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Fundición de precisión

Tapa de entrada y salida de una válvula para una central nuclear fabricada mediante fundición de precisión

La fundición a la cera perdida es un proceso industrial basado en la fundición a la cera perdida , una de las técnicas de conformado de metales más antiguas que se conocen. [1] El término "fundición a la cera perdida" también puede referirse a los procesos de fundición a la cera perdida modernos.

La fundición a la cera perdida se ha utilizado en diversas formas durante los últimos 5000 años. En sus formas más antiguas, se utilizaba cera de abejas para formar los patrones necesarios para el proceso de fundición. Hoy en día, se suelen utilizar ceras más avanzadas, materiales refractarios y aleaciones especiales para hacer patrones. La fundición a la cera perdida se valora por su capacidad para producir componentes con precisión, repetibilidad, versatilidad e integridad en una variedad de metales y aleaciones de alto rendimiento.

Los frágiles modelos de cera deben soportar las fuerzas que se encuentran durante la fabricación del molde. Gran parte de la cera utilizada en la fundición a la cera perdida se puede recuperar y reutilizar. [2] La fundición a la cera perdida es una forma moderna de fundición a la cera perdida que elimina ciertos pasos del proceso.

La fundición a la cera perdida se denomina así porque el proceso reviste (rodea) el modelo con material refractario para hacer un molde, y una sustancia fundida se vierte en el molde. Los materiales que se pueden fundir incluyen aleaciones de acero inoxidable, latón, aluminio, acero al carbono y vidrio. La cavidad dentro del molde refractario es un duplicado ligeramente sobredimensionado pero por lo demás exacto de la pieza deseada. Debido a la dureza de los materiales refractarios utilizados, la fundición a la cera perdida puede producir productos con calidades superficiales excepcionales, lo que puede reducir la necesidad de procesos de mecanizado secundarios. [3]

Los dos métodos de fundición de inversión más utilizados actualmente son el vidrio soluble y la fundición con sol de sílice . Las principales diferencias son la rugosidad de la superficie y el coste de la fundición. El método del vidrio soluble desparafina en agua a alta temperatura y el molde de cerámica está hecho de arena de cuarzo de vidrio soluble. El método del sol de sílice desparafina en el fuego instantáneo y la arena de circón de sol de sílice hace el molde de cerámica. El método del sol de sílice cuesta más, pero tiene una mejor superficie que el método del vidrio soluble. [4]

El proceso se puede utilizar tanto para piezas pequeñas de unas pocas onzas como para piezas grandes que pesan varios cientos de libras. Puede ser más caro que la fundición a presión o la fundición en arena , pero los costos por unidad disminuyen con grandes volúmenes. La fundición a la cera perdida puede producir formas complicadas que serían difíciles o imposibles con otros métodos de fundición. También puede producir productos con calidades de superficie excepcionales y tolerancias bajas con un acabado de superficie o mecanizado mínimo requerido.

Proceso

Un patrón de cera utilizado para crear una paleta de turbina de motor a reacción.

Los vaciados se pueden realizar a partir de un modelo de cera original (método directo) o a partir de réplicas en cera de un modelo original que no necesariamente deben estar hechas de cera (método indirecto). Los siguientes pasos describen el proceso indirecto, que puede tardar entre dos y siete días en completarse.

  1. Producir un patrón maestro : un artista o fabricante de moldes crea un patrón original a partir de cera , arcilla , madera , plástico u otro material. [5] En los últimos años, la producción de patrones mediante la impresión 3D de modelos producidos por software de diseño asistido por computadora se ha vuelto popular utilizando principalmente impresoras 3D de estereolitografía (SLA) o DLP basadas en resina para patrones de alta resolución o filamento PLA estándar cuando no se requieren altos niveles de precisión. Si usa un patrón impreso en 3D, proceda directamente al paso 5.
  2. Crear un molde : se fabrica un molde , conocido como matriz maestra , para que se ajuste al patrón maestro. Si el patrón maestro se fabricó con acero, la matriz maestra se puede moldear directamente a partir del patrón utilizando un metal con un punto de fusión más bajo. Los moldes de caucho también se pueden moldear directamente a partir del patrón maestro. Alternativamente, una matriz maestra se puede mecanizar de forma independiente, sin crear un patrón maestro. [5]
  3. Producir patrones de cera : Aunque se denominan patrones de cera , los materiales para los patrones también pueden incluir plástico y mercurio congelado . [5] Los patrones de cera se pueden producir de dos maneras. En un proceso, la cera se vierte en el molde y se agita hasta que una capa uniforme, generalmente de unos 3 mm (0,12 pulgadas) de espesor, cubre la superficie interna del molde. Esto se repite hasta que se alcanza el espesor de patrón deseado. Otro método implica llenar todo el molde con cera fundida y dejar que se enfríe como un objeto sólido. [ cita requerida ]
    Si se requiere un núcleo, hay dos opciones: cera soluble o cerámica. Los núcleos de cera soluble están diseñados para fundirse del revestimiento de revestimiento con el resto del patrón de cera; los núcleos de cerámica se retiran después de que el producto se haya endurecido. [5]
  4. Ensamblar patrones de cera : se pueden crear múltiples patrones de cera y ensamblarlos en un patrón grande para verterlo en un solo lote. En esta situación, los patrones se unen a una matriz de cera para crear un grupo de patrones o árbol. Para unir los patrones, se utiliza una herramienta de calentamiento para derretir ligeramente las superficies de cera designadas, que luego se presionan una contra la otra y se dejan enfriar y endurecer. Se pueden ensamblar hasta varios cientos de patrones en un árbol. [5] [6] Los patrones de cera también se pueden cincelar , lo que significa que las líneas de separación o los destellos se eliminan con la herramienta de metal calentada. Finalmente, los patrones se arreglan (eliminando imperfecciones) para que parezcan piezas terminadas. [7]
  5. Aplicar materiales de revestimiento : El molde cerámico, conocido como revestimiento , se produce repitiendo una serie de pasos (recubrimiento, estucado y endurecimiento) hasta lograr el espesor deseado.
    1. El recubrimiento implica sumergir un conjunto de patrones en una suspensión de material refractario fino y luego escurrirlo para crear un recubrimiento uniforme en la superficie. En este primer paso, también llamado capa de imprimación , se utilizan materiales finos para preservar los detalles finos del molde.
    2. El estucado aplica partículas cerámicas gruesas sumergiendo los patrones en un lecho fluidizado , colocándolos en una lijadora de lluvia o aplicando materiales a mano.
    3. El endurecimiento permite que los recubrimientos se curen. Estos pasos se repiten hasta que el revestimiento alcanza el espesor requerido, generalmente de 5 a 15 mm (0,2 a 0,6 pulgadas). Los moldes de revestimiento se dejan secar por completo, lo que puede llevar de 16 a 48 horas. El secado se puede acelerar aplicando vacío o minimizando la humedad ambiental. Los moldes de revestimiento también se pueden crear colocando los grupos de patrones en un matraz y luego vertiendo material de revestimiento líquido desde arriba. Luego, el matraz se hace vibrar para permitir que el aire atrapado escape y ayudar a que el material de revestimiento llene los pequeños huecos. [5] [8]
    4. Materiales : Los materiales refractarios comunes utilizados para crear los revestimientos son: sílice, circón, varios silicatos de aluminio y alúmina . La sílice se utiliza generalmente en forma de sílice fundida , pero a veces se utiliza cuarzo porque es menos costoso. Los silicatos de aluminio son una mezcla de alúmina y sílice, donde las mezclas comúnmente utilizadas tienen un contenido de alúmina del 42 al 72%; con un 72% de alúmina, el compuesto se conoce como mullita . Durante las capas primarias, se utilizan comúnmente refractarios a base de circón , porque es menos probable que el circonio reaccione con el metal fundido. [8] Antes de la sílice, se utilizaba una mezcla de yeso y moldes viejos molidos ( chamota ). [9] Los aglutinantes utilizados para mantener el material refractario en su lugar incluyen: silicato de etilo (a base de alcohol y fraguado químicamente), sílice coloidal (a base de agua, también conocida como sol de sílice, fraguado por secado), silicato de sodio y un híbrido de estos controlados por pH y viscosidad .
  6. Desparafinado : Una vez que los moldes cerámicos se han curado por completo, se les da la vuelta y se colocan en un horno o autoclave para fundir o vaporizar la cera. La mayoría de las fallas de la carcasa ocurren en este punto porque las ceras utilizadas tienen un coeficiente de expansión térmica mucho mayor que el material de revestimiento que las rodea; a medida que se calienta la cera, se expande e introduce tensión. Para minimizar estas tensiones, la cera se calienta lo más rápido posible para que las superficies externas de cera puedan fundirse y drenar rápidamente, dejando espacio para que el resto de la cera se expanda. En ciertas situaciones, se pueden perforar agujeros en el molde antes de calentarlo para ayudar a reducir estas tensiones. La cera que se sale del molde generalmente se recupera y se reutiliza. [10]
  7. Precalentamiento por quemado : A continuación, el molde se somete a un proceso de quemado que calienta el molde a una temperatura de entre 870 °C y 1095 °C para eliminar la humedad y la cera residual y sinterizar el molde. A veces, este calentamiento también se utiliza para precalentar el molde antes del vertido, pero otras veces se deja enfriar el molde para poder probarlo. El precalentamiento permite que el metal permanezca líquido durante más tiempo para que pueda rellenar mejor todos los detalles del molde y aumentar la precisión dimensional. Si se deja enfriar el molde, las grietas que se encuentren se pueden reparar con lechada de cerámica o cementos especiales. [10] [11]
  8. Vertido : el molde de inversión se coloca con el lado abierto hacia arriba en un recipiente lleno de arena. El metal se puede verter por gravedad o por presión de aire positiva u otras fuerzas. El colado al vacío , el colado basculante , el vertido asistido por presión y el colado centrífugo son métodos que utilizan fuerzas adicionales y son especialmente útiles cuando los moldes contienen secciones delgadas que de otro modo serían difíciles de llenar. [11]
  9. Desmoldeo : la carcasa se martilla, se limpia con chorro de arena , se vibra , se le aplica un chorro de agua o se disuelve químicamente (a veces con nitrógeno líquido ) para liberar la pieza fundida. La colada se corta y se recicla. A continuación, la pieza fundida se puede limpiar para eliminar los signos del proceso de fundición, normalmente mediante esmerilado . [11]
  10. Acabado : después del rectificado, la pieza de fundición terminada se somete a un acabado que, por lo general, va más allá del rectificado y consiste en eliminar las impurezas y los defectos mediante herramientas manuales y soldadura. En caso de que la pieza necesite un enderezamiento adicional, este proceso se suele llevar a cabo mediante prensas de enderezamiento hidráulicas, que ajustan el producto a sus tolerancias. [12]

Ventajas

Desventajas

La principal desventaja es el costo total, especialmente para producciones de tiradas cortas. Algunas de las razones del alto costo incluyen equipo especializado, refractarios y aglutinantes costosos, muchas operaciones para hacer un molde, se necesita mucha mano de obra y ocasionalmente ocurren defectos minúsculos. Sin embargo, el costo sigue siendo menor que producir la misma pieza mediante mecanizado a partir de una barra de material ; por ejemplo, la fabricación de armas ha pasado a la fundición de precisión para reducir los costos de producción de pistolas .

Además:

Lanzamiento contragravedad

La variante de la técnica de vertido por gravedad consiste en llenar el molde mediante vacío. Una forma habitual de este proceso se denomina proceso Hitchiner, en honor a la empresa Hitchiner Manufacturing Company que inventó la técnica. En esta técnica, el molde tiene un tubo de llenado descendente que se introduce en el material fundido. Un vacío atrae el material fundido hacia la cavidad; cuando las partes importantes se han solidificado, se libera el vacío y el material no utilizado sale del molde. La técnica puede utilizar sustancialmente menos material que el vertido por gravedad porque no es necesario que el bebedero y algunas coladas se solidifiquen. [17] [18]

Esta técnica es más eficiente en el uso del metal que el vertido tradicional porque se solidifica menos material en el sistema de colada. El vertido por gravedad solo tiene un rendimiento de metal del 15 al 50% en comparación con el 60 al 95% del vertido por contragravedad. También hay menos turbulencia, por lo que el sistema de colada se puede simplificar ya que no tiene que controlar la turbulencia. El metal se extrae desde debajo de la parte superior de la piscina, por lo que el metal está libre de escoria y escoria (que son de menor densidad (más livianas) y flotan en la parte superior de la piscina). La diferencia de presión ayuda al metal a fluir hacia cada complejidad del molde. Finalmente, se pueden utilizar temperaturas más bajas, lo que mejora la estructura del grano. [17]

Este proceso también se utiliza para fundir cerámica refractaria bajo el término de fundición al vacío . [19]

Fundición a presión al vacío

La fundición a presión al vacío ( VPC ), propiamente denominada vertido directo asistido por vacío , utiliza presión de gas y vacío para mejorar la calidad de la fundición y minimizar la porosidad . Normalmente, las máquinas VPC constan de una cámara superior y una inferior: la cámara superior, o cámara de fusión, que alberga el crisol, y la cámara de fundición inferior, que alberga el molde de inversión. Ambas cámaras están conectadas a través de un pequeño orificio que contiene un tapón. Se crea un vacío en la cámara inferior, mientras que se aplica presión en la superior y luego se quita el tapón. Esto crea el mayor diferencial de presión para llenar los moldes. [20] Los materiales más comunes para el proceso de fundición al vacío son las aleaciones con alto contenido de níquel y las superaleaciones. Los productos con turbocompresor son una aplicación común para este proceso de fundición, [21] aunque también se utiliza habitualmente en la fabricación de joyas de plata y oro.

Detalles

La fundición de precisión se utiliza con casi cualquier metal moldeable. Sin embargo, las aleaciones de aluminio, las aleaciones de cobre y el acero son las más comunes. En el uso industrial, los límites de tamaño son de 3 g (0,1 oz) a varios cientos de kilogramos. [22] Los límites de sección transversal son de 0,6 mm (0,024 in) a 75 mm (3,0 in). Las tolerancias típicas son 0,1 mm para los primeros 25 mm (0,005 in para la primera pulgada) y 0,02 mm para cada centímetro adicional (0,002 in para cada pulgada adicional). Un acabado superficial estándar es de 1,3 a 4 micrómetros (50 a 125 μin) RMS. [13]

Historia

La historia de la fundición a la cera perdida se remonta a miles de años. [23] Su uso más temprano fue para ídolos , adornos y joyas , utilizando cera de abejas natural para patrones, arcilla para los moldes y fuelles operados manualmente para alimentar hornos. Se han encontrado ejemplos en todo el mundo, como en los ídolos de la civilización Harappa (2500-2000 a. C.), las tumbas de Tutankamón en Egipto (1333-1324 a. C.), Mesopotamia , México azteca y maya , y la civilización de Benin en África , donde el proceso produjo obras de arte detalladas de cobre, bronce y oro. Con mucho, uno de los primeros usos identificados del proceso de fundición a la cera perdida se vio en los objetos encontrados en la "Cueva del Tesoro", descubierta en el sur de Israel. Estos artículos fueron identificados como fabricados alrededor del 3700 a. C. utilizando técnicas de datación por carbono-14. [24]

El texto más antiguo conocido que describe el proceso de fundición a la cera perdida (Schedula Diversarum Artium) fue escrito alrededor del año 1100 d. C. por Teófilo Presbítero , un monje que describió varios procesos de fabricación, incluida la receta del pergamino . Este libro fue utilizado por el escultor y orfebre Benvenuto Cellini (1500-1571), quien detalló en su autobiografía el proceso de fundición a la cera perdida que utilizó para la escultura de Perseo con la cabeza de Medusa que se encuentra en la Loggia dei Lanzi en Florencia , Italia .

La fundición de precisión se empezó a utilizar como un proceso industrial moderno a finales del siglo XIX, cuando los dentistas empezaron a utilizarla para hacer coronas e incrustaciones, como describió Barnabas Frederick Philbrook de Council Bluffs, Iowa, en 1897. [25] Su uso fue acelerado por William H. Taggart de Chicago, cuyo artículo de 1907 describió su desarrollo de una técnica [ cita requerida ] . También formuló un compuesto de cera para patrones con excelentes propiedades, desarrolló un material de revestimiento e inventó una máquina de fundición a presión de aire.

En la década de 1940, la Segunda Guerra Mundial aumentó la demanda de fabricación de formas netas de precisión y de aleaciones especializadas que no se podían moldear con métodos tradicionales o que requerían demasiado mecanizado. La industria recurrió a la fundición de precisión. Después de la guerra, su uso se extendió a muchas aplicaciones comerciales e industriales que utilizaban piezas metálicas complejas.

Aplicaciones

Presentación del satélite espacial de titanio de Planetary Resources en febrero de 2014. El molde de sacrificio para la fundición de precisión se imprimió en 3D con un enrutamiento de cables integrado y un tanque de combustible toroidal. De izquierda a derecha: Peter Diamandis , Chris Lewicki y Steve Jurvetson .

La fundición de inversión se utiliza en las industrias aeroespacial y de generación de energía para producir álabes de turbinas con formas complejas o sistemas de enfriamiento. [13] Los álabes producidos mediante fundición de inversión pueden incluir álabes monocristalinos (SX), solidificados direccionalmente (DS) o equiaxiales convencionales.

Los fabricantes de armas de fuego también utilizan ampliamente la fundición de precisión para fabricar receptores, gatillos, martillos y otras piezas de precisión a bajo coste. [ cita requerida ]

Karsten Solheim revolucionó el diseño de palos de golf a través de su empresa PING al incorporar por primera vez la fundición de inversión para las cabezas de los palos. [26] Rápidamente, el proceso se convirtió en un estándar de la industria para permitir la distribución del peso alrededor del perímetro de la cabeza del palo.

Otras industrias que utilizan piezas fundidas de inversión estándar incluyen la militar, la aeroespacial, la médica, la joyería, las aerolíneas, la automotriz y los clubes de golf, especialmente desde el comienzo de la tecnología de impresión 3D.

Con la mayor disponibilidad de impresoras 3D de mayor resolución , la impresión 3D ha comenzado a utilizarse para fabricar moldes de sacrificio mucho más grandes que se utilizan en la fundición de precisión. Planetary Resources ha utilizado la técnica para imprimir el molde de un nuevo satélite pequeño , que luego se sumerge en cerámica para formar el molde de precisión para un autobús espacial de titanio con tanque de combustible integrado y cableado integrado.

Véase también

Referencias

Notas

  1. ^ Descripción del proceso de fundición de inversión
  2. ^ Kalpakjian y Schmid 2006.
  3. ^ Fundiciones de inversión
  4. ^ "Fundición a la cera perdida" . Consultado el 10 de octubre de 2017 .
  5. ^ abcdef Degarmo, Black y Kohser 2003, pág. 317.
  6. ^ Manual de ASM, pág. 257.
  7. ^ Dvorak, Donna (mayo de 2008), "El arte no tan perdido de la fundición a la cera perdida", Copper in the Arts (13), archivado desde el original el 20 de agosto de 2013 , consultado el 22 de marzo de 2009.
  8. ^ ab Manual de ASM, págs. 257–258.
  9. ^ Sias 2006, págs. 13-14.
  10. ^ ab Manual de ASM, págs. 261–262.
  11. ^ abc Degarmo, Black y Kohser 2003, pág. 318.
  12. ^ "Guía del proceso de fundición de precisión. Texmo Precision Castings". Texmo Precision Castings . Consultado el 27 de febrero de 2019 .
  13. ^ abcdefg Degarmo, Black y Kohser 2003, pág. 319.
  14. ^ "Fundición a la cera perdida". Forcebeyond . Consultado el 30 de marzo de 2021 .
  15. ^ "Minimización de energía y residuos en la industria de fundición de precisión" (PDF) . The American Council for an Energy-Efficient Economy . Consultado el 30 de marzo de 2021 .
  16. ^ "Fundición a la cera perdida". The Open University . Consultado el 30 de marzo de 2021 .
  17. ^ desde Degarmo, Black y Kohser 2003, págs. 319–320.
  18. ^ "Servicios de fundición de contragravedad de Hitchiner". Archivado desde el original el 8 de diciembre de 2015. Consultado el 5 de diciembre de 2015 .
  19. ^ Mitchell, Brian S. (2004), Introducción a la ingeniería y ciencia de materiales para ingenieros químicos y de materiales, Wiley-IEEE, pág. 725, ISBN 978-0-471-43623-2.
  20. ^ Máquina de fundición a presión al vacío VPC K2S , recuperado el 3 de marzo de 2010 .
  21. ^ "Fundición de aleación de níquel".
  22. ^ "División Investcast de Wisconsin". MetalTek . 2014-10-30 . Consultado el 2016-06-09 .
  23. ^ "La larga historia de la fundición a la cera perdida. Más de cinco mil años de arte y artesanía - ITRI - Mercados de estaño, tecnología y sostenibilidad". www.itri.co.uk . Consultado el 9 de junio de 2016 .
  24. ^ "Todo lo que necesita saber sobre la fundición a la cera perdida". www.deangroup-int.co.uk . Consultado el 27 de octubre de 2021 .
  25. ^ Asgar K (1988). "Fundición de metales en odontología: pasado, presente y futuro" (PDF) . Avances en la investigación dental . 1 (2): 33–43. doi :10.1177/08959374880020011701. hdl : 2027.42/67759 . PMID:  3073783. S2CID  : 17215227.
  26. ^ "Karsten Solheim cambió el equipamiento del golf para siempre y también me cambió a mí". 6 de febrero de 2011. Consultado el 3 de febrero de 2019 .

Bibliografía

Enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Fundición de precisión .