundido.
• Potenciales problemas ambientales.

Energía Necesaria para la Fusión del Metal

1. Calor necesario para elevar la temperatura hasta el punto de fusión.
2. Calor de fusión para la transición de sólido a líquido.
3. Calor para elevar el metal fundido a la temperatura deseada para la colada.

Fluidez del Metal Fundido

La fluidez se refiere a la capacidad del metal fundido para llenar el molde. Depende de:

• Viscosidad.
• Tensión superficial.
• Inclusiones no solubles.
• Patrón de solidificación.
• Diseño del molde.

Contracción del Metal

La contracción ocurre en tres etapas:

1. Contracción del metal fundido al enfriarse antes de solidificar (hasta la temperatura de liquidus).
2. Contracción durante el cambio de fase de líquido a sólido (durante la solidificación).
3. Contracción del metal solidificado al enfriarse hasta la temperatura ambiente.

Simulación por Ordenador en Fundición

Objetivos:

• Cálculo del tiempo de llenado.
• Predicción de fases metalúrgicas.
• Propiedades mecánicas.
• Distorsiones.
• Tensiones y ciclos térmicos.
• Defectos.

Datos necesarios para la simulación:

• Geometría del molde.
• Datos de materiales: térmicos, mecánicos y fluido-dinámicos.
• Características de la máquina.

Fundición en Arena

Características y Limitaciones

Características:

• Bajo valor añadido.
• Diversidad de materiales.
• Geometrías sencillas y complejas.
• Piezas grandes y pequeñas.
• Permite el escape de gases.

Limitaciones:

• Precisión limitada (el molde se deforma).
• Acabado superficial rugoso.
• Posibles defectos (baja fiabilidad mecánica).
• Necesidad de mecanizado posterior.
• Uso de aglutinantes.
• Productividad.

Componentes del Proceso de Fundición en Arena

• Bebedero: Conducto para la introducción del metal fundido.
• Mazarota: Proporciona metal líquido para compensar la contracción durante el enfriamiento, promoviendo la solidificación direccional.
• Enfriadores: Piezas metálicas que extraen calor para acelerar la solidificación.
• Modelo:
  • Salidas para facilitar la extracción.
  • Consideración de la contracción del material.
  • Creces de mecanizado.
  • Portadas.
• Machos:
  • Evitan que el metal fundido ocupe zonas internas.
  • Resuelven contrasalidas y zonas poco resistentes.
• Componentes del sistema de arena de moldeo:
  • Refractario (Arena): Natural (sílice + arcilla) o sintética (sin arcilla).
  • Aglutinante (arcillas).
  • Agua para activar el aglutinante.
  • Aditivos/Recubrimientos.

DISAMATIC: Proceso de Moldeo en Arena Automatizado

1. Llenado de la cámara de moldeo con arena.
2. Compactado mediante actuadores hidráulicos (presión aproximada de 10 bar).
3. Separación de la placa modelo frontal.
4. Cierre del molde en la cinta transportadora.
5. Separación de la placa modelo trasera (introducción de machos si es necesario).
6. Cierre de la cámara de moldeo.

Tipos de Arena de Moldeo

• Arena verde:
  • Contiene humedad (puede generar defectos).
  • Bajo coste.
  • Es el tipo más empleado.
• Arena seca:
  • Se cuece en horno (200-320 °C).
  • Mayor resistencia del molde (mayor precisión y mejor integridad superficial).
  • Mayor coste.
  • Menor tasa de producción.
  • Adecuada para piezas de tamaño medio-grande.
  • Producción de series pequeñas a medianas.
• Secado químico: Endurecimiento del molde mediante reacciones químicas controladas.
  • Uso de aglutinantes (resinas, aceites).
  • Proceso más rápido y preciso.
  • Adecuado para piezas de tamaño medio-grande.

Desarrollos de la Fundición en Arena

Modelo Perdido (Poliestireno)

Pasos:

1. Fabricación del molde de poliestireno (con utillajes de aluminio).
2. Recubrimiento del modelo con pintura refractaria (sílice + agua) y secado.
3. Recubrimiento posterior con arena sin aglutinante.
4. Compactación por vibración.
5. Colada y solidificación.
6. Desmoldeo y acabado.

Características:

• Eliminación de aglutinantes (reducción de costes).
• Sin restricciones de forma (no se necesitan machos, salidas o superficies de unión).
• Problemas con el acero (el poliestireno genera grafito que puede mezclarse con la pieza y debilitarla, dificultando la solidificación).
• Rugosidad similar a la de la arena verde.

Fundición en Cáscara

Pasos:

1. Calentamiento del molde metálico.
2. Unión al recipiente basculante que contiene arena con aglutinante.
3. Volteo y formación del molde.
4. Volteo del recipiente.
5. Curado de la resina.
6. Desmoldeo.
7. Unión de las dos mitades del molde.

Características:

• Buena precisión dimensional.
• Buen acabado superficial.
• Reproducción de detalles finos.
• Aplicable a cualquier material.
• Alta capacidad de producción.
• Tamaño limitado de la pieza.
• Modelos y equipos costosos (económico para altas tiradas).

Ventajas:

• No es necesario preparar la arena.
• Menor cantidad de arena necesaria.
• Más preciso que la fundición en arena verde.

Desventajas:

• Arena más cara (mayor calidad).
• Tamaño de pieza reducido.
• Emisión de gases tóxicos.

Fundición a la Cera Perdida

Pasos:

1. Fabricación de utillajes para hacer el modelo de cera.
2. Construcción de un racimo de modelos de cera.
3. Recubrimiento del racimo (primera capa: baño con refractario fino y aglutinante; segunda capa: aglutinante y refractario más grueso).
4. Extracción de la cera.
5. Curado del molde.
6. Colada.
7. Desmoldeo (mediante vibraciones).

Características:

• Excelente precisión dimensional.
• Muy buen acabado superficial.
• Aplicable a cualquier material.
• Permite la fabricación de piezas complejas sin necesidad de mecanizado posterior.
• Proceso caro, adecuado para piezas de alto valor añadido.

Fundición en Molde Permanente

Características Generales

• Adecuada para largas tiradas (para amortizar el coste de los útiles).
• Alta precisión: detalles finos, tolerancias ajustadas y baja rugosidad.
• Materiales típicos: Aluminio (Al) y Zinc (Zn).

Fundición por Gravedad

Molde:

• Acero aleado de alta calidad.
• Espesor de paredes uniforme.
• Recubrimiento refractario.
• Bebedero, mazarotas y machos (de arena o metal).
• Salidas para gases.

Características del proceso:

• Principalmente para aleaciones de aluminio.
• Tiempos de ciclo cortos.

Características de las piezas:

• Tamaño pequeño a medio.
• Espesor mínimo de pared: 5 mm.
• Buen acabado superficial, precisión y baja rugosidad.
• Buenas propiedades mecánicas y metalúrgicas.

Fundición por Inyección

Moldes:

• Utillajes complejos.
• Acero aleado de alta dureza y calidad.
• Elementos móviles.
• Sistema de refrigeración.
• Adecuados para altas tiradas.

Fases del ciclo de inyección:

1. Aproximación lenta.
2. Llenado rápido de la cavidad del molde.
3. Solidificación bajo presión.

Características del proceso:

• Uso de Zinc para prolongar la vida útil del molde.
• Alta tasa de producción.

Características de las piezas:

• Geometría compleja.
• Muy alta precisión y excelente rugosidad.
• Paredes delgadas.
• Enfriamiento rápido: grano pequeño que proporciona buena resistencia.
• Propiedades mecánicas e integridad superficial no siempre aseguradas.

Máquina de cámara caliente (7-35 MPa):

• Horno de mantenimiento del metal incorporado.
• Temperatura máxima de 450 °C (adecuada para Zinc).

Máquina de cámara fría (30-200 MPa):

• El metal fundido se introduce con una cuchara.
• Temperatura máxima de 600 °C (adecuada para Aluminio).

Fundición por Inyección a Baja Presión

• Presión de inyección: 20-100 kPa.
• Velocidad del material en el molde lenta (evita el atrapamiento de aire causado por turbulencias).
• Aleaciones de bajo punto de fusión (principalmente Aluminio).
• Proceso más caro y lento que la inyección a alta presión.
• Llenado no turbulento y solidificación controlada.
• Buenas propiedades mecánicas y metalúrgicas.
• Solidificación direccional.

Fundición en Vacío

La inyección se realiza a alta presión, pero se elimina el aire atrapado en el molde.

Introducción a la Metrología

Características de un Laboratorio de Metrología

• Aislamiento del exterior frente a humedad, vibraciones, etc.
• Temperatura controlada (20 ± 0.5 °C).
• Humedad relativa inferior al 60% (para evitar oxidaciones).
• Acondicionamiento del aire: control de la calidad y el tamaño de las partículas de polvo.
• Si se utilizan equipos de interferometría: control de la presión atmosférica y de la humedad.

Resolución

Mínima variación de la magnitud a medir detectable por el instrumento.

Error de Medición

Diferencia entre el valor medido y el valor real.

• Error aleatorio: Componente del error de medición que varía de manera impredecible en mediciones repetidas.
• Error sistemático: Componente del error de medición que permanece constante o varía de manera predecible en mediciones repetidas.

Precisión

Dispersión del conjunto de valores medidos sobre la misma magnitud.

Repetibilidad

Intervalo de variación de los resultados de la medición de una cierta magnitud, repitiendo la medición con el mismo instrumento, procedimiento y condiciones. Está relacionada con el error aleatorio. Proximidad entre los valores de mediciones repetidas.

Exactitud

Relacionada con el error sistemático. Proximidad entre el valor verdadero y el valor medido.

Incertidumbre

Error máximo. Máxima diferencia entre el resultado obtenido y el verdadero valor de una medida. La incertidumbre del instrumento no es igual a la incertidumbre de la medición.

Calibración

Procedimiento que permite determinar la incertidumbre de un instrumento hasta su próxima calibración.

Medición de Dimensiones y Formas

Instrumentos

• Calibre pasa-no pasa.
• Pie de rey (calibre).
• Micrómetro.
• Goniómetro.
• Relojes comparadores.
• Banco de medida.

Patrones

• Bloques patrón: materializan una dimensión (rectangulares o angulares).
• Varillas y anillos calibrados.

Medición de Formas

• Instrumentos:
  • Redondímetro (mide redondez, cilindricidad, coaxialidad, planitud, perpendicularidad).
  • Perfilómetro: palpador en forma de palanca para medir perfiles planos de superficies.
  • Máquina de Medir por Coordenadas (MMC).
• Patrones:
  • Mármol de planitud.
  • Reglas.
  • Escuadras.
  • Esferas.

Máquinas de Medir por Coordenadas (MMC)

Características:

• Miden la geometría de un objeto en un sistema de referencia.
• 6 grados de libertad (gdl).
• A partir de los gdl se obtienen las coordenadas XYZ.
• Medición de dimensiones, posiciones y superficies.

Elementos:

• Estructura: traslación, mesa de granito, cojinetes aerostáticos.
• Sonda: palpador en forma de esfera, sondas mecánicas, ópticas, láser o de luz blanca.
• PC y software.

Fuentes de error:

• Precisión de los componentes.
• Ambiente en el que se opera.
• Estrategia de sondeo, velocidad, magnitud y dirección de la fuerza de contacto.
• Características de la pieza a medir.

Modos de medida:

• Contacto punto a punto: para formas simples, recoge pocos puntos por unidad de tiempo.
• Escaneo continuo 5 ejes con contacto: mayor precisión, elimina efectos dinámicos, bastidor cerámico.
• Escaneo continuo láser: recogida masiva de puntos, buen ajuste matemático de superficies libres, para niveles de precisión no extremos.

Metrología del Acabado Superficial

Defectos de Forma y Rugosidad

• Defectos de forma: Afectan al funcionamiento (excentricidad, falta de planitud, holguras, ruidos, etc.).
• Rugosidad: Afecta al comportamiento de la superficie frente al rozamiento, lubricación, desgaste, rodadura, etc.
• Longitud de corte o cutoff (λ_c): Diferencia entre ondulación y rugosidad. Si la longitud de onda (e) es mayor que λ_c, se considera ondulación + forma. Si e es menor que λ_c, se considera rugosidad.

Rugosidad Media (Ra)

Ra = (∑Área superior + ∑Área inferior) / Longitud de muestreo (l_n). Se mide en la dirección más favorable.

Parámetros de Altura

• R_p: Altura máxima de pico.
• R_v: Profundidad máxima de valle.
• R_t: Altura máxima pico-valle.
• R_ti: Altura máxima pico-valle en una longitud de corte.
• R_z: Media aritmética de los valores R_ti.
• R_max: Altura máxima pico-valle.

Parámetros de Espaciado

• R_sm: Anchura media (valle-valle).

Curva de Abbott-Firestone

Representa el porcentaje de material por encima de un nivel determinado de profundidad. Es de particular interés en situaciones de rozamiento, lubricación y aplicaciones de imprimaciones. % = (l₁ + ... + l_i) / l_n

Rugosímetro

Instrumento para medir la rugosidad. Elementos:

• Aguja (se introduce entre picos y valles, generalmente de diamante).
• Captador (registra los movimientos verticales de la aguja).
• Patín (se apoya en la superficie, sirve de filtro mecánico, generalmente de rubí sintético).
• Motorización (empuja y arrastra la aguja).
• Electrónica (registra, procesa y obtiene los parámetros).