En la fundición , un patrón es una réplica del objeto que se va a fundir y que se utiliza para formar la cavidad del molde de arena en la que se vierte el metal fundido durante el proceso de fundición. Una vez que se ha utilizado el patrón para formar la cavidad del molde de arena, se retira el patrón y se vierte el metal fundido en la cavidad del molde de arena para producir la pieza fundida. El patrón no es consumible y se puede reutilizar para producir más moldes de arena casi indefinidamente.
Debido a que casi todos los metales se contraen o encogen a medida que baja su temperatura, los patrones de fundición deben hacerse de un tamaño mayor que el tamaño real de la pieza fundida. Por ejemplo, la contracción de la fundición de aluminio es de aproximadamente el 1,3 %, por lo que el patrón para una pieza de aluminio fundido se haría un 1,3 % más grande que la pieza fundida en sí. [1] [2]
Los modelos que se utilizan en la fundición en arena pueden estar hechos de madera, metal, plástico u otros materiales. Los modelos se fabrican siguiendo estándares de construcción exigentes, de modo que puedan durar un tiempo razonable, según el grado de calidad del modelo que se está construyendo, y de modo que proporcionen repetidamente una fundición dimensionalmente aceptable. [3]
La confección de patrones, llamada patronaje (a veces llamado patronaje o patronaje ), es un oficio especializado que está relacionado con los oficios de fabricación de herramientas y matrices y de moldes , pero que también suele incorporar elementos de carpintería fina . Los patronistas (a veces llamados patronistas o patronistas ) aprenden sus habilidades a través de aprendizajes y escuelas de oficios a lo largo de muchos años de experiencia. Aunque un ingeniero puede ayudar a diseñar el patrón, normalmente es un patronista quien ejecuta el diseño. [4]
Los materiales que se utilizan para hacer patrones son madera, metal o plástico. También se utilizan cera y yeso de París , pero solo para aplicaciones especializadas. La madera de pino azucarero es el material más utilizado para los patrones, principalmente porque es suave, ligera y fácil de trabajar. La caoba de Honduras se utilizó para más piezas de producción porque es más dura y duraría más que el pino. Una vez curada adecuadamente, es tan estable como cualquier madera disponible, no está sujeta a deformaciones ni curvaturas. Una vez que se construye el patrón, la fundición no quiere que cambie de forma. La verdadera caoba de Honduras es más difícil de encontrar ahora debido a la destrucción de las selvas tropicales, por lo que ahora hay una variedad de maderas comercializadas como caoba . Los patrones de fibra de vidrio y plástico han ganado popularidad en los últimos años porque son resistentes al agua y muy duraderos. Los patrones de metal son duraderos y no sucumben a la humedad, pero son más pesados, más caros y difíciles de reparar una vez dañados. [5]
Los patrones de cera se utilizan en un proceso de fundición alternativo llamado fundición a la cera perdida . Para ello se utiliza una combinación de cera de parafina , cera de abejas y cera de carnauba . En este caso, el "patrón" de cera se extrae de la cavidad del molde, que normalmente es un material rígido similar al yeso en lugar de arena, por lo que el "patrón" de cera solo se puede utilizar una vez. [5]
El yeso de París se utiliza habitualmente en la fabricación de matrices y moldes, ya que adquiere dureza rápidamente y presenta mucha flexibilidad en la etapa de fraguado. [5]
El fabricante de patrones o el ingeniero de fundición deciden dónde se colocan los bebederos , los sistemas de compuertas y las mazarotas con respecto al patrón. Cuando se desea un orificio en una pieza fundida, se puede utilizar un núcleo que defina un volumen o una ubicación en una pieza fundida donde el metal no fluirá hacia adentro. A veces, se pueden colocar enfriadores en una superficie del patrón antes del moldeo, que luego se forman en el molde de arena. Los enfriadores son disipadores de calor que permiten un enfriamiento rápido localizado. El enfriamiento rápido puede ser deseado para refinar la estructura del grano o determinar la secuencia de congelación del metal fundido que se vierte en el molde. Debido a que están a una temperatura mucho más fría y, a menudo, son de un metal diferente del que se vierte, no se adhieren a la pieza fundida cuando esta se enfría. Luego, los enfriadores se pueden recuperar y reutilizar.
El diseño del sistema de alimentación y compuertas se denomina generalmente diseño de métodos o metodismo . Puede llevarse a cabo de forma manual o interactiva mediante un software CAD de uso general, o de forma semiautomática mediante un software de uso específico (como AutoCAST ).
Los patrones están hechos de madera, metal, cerámica o plástico duro y varían en complejidad.
Un patrón de una sola pieza, o patrón suelto, es el más simple. Es una réplica de la pieza de fundición deseada, generalmente en un tamaño ligeramente más grande para compensar la contracción del metal deseado. Los patrones con compuertas conectan una serie de patrones sueltos con una serie de canales que se separarán después del desmoldeo. Los patrones segmentados o de varias piezas crean una pieza de fundición en varias piezas que se unirán en el posprocesamiento.
Los patrones de placa de coincidencia son patrones con las partes superior e inferior del patrón, también conocidas como las partes de la parte superior y inferior, montadas en lados opuestos de una tabla. Esta adaptación permite que los patrones se moldeen rápidamente a partir del material de moldeo. Una técnica similar llamada patrón de placa de coincidencia se utiliza a menudo para fundiciones grandes o grandes tiradas de producción: en esta variación, los dos lados del patrón se montan en placas de patrón separadas que se pueden conectar a máquinas horizontales o verticales y moldear con el material de moldeo. Cuando las líneas de separación entre la parte superior y la parte inferior son irregulares, se puede utilizar una tabla de seguimiento para soportar patrones sueltos de forma irregular.
Los patrones de barrido se utilizan para moldes simétricos, que son formas contorneadas que giran alrededor de un eje central o polo a través del material de moldeo. Un patrón de barrido es una forma de patrón de esqueleto: cualquier patrón geométrico que crea un molde al moverse a través del material de moldeo.
El patrón de esqueleto entra en juego cuando todo el montaje hecho de madera o metal es más costoso. Generalmente se fabrica como una pieza con algunos huecos sin rellenar y esas partes sin rellenar se rellenan o cubren con arena de marga o arcillas. Se utiliza una tabla de raspado o tabla de raspado para raspar el exceso de arcilla si se aplica a los huecos. Por ejemplo, carcasas de turbinas, codos de tuberías de agua y suelo, cuerpos y cajas de válvulas.
Para compensar cualquier cambio dimensional que pueda ocurrir durante el proceso de enfriamiento (sólido), generalmente se hacen tolerancias en el patrón. [6]
Casi todos los metales se encogen volumétricamente durante la solidificación, lo que se conoce como contracción líquida. Otra forma de decirlo es que casi todos los metales experimentan un aumento de volumen al fundirse, o temperatura de liquidus. La "contracción de volumen" típica está en el rango de entre el 3,5% y el 10,0%, según la aleación. Algunas fundiciones de grafito, cuando se funden en secciones más pesadas, en condiciones bien controladas, pueden exhibir un rendimiento ligeramente positivo. El metal tipo también se conoce y se utiliza por su capacidad para mantener una fundición verdadera y nítida, y conservar las dimensiones correctas después del enfriamiento. Normalmente, al fabricar piezas fundidas de ingeniería, el "método" se diseña junto con el patrón, es decir, el tamaño de la mazarota, la cantidad de mazarotas y la ubicación de las mazarotas. Además, las bajantes, las barras de colada y las compuertas de entrada también se diseñan en "el método". Por lo tanto, el "método" garantiza que se entregue el metal fundido, se llene el molde correctamente y se llenen las mazarotas para "alimentar" el "volumen de contracción" de líquido a la fundición durante la solidificación. Este "método" lo lleva a cabo un "ingeniero de métodos", que puede ser un fabricante de modelos (con formación adicional), un ingeniero de fundición o un metalúrgico que esté familiarizado con el concepto de aumento de volumen/pérdida de volumen asociado con la fusión y la fundición/solidificación. Ejemplo: supongamos que el acero tiene una densidad de 7,85 (sólido) y una contracción del 6%, o mejor dicho, un aumento de volumen del 6% cuando está fundido. Se ha fabricado un molde para fundir un bloque de 100 kg, basándose en la densidad sólida del acero. La densidad líquida del acero es solo el 94% de su valor de densidad sólida, aproximadamente 7,38 cuando está líquido. Por lo tanto, cuando el bloque de 100 kg (cálculo sólido) se llena con líquido, contiene una masa de solo 94 kg. Los 6 kg deben suministrarse desde un "elevador" o "alimentador" durante la solidificación, por lo que el objeto sólido ahora tiene una masa de 100 kg. El método es un sistema para lidiar con la pérdida de volumen durante la solidificación. Esto (técnicamente) no es una tolerancia.
Este tamaño adicional que se da en el patrón para la contracción del metal se llama "tolerancia de contracción". Estos valores suelen estar entre el 0,6% y el 2,5%. Esto se tiene en cuenta utilizando una regla de contracción , que es una regla de gran tamaño . Las reglas de contracción están generalmente disponibles para las aleaciones comunes fundidas industrialmente. Alternativamente, el fabricante de patrones simplemente agregará un porcentaje nominado a todas las dimensiones. Un ejemplo de esta tolerancia: si se requiriera que un casquillo tuviera 1500 mm de diámetro exterior, 1000 mm de diámetro interior y 300 mm de alto utilizando una regla de contracción del 2%: El fabricante de patrones haría el patrón de 1530 mm de diámetro exterior (ya que se contraerá), 1020 de diámetro interior (ya que el material tiende a contraerse hacia el centro o centro de gravedad); es importante tener en cuenta que la tolerancia se agrega incluso al diámetro interior ya que el material tiende a entrar en contacto hacia el centro. [7] El núcleo utilizado está hecho de arena colapsable o se le da suficiente espacio hueco en el centro del núcleo para permitir que el metal se expanda. Finalmente, la dimensión de altura sería de 306 mm.
La cantidad de contracción también puede variar levemente según el sistema de arena que se utilice para el molde y los machos, por ejemplo, arena aglomerada con arcilla, arena aglomerada con productos químicos u otros materiales aglomerantes utilizados en la arena. Los valores exactos pueden variar entre distintas fundiciones debido a los sistemas de arena que se utilicen. Cada fundición, al calibrar sus propios patrones y piezas fundidas, puede refinar sus propios márgenes de contracción.
La contracción y la contracción se pueden clasificar nuevamente en contracción líquida y contracción sólida . La contracción líquida es la reducción de volumen durante el proceso de solidificación (de líquido a sólido), la contracción líquida se explica por las mazarotas. La contracción sólida es la reducción de dimensiones durante el enfriamiento del metal fundido (sólido). La tolerancia de contracción tiene en cuenta solo la contracción sólida.
Cuando se retira el patrón del molde de arena, existe la posibilidad de que los bordes delanteros se rompan o se dañen en el proceso. Para evitar esto, se proporciona un ángulo cónico en el patrón, para facilitar la extracción del patrón del molde y, por lo tanto, reducir el daño a los bordes. El ángulo cónico proporcionado se denomina ángulo de desmoldeo . El valor del ángulo de desmoldeo depende de la complejidad del patrón, el tipo de moldeo (moldeo manual o moldeo a máquina), la altura de la superficie, etc. El ángulo de desmoldeo proporcionado en la fundición suele ser de 1 a 3 grados en las superficies externas (de 5 a 8 superficies internas). [7]
El acabado superficial obtenido en fundiciones en arena es generalmente deficiente (dimensionalmente impreciso) y, por lo tanto, en muchos casos, el producto fundido se somete a procesos de mecanizado como torneado o rectificado para mejorar el acabado superficial. Durante los procesos de mecanizado, se elimina algo de metal de la pieza. Para compensar esto, se debe dar una tolerancia de mecanizado (material adicional a veces denominado verde) en la fundición. [7] La cantidad de tolerancia de acabado depende del material de la fundición, el tamaño de la fundición, el volumen de producción, el método de moldeo, etc.
Generalmente, durante la extracción del modelo de la cavidad del molde, se golpea el modelo por todas las caras para facilitar su extracción. En este proceso, se agranda la cavidad final. Para compensar esto, es necesario reducir las dimensiones del modelo. No existen valores estándar para esta tolerancia, ya que depende en gran medida del personal. Esta tolerancia es negativa y una forma común de evitarla es aumentar la tolerancia de desmoldeo. La sacudida del modelo provoca un agrandamiento de la cavidad del molde y da como resultado una pieza fundida más grande. [7]
Durante el enfriamiento del molde, las tensiones que se desarrollan en el metal sólido pueden inducir distorsiones en la pieza fundida. Esto es más evidente cuando el molde es más delgado en ancho que en largo. Esto se puede eliminar distorsionando inicialmente el patrón en la dirección opuesta. [6]
Los modelos siguen siendo necesarios para la fundición de metales en arena. Para la producción de fundición gris, fundición dúctil y acero, la fundición en arena sigue siendo el proceso más utilizado. Para las piezas de fundición de aluminio, la fundición en arena representa aproximadamente el 12% del tonelaje total en peso (superada solo por la fundición a presión con un 57%, y el molde semipermanente y permanente con un 19%; según los envíos de 2006). El proceso exacto y el equipo para fabricar los modelos siempre se determinan en función de las cantidades de los pedidos y del diseño de la pieza. La fundición en arena puede producir desde una sola pieza hasta un millón de copias.
Aunque las modalidades de fabricación aditiva, como SLS o SLM, tienen potencial para reemplazar a la fundición en algunas situaciones de producción, esta aún está lejos de ser completamente desplazada. Allí donde proporcione propiedades de material adecuadas a un costo unitario competitivo , seguirá siendo demandada.
Los tipos de patrones más comunes son:
1) Patrón de pieza única
2) Patrón de pieza dividida
3) Patrón de pieza suelta
4) Patrón de compuerta
5) Patrón de combinación
6) Patrón de barrido
7) Patrón de corte y arrastre
8) Patrón de esqueleto
9) Patrón de concha
10) Patrón de seguimiento de tabla
11) Patrón segmentado