Fundición en molde permanente

La fusión en molde permanente es un proceso de fundición de metales que emplea moldes reutilizables («moldes permanentes»), generalmente hechos de metal. El proceso más común utiliza la gravedad para llenar el molde; sin embargo, también se utiliza presión de gas o vacío. Una variante del proceso típico de fundición por gravedad, llamada fusión en masa, produce piezas fundidas huecas. Los metales de fundición más comunes son las aleaciones de aluminio, magnesio y cobre. Otros materiales incluyen aleaciones de estaño, zinc y plomo, y el hierro y el acero también se funden en moldes de grafito.

Los productos típicos son componentes como engranajes, estrías, ruedas, carcasas de engranajes, accesorios de tuberías, carcasas de inyección de combustible y pistones de motores de automóviles.Existen cuatro tipos principales de fundición en molde permanente: por gravedad, por aguanieve, a baja presión y al vacío.El proceso de gravedad comienza con el precalentamiento del molde a 150–200 °C (302–392 °F) para facilitar el flujo y reducir el daño térmico a la pieza fundida. La cavidad del molde se recubre con un material refractario o un agente de lavado, lo que evita que la pieza se adhiera al molde y prolonga su vida útil. Se instalan los machos de arena o metal y se cierra el molde con abrazaderas. El metal fundido se vierte en el molde. Poco después de la solidificación, se abre el molde y se retira la pieza fundida para reducir el riesgo de roturas por calor. El proceso se reinicia, pero no se requiere precalentamiento, ya que el calor de la pieza anterior es adecuado y el recubrimiento refractario debería durar varias piezas. Dado que este proceso suele realizarse en grandes series de producción, se utiliza equipo automatizado para recubrir el molde, verter el metal y retirar la pieza fundida.El metal se vierte a la temperatura más baja posible para minimizar las grietas y la porosidad. La temperatura de vertido puede variar considerablemente según el material de fundición; por ejemplo, las aleaciones de zinc se vierten a aproximadamente 370 °C (698 °F), mientras que el hierro gris se vierte a aproximadamente 1370 °C (2500 °F).Los moldes para el proceso de fundición constan de dos mitades. Generalmente se fabrican con fundición gris, ya que ofrece la mejor resistencia a la fatiga térmica, pero también se pueden utilizar otros materiales como el acero, el bronce y el grafito. Estos metales se eligen por su resistencia a la erosión y a la fatiga térmica. Suelen ser sencillos, ya que el molde no ofrece colapsabilidad para compensar la contracción. En cambio, el molde se abre en cuanto la pieza se solidifica, lo que evita desgarros por calor. Se pueden utilizar machos, generalmente hechos de arena o metal.Como se mencionó anteriormente, el molde se calienta antes del primer ciclo de fundición y luego se utiliza continuamente para mantener una temperatura lo más uniforme posible durante los ciclos. Esto reduce la fatiga térmica, facilita el flujo del metal y ayuda a controlar la velocidad de enfriamiento del metal de fundición.La ventilación suele ocurrir a través de la pequeña grieta entre las dos mitades del molde, pero si esto no es suficiente, se utilizan orificios de ventilación muy pequeños. Son lo suficientemente pequeños como para permitir que escape el aire, pero no el metal fundido. También se debe incluir un tubo de mazarota para compensar la contracción. Esto suele limitar el rendimiento a menos del 60 %.Los expulsores mecánicos en forma de pasadores se utilizan cuando los recubrimientos no son suficientes para retirar las piezas de los moldes. Estos pasadores se colocan a lo largo del molde y suelen dejar pequeñas impresiones circulares en la pieza.La fusión en hueco es una variante del moldeo permanente para crear una fundición hueca o una colección hueca. En este proceso, el material se vierte en el molde y se deja enfriar hasta que se forma una capa. El líquido restante se vierte para dejar una capa hueca. La pieza resultante presenta un buen detalle superficial, pero el espesor de la pared puede variar. Este proceso se utiliza generalmente para fundir productos ornamentales, como candelabros, bases de lámparas y estatuas, a partir de materiales de bajo punto de fusión. Una técnica similar se utiliza para hacer figuras huecas de chocolate para Pascua y Navidad.El método fue desarrollado por William Britain en 1893 para la producción de soldaditos de plomo. Utiliza menos material que la fundición sólida y da como resultado un producto más ligero y económico. Las figuras de fundición hueca suelen tener un pequeño orificio por donde se vertía el exceso de líquido.De manera similar, en la fabricación de tableros de instrumentos de automóviles se utiliza un proceso llamado moldeo por soplado (slush molding) para interiores de paneles blandos con cuero artificial. Este proceso consiste en verter un compuesto plástico en polvo fluido (que se comporta como un líquido), ya sea PVC o TPU, en un molde hueco caliente, formando una película viscosa. A continuación, se drena el exceso de material fundido, se enfría el molde y se retira el producto moldeado.

La fundición en molde permanente de baja presión (LPPM) utiliza un gas a baja presión, generalmente entre 3 y 15 psi (20 y 100 kPa), para impulsar el metal fundido hacia la cavidad del molde. La presión se aplica en la parte superior del depósito de líquido, lo que impulsa el metal fundido hacia arriba por un tubo de colada refractario hasta el fondo del molde. El tubo de colada se extiende hasta el fondo de la cuchara, de modo que el material que se introduce en el molde está excepcionalmente limpio. No se requieren mazarotas, ya que la presión aplicada impulsa el metal fundido hacia adentro para compensar la contracción. Los rendimientos suelen ser superiores al 85 % porque no hay mazarota y el metal en el tubo de colada simplemente regresa a la cuchara para su reutilización.La gran mayoría de las piezas fundidas LPPM se fabrican con aluminio y magnesio, pero algunas son aleaciones de cobre. Entre sus ventajas se incluye una mínima turbulencia al llenar el molde gracias a la presión constante, lo que minimiza la porosidad del gas y la formación de escoria. Las propiedades mecánicas son aproximadamente un 5 % mejores que las de las piezas fundidas en molde permanente por gravedad. La desventaja es que los tiempos de ciclo son más largos que en las piezas fundidas en molde permanente por gravedad.La fundición en molde permanente al vacío conserva todas las ventajas de la fundición LPPM, además de minimizar los gases disueltos en el metal fundido y mejorar aún más su limpieza. El proceso permite trabajar con perfiles de paredes delgadas y proporciona un excelente acabado superficial. Las propiedades mecánicas suelen ser entre un 10 % y un 15 % mejores que las de la fundición en molde permanente por gravedad. El proceso tiene un peso limitado de 0,2 a 5 kg (0,44 a 11,02 lb).Las principales ventajas son el molde reutilizable, el buen acabado superficial, la precisión dimensional y las altas tasas de producción. Las tolerancias típicas son de 0,4 mm para los primeros 25 mm (0,98 pulg.) y de 0,02 mm por cada centímetro adicional (0,002 pulg. por pulg.); si la dimensión cruza la línea de partición, se deben añadir 0,25 mm (0,0098 pulg.) adicionales. Los acabados superficiales típicos son de 2,5 a 7,5 μm (100–250 μpulg.) RMS. Se requiere un ángulo de inclinación de 2 a 3°. Los espesores de pared están limitados a 3 a 50 mm (0,12 a 1,97 pulg.). Los tamaños típicos de las piezas varían de 100 g a 75 kg (varias onzas a 150 lb). Otras ventajas incluyen la facilidad para inducir la solidificación direccional modificando el espesor de la pared del molde o calentando o enfriando partes del mismo. Las rápidas velocidades de enfriamiento que se logran con un molde metálico dan como resultado una estructura de grano más fino que la fundición en arena. Se pueden utilizar núcleos metálicos retráctiles para crear socavones, manteniendo al mismo tiempo un molde de acción rápida.Existen tres desventajas principales: el alto costo de las herramientas, la limitación a metales de bajo punto de fusión y la corta vida útil del molde. Estos altos costos hacen que este proceso sea poco rentable para pequeñas producciones. Cuando se utiliza para fundir acero o hierro, la vida útil del molde es extremadamente corta. Para metales de bajo punto de fusión, la vida útil del molde es mayor, pero la fatiga térmica y la erosión suelen limitarla a entre 10 000 y 120 000 ciclos. La vida útil del molde depende de cuatro factores: el material del molde, la temperatura de vertido, la temperatura del molde y su configuración. Los moldes de fundición gris pueden ser más económicos de producir, pero su vida útil es corta. Por otro lado, los moldes de acero para herramientas H13 pueden tener una vida útil mucho mayor. La temperatura de vertido depende del metal de fundición, pero cuanto mayor sea, menor será la vida útil del molde. Una temperatura de vertido alta también puede provocar problemas de contracción y generar tiempos de ciclo más largos. Si la temperatura del molde es demasiado baja, se producen piezas defectuosas, pero si es demasiado alta, el tiempo del ciclo se prolonga y la erosión del molde aumenta. Las grandes diferencias de espesor en la sección del molde o de la pieza fundida también pueden reducir su vida útil.

• Degarmo, E. Paul; Black, J. T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materiales y Procesos en Fabricación (9a edición), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
• Kalpakjian, Serope; Schmid, Steven (2006), Ingeniería y Tecnología de fabricación (5a ed.), Pearson, ISBN 0-13-148965-8.
• Todd, Robert H.; Allen, Dell K.; Alting, Leo (1994), Manufacturing Processes Reference Guide, Industrial Press Inc., ISBN 0-8311-3049-0.

• Efunda: Fundamentos de Ingeniería
• Artículo sobre el proceso de molde permanente