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. 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 tempranas, se utilizaba cera de abejas para formar los patrones necesarios para el proceso de fundición. Hoy en día, se utilizan 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. 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.

El método de fundición a la cera perdida con vidrio soluble y con sol de sílice son los dos métodos principales de fundición a la cera perdida que se utilizan actualmente. Las principales diferencias son la rugosidad de la superficie y el coste de la fundición. El método de vidrio soluble desparafina en agua a alta temperatura y el molde de cerámica está hecho de arena de cuarzo con vidrio soluble. El método de sol de sílice desparafina en el fuego instantáneo y la arena de circón con sol de sílice hace el molde de cerámica. El método de sol de sílice cuesta más, pero tiene una mejor superficie que el método de vidrio soluble.

El proceso se puede utilizar tanto para piezas pequeñas de unas pocas onzas como para piezas grandes de 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 volúmenes grandes. 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 superficiales excepcionales y tolerancias bajas con un acabado superficial o mecanizado mínimo requerido.

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 de cera, arcilla, madera, plástico u otro material. En los últimos años la producción de patrones utilizando la impresión 3D de modelos producidos por software de diseño computadorizado se ha vuelto popular utilizando principalmente impresoras Stereolithography (SLA) o DLP 3D para patrones de alta resolución o filamento PLA estándar cuando no se requieren altos niveles de precisión. Si el uso de un patrón impreso en 3D procede directamente al paso 5.
2. Crear un molde: Un molde conocido como maestro muere, está hecho para adaptarse al patrón maestro. Si el patrón maestro fue hecho de acero, el maestro muere se puede fundir directamente del patrón utilizando metal con un punto de fusión inferior. Los moldes de goma también se pueden fundir directamente desde el patrón maestro. Alternativamente, un maestro muere se puede mecanizar de forma independiente sin crear un patrón maestro.
3. Producir patrones de cera: Aunque se llama patrones de cera, los materiales de patrón también pueden incluir mercurio plástico y congelado. Los patrones de cera se pueden producir de una de dos maneras. En un proceso, la cera se vierte en el molde y gira alrededor hasta un revestimiento uniforme, generalmente alrededor de 3 mm (0.12 in) de espesor, cubre la superficie interior del molde. Esto se repite hasta que se alcance el espesor del patrón deseado. Otro método implica llenar todo el molde con cera fundida y dejarla enfriar como un objeto sólido.
   Si se requiere un núcleo, hay dos opciones: cera soluble o cerámica. Los núcleos de cera son diseñados para fundir el recubrimiento de inversión con el resto del patrón de cera; los núcleos cerámicos se eliminan después de que el producto se haya endurecido.
4. Assemble patrones de cera: Múltiples patrones de cera se pueden crear y ensamblar en un patrón grande para ser lanzado en un solo vertedero. En esta situación, los patrones se adjuntan a un brote de cera para crear un grupo de patrones, o árbol. Para fijar patrones, una herramienta de calefacción se utiliza para fundir ligeramente superficies de cera designadas, que luego se presionan entre sí y se deja enfriar y endurecer. Tantos como varios cientos de patrones se pueden montar en un árbol. Los patrones de cera también pueden ser Perseguido, lo que significa que las líneas de separación o los flashes se frotan usando la herramienta de metal calentado. Por último, los patrones son vest vest vestida vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vestida vest vest vest vest vest vest vest vest vestida vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vestida vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vestida vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest vest (removiendo imperfecciones) para parecer piezas terminadas.
5. Aplicar materiales de inversión: El molde cerámico, conocido como inversión, se produce repitiendo una serie de pasos —cocción, estuco y endurecimiento— hasta que se alcance un espesor deseado.
   1. Coating implica cortar un cúmulo de patrón en una mezcla de material refractario fino y luego drenar para crear un revestimiento de superficie uniforme. Los materiales finos se utilizan en este primer paso, también llamado un primer abrigo, para preservar detalles finos del molde.
   2. Stuccoing Aplica partículas de cerámica gruesas mediante patrones de inmersión en una cama fluidificada, colocandola en una capa de lluvia o aplicando materiales a mano.
   3. Hardening permite curar los revestimientos. Estos pasos se repiten hasta que la inversión alcance su grosor requerido, por lo general de 5 a 15 mm (0,2 a 0,6 en). Los moldes de inversión quedan para secar completamente, lo que puede tardar de 16 a 48 horas. El secado se puede acelerar aplicando un vacío o minimizando la humedad ambiental. Los moldes de inversión también se pueden crear colocando los racimos de patrón en un frasco y luego vertiendo material de inversión líquida desde arriba. El frasco se vibra para permitir que el aire atrapado escape y ayudar al material de inversión a llenar cualquier pequeño vacío.
   4. Materiales: materiales refractarios comunes utilizados para crear las inversiones son: silica, zircon, varios silicatos de aluminio y alumina. La sílice se utiliza generalmente en la forma de sílice fundida, pero a veces se utiliza cuarzo porque es menos costoso. Los silicatos de aluminio son una mezcla de alumina y sílice, donde las mezclas de uso común tienen un contenido de alumina de 42 a 72%; al 72% de alumina el compuesto se conoce como mullita. Durante los refractarios basados en zircones primarios se utilizan comúnmente, porque el zirconio es menos probable que reaccione con el metal fundido. Antes de silica, se utilizó una mezcla de yeso y mohos viejos (chamotte). Los binders utilizados para mantener el material refractario en su lugar incluyen: silicato de etilo (basado en alcohol y químicamente fijado), sílice coloidal (basado en agua, también conocido como sol de sílice, fijado por secado), silicato de sodio, y un híbrido de estos controlados para pH y viscosidad.
6. Dewax: Una vez que los moldes cerámicos se han curado completamente, se vuelven hacia abajo y se colocan en un horno o autoclave para fundir y/o vaporizar la cera. La mayoría de las fallas de cáscara ocurren en este punto porque las ceras utilizadas tienen un coeficiente de expansión térmica que es mucho mayor que el material de inversión que lo rodea, ya que la cera se calienta se expande e introduce estrés. Para minimizar estas tensiones la cera se calienta lo más rápidamente posible para que las superficies exteriores de cera puedan fundirse y drenarse rápidamente, haciendo espacio para que el resto de la cera se expanda. En ciertas situaciones, los agujeros pueden perforarse en el molde antes de la calefacción para ayudar a reducir estas tensiones. Cualquier cera que salga del molde se recupera y se reutiliza.
7. Precalentamiento de Burnout: El molde se somete luego a un Quemadura, que calienta el molde a entre 870 °C y 1095 °C para eliminar cualquier humedad y cera residual, y para sinter el molde. A veces esta calefacción también se utiliza para precalentar el molde antes de vertido, pero otras veces se permite que el molde se enfríe para que pueda ser probado. Precalentar permite que el metal permanezca líquido más largo para que pueda rellenar mejor todos los detalles del molde y aumentar la precisión dimensional. Si el molde se deja enfriar, las grietas encontradas pueden ser reparadas con cereza cerámica o cementos especiales.
8. Posición: El molde de inversión se coloca al lado abierto en una bañera llena de arena. El metal puede ser la gravedad vertido o forzado aplicando presión de aire positiva u otras fuerzas. Fundición de vacío, fundición de inclinación, vertido asistido por presión y fundición centrífuga son métodos que utilizan fuerzas adicionales y son especialmente útiles cuando los moldes contienen secciones delgadas que de otro modo serían difíciles de llenar.
9. Divesting: La cáscara está martillada, mediática volada, vibrada, chorrada de agua o disuelta químicamente (a veces con nitrógeno líquido) para liberar la fundición. El estribo se corta y se recicla. La fundición puede entonces ser limpiada para eliminar los signos del proceso de fundición, generalmente por la molienda.
10. Acabado: Después de la molienda, la fundición completa está sujeta a acabado. Esto generalmente va más allá de la molienda, con impurezas y negativos que se eliminan mediante herramientas de mano y soldadura. En el caso de que la parte necesite un enderezo adicional, este proceso se realiza generalmente por prensas hidráulicas de enderezo, que armonizan el producto con sus tolerancias.

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  La cáscara de inversión para fundir un rotor turbocargador
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  Una vista de la inversión interior muestra el acabado de superficie lisa y el alto nivel de detalle
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  La pieza de trabajo completa

• Excelente acabado superficial
• Alta precisión dimensional
• Las partes extremadamente intrincadas son fundibles
• Casi cualquier metal puede ser fundido
• No hay líneas flash o partiendo
• Utilización efectiva del metal
• Menos riesgos ambientales del proceso de fundición

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:

• Puede ser difícil lanzar objetos que requieran núcleos.
• Este proceso es caro, generalmente se limita a la pequeña fundición, y presenta algunas dificultades donde se involucran los núcleos.
• Los agujeros no pueden ser menores de 1/16 pulg. (1.6 mm) y no deben ser más profundos que 1,5 veces el diámetro.
• Las inversiones requieren ciclos de producción más largos en comparación con otros procesos de fundición.
• Hay muchos factores de proceso que afectan la calidad del molde y la fundición, por lo que el sistema de gestión de calidad es desafiante.

La variación de la técnica de vertido por gravedad consiste en llenar el molde mediante vacío. Una forma común de esto 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 baja hasta el interior del material fundido. El vacío hace que el material fundido entre en 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 compuertas se solidifiquen.

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 intrincado interior del molde. Finalmente, se pueden utilizar temperaturas más bajas, lo que mejora la estructura del grano.

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

La colada a presión al vacío (VPC), también conocida como colada directa asistida por vacío, utiliza presión de gas y vacío para mejorar la calidad de la colada 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 colada inferior, que alberga el molde de inversión. Ambas cámaras están conectadas a través de un pequeño orificio que contiene un tapón. Se hace vacío en la cámara inferior, mientras que se aplica presión en la superior y luego se quita el tapón. Esto crea la mayor diferencia de presión para llenar los moldes. Los materiales más comunes para el proceso de colada al vacío son las aleaciones con alto contenido de níquel y las superaleaciones. Los productos con turbocompresor son aplicaciones comunes para este proceso de colada, aunque también se utiliza habitualmente en la fabricación de joyas de plata y oro.

La fundición a la cera perdida 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. 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.

La historia de la fundición a la cera perdida se remonta a miles de años. Su uso más antiguo fue para ídolos, adornos y joyas, utilizando cera de abejas natural para los patrones, arcilla para los moldes y fuelles operados manualmente para alimentar los 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, el México azteca y maya, y la civilización de Benín en África, donde el proceso produjo obras de arte detalladas de cobre, bronce y oro. Sin duda, uno de los primeros usos identificados del proceso de fundición a la cera perdida se observó en los objetos encontrados en la "Cueva del Tesoro", descubierta en el sur de Israel. Se identificó que estos artículos fueron fabricados alrededor del 3700 a. C. utilizando técnicas de datación por carbono-14.

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 a la cera perdida comenzó a utilizarse como un proceso industrial moderno a fines del siglo XIX, cuando los dentistas comenzaron a utilizarla para hacer coronas e incrustaciones, como lo describió Barnabas Frederick Philbrook de Council Bluffs, Iowa, en 1897. Su uso fue acelerado por William H. Taggart de Chicago, cuyo artículo de 1907 describió su desarrollo de una técnica. También formuló un compuesto de cera para patrones de 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.

La fundición a la cera perdida se utiliza en las industrias aeroespacial y de generación de energía para producir álabes de turbinas con formas complejas o sistemas de refrigeración. Los álabes producidos mediante fundición a la cera perdida 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.

Karsten Solheim revolucionó el diseño de palos de golf a través de su empresa PING al incorporar por primera vez la fundición de precisión para las cabezas de los palos. 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 a presión estándar incluyen la militar, la aeroespacial, la médica, la joyería, las aerolíneas, la automotriz y los palos de golf, especialmente desde el comienzo de la tecnología de impresión 3D.

Con la creciente 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.

• Montaje de alta gama
• Montaje de espuma perdida

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