Las herramientas de fundición constituyen la base de la fundición de metales. La fundición de metales es un proceso en el que el metal fundido se vierte en la cavidad de un molde y, tras enfriarse y solidificarse, se obtiene la pieza deseada. Un plan de herramientas bien diseñado puede reducir eficazmente los riesgos de la producción de prueba y es un factor clave para que un proyecto pase sin contratiempos de la fase de prototipado a la producción en serie.
MinHe es un fabricante líder de productos metálicos en China, especializado en piezas metálicas a medida. La fundición de MinHe utiliza principalmente tres procesos de fundición: fundición a baja presión, fundición por gravedad y fundición en arena. Sus productos abarcan una amplia gama de materiales, entre los que se incluyen el aluminio, el hierro, el acero y el cobre. Los diferentes materiales y procesos de fundición requieren diseños de utillaje distintos, por lo que MinHe evalúa cada proyecto de molde basándose en los planos, el volumen de producción y los estándares de calidad para determinar si es adecuado para la fundición de prueba, el mecanizado y la producción en serie.
¿Qué es un molde de fundición?
Un molde de fundición es una herramienta que se utiliza para contener el metal fundido y dar forma a la pieza durante el proceso de fundición. Una vez que el metal fundido entra en la cavidad del molde, llena el espacio definido por este, se enfría y se solidifica.
Por «molde de fundición» se suele entender el cuerpo del molde que da forma directamente a la pieza fundida. El término «utillaje de fundición» tiene un significado más amplio. Además del molde en sí, también puede incluir modelos, cajas de machos, conductos de entrada, conductos de subida, sistemas de ventilación, refrigeración, posicionamiento y expulsión.
Los moldes de fundición pueden adoptar diferentes formas, como moldes desechables, moldes permanentes, moldes de arena, moldes metálicos, moldes de una sola pieza y moldes de varias piezas. Los distintos tipos de moldes suelen estar relacionados con el proceso de fundición, la estructura de la pieza y el volumen de producción.
Tipos de utillaje de fundición en los distintos procesos de fundición
Los distintos procesos de fundición utilizan diferentes tipos de moldes y utillaje, en función del material del molde, la estructura de la pieza y el volumen de producción.
Fundición en arena
La fundición en arena suele recurrir a modelos, cajas de machos y moldes de arena para dar forma a la pieza fundida. Es adecuada para piezas de gran tamaño, la producción de series reducidas o piezas fundidas con cavidades internas complejas.
Entre las herramientas de fundición más habituales se encuentran:
- Modelo: Determina la forma de la pieza fundida dentro del molde de arena y sirve de base para la fabricación de los utillajes de fundición en arena.
- Caja de núcleos: Sirve para fabricar núcleos de arena y está relacionada con las cavidades internas, los canales y la estabilidad del espesor de las paredes.
- Placa de patrón: Mantiene el patrón en su sitio y mejora la eficiencia y la repetibilidad del moldeo.
- Molde de arena: Contiene el metal fundido y da forma al perfil de la pieza fundida, lo que influye en el estado de la superficie y en la estabilidad dimensional.
- Sistema de compuertas y conductos de alimentación: controla el flujo y la alimentación del metal, lo que está relacionado con la contracción, las imperfecciones por enfriamiento y el llenado completo.
Fundición a la cera perdida
La fundición por inversión suele comenzar con la elaboración de modelos de cera mediante un molde de inyección de cera, a lo que le siguen la construcción de la cáscara, la descerado y la colada.
Entre las herramientas de fundición más habituales se encuentran:
- Molde de inyección de cera: determina la consistencia del modelo de cera y es importante para una producción en serie estable.
- Modelo de cera: reproduce la geometría final de la pieza fundida e influye en los detalles de la forma y en las tolerancias dimensionales.
- Montaje del modelo de cera: consiste en disponer varios modelos de cera y el sistema de canalización, lo que influye en la disposición del vertido y en la limpieza posterior.
- Sistema de canalización: controla la trayectoria del metal fundido que entra en la carcasa y está relacionado con el llenado y el control de defectos.
- Herramientas auxiliares para la fabricación de moldes: facilitan el posicionamiento del modelo de cera y la estabilidad del molde, lo que reduce la variación entre lotes.
Fundición por gravedad
La fundición por gravedad suele utilizar moldes metálicos y se aplica a menudo a piezas de aleación de aluminio de volumen medio y bajo, como soportes, tapas de extremo, carcasas, placas de cubierta y bridas.
Entre las herramientas de fundición más habituales se encuentran:
- Molde metálico: Ofrece una capacidad de conformado repetible y está relacionado con la estabilidad dimensional y la calidad de la superficie.
- Cavidad del molde: Determina la forma, el perfil y las dimensiones principales de la pieza fundida.
- Núcleo metálico o de arena: permite crear orificios internos, cavidades o estructuras complejas localizadas.
- Estructura de ventilación: libera el aire y el gas de la cavidad, lo que reduce el riesgo de porosidad por gas y de llenado incompleto.
- Estructura de expulsión: influye en la estabilidad del desmoldeo; un diseño deficiente puede provocar deformaciones o marcas de expulsión.
Colada a baja presión
En la fundición a baja presión se suele utilizar un molde metálico y se introduce el metal fundido en la cavidad desde abajo, a una presión baja controlada. Este tipo de proceso se centra más en el llenado estable, la alimentación, la ventilación y el control de la temperatura del molde.
Entre las herramientas de fundición más habituales se encuentran:
- Molde metálico: Da forma a la pieza fundida y define su estructura principal, y es fundamental para la uniformidad de cada lote.
- Interfaz del tubo ascendente: conecta el conducto de alimentación del metal fundido con la entrada del molde e influye en la estabilidad del llenado.
- Diseño de la entrada: Determina por dónde entra el metal fundido en la cavidad y cómo fluye.
- Sistema de ventilación: reduce el riesgo de que quede aire atrapado y de que se formen poros de gas, especialmente en piezas estancas.
- Canales de refrigeración: controlan la secuencia de solidificación y los puntos calientes, lo que influye en la contracción, la deformación y la vida útil del molde.
- Estructura de expulsión: Facilita la extracción de la pieza fundida y reduce la deformación o los daños localizados.
Fundición a alta presión
La fundición a presión de alta presión utiliza un molde complejo y es adecuada para piezas de gran volumen, de paredes delgadas y de formas complejas.
Entre las herramientas de fundición más habituales se encuentran:
- Matriz fija y matriz móvil: conforman la estructura principal del troquel y determinan el método de apertura del molde y la posición de la línea de separación.
- Cavidad del molde: Determina la forma de la pieza fundida, sus dimensiones principales y los detalles locales.
- Láminas: Forman orificios laterales, socavados o elementos externos complejos.
- Pasadores de expulsión: empujan la pieza fundida fuera del molde; la ubicación de los pasadores influye en el aspecto de la pieza y en el riesgo de deformación.
- Sistema de canales y compuertas: controla la dirección del flujo de metal, la velocidad y la trayectoria de llenado.
- Ranuras de desbordamiento y ventilación: liberan aire y recogen el metal frío en la parte delantera del flujo, lo que reduce la porosidad del gas y el riesgo de cierre en frío.
- Canales de refrigeración: controlan la temperatura del molde, acortan la duración del ciclo y mejoran la estabilidad dimensional.
Funciones de las herramientas de fundición
Las herramientas de fundición no solo dan forma a la pieza, sino que también influyen en las dimensiones, el estado de la superficie, el control de defectos, el margen de mecanizado y la estabilidad de la producción en serie.
Control dimensional
El metal se contrae durante la solidificación y el enfriamiento. En el diseño del molde hay que tener en cuenta la tasa de contracción, la tendencia a la deformación, el ángulo de desmoldeo y el margen de mecanizado.
Si la compensación es insuficiente, la pieza fundida puede presentar desviaciones en la posición de los orificios, un espesor de pared irregular, una planitud deficiente o dimensiones críticas inestables.
Calidad de la superficie
El material del molde, la superficie de la cavidad, la calidad del molde de arena, la línea de separación, la posición del pasador de expulsión y el método de desmoldeo están todos relacionados con el estado de la superficie de la pieza fundida.
Si el molde está desgastado o no se ha mantenido adecuadamente, la pieza fundida puede presentar superficies rugosas, un exceso de rebaba, marcas de desmoldeo visibles o defectos superficiales localizados.
Control de defectos
El diseño de la compuerta, el canal de alimentación, la ventilación y la refrigeración influye en el flujo del metal fundido y en la secuencia de solidificación. Una ventilación deficiente puede aumentar el riesgo de porosidad gaseosa. Una alimentación insuficiente puede provocar cavidades por contracción o porosidad por contracción. Las trayectorias de flujo inadecuadas pueden aumentar la aparición de zonas sin soldadura y el llenado incompleto.
En el caso de las carcasas de aluminio, los cuerpos de las bombas y las piezas sometidas a presión, estos defectos pueden no hacerse visibles hasta después del mecanizado CNC, las pruebas de estanqueidad o el montaje.
Indemnización por mecanizado
Muchas piezas de fundición industrial requieren un mecanizado CNC en superficies críticas, orificios, roscas y referencias de montaje. Durante el diseño del molde, es necesario confirmar las zonas de mecanizado, el margen de mecanizado y las referencias de la pieza de fundición en bruto.
Si el margen de mecanizado es insuficiente, la pieza fundida en bruto puede parecer aceptable, pero aun así no cumplir los requisitos dimensionales o de montaje finales.
Estabilidad de los lotes
En la producción por lotes, el estado del molde influye en las dimensiones de la pieza fundida en bruto, el estado de la superficie y la variación de los defectos. El desgaste del molde, los conductos de ventilación obstruidos, el enfriamiento desigual o los cambios en la estructura de expulsión pueden provocar diferencias entre un lote y otro.
Los proyectos de producción a largo plazo suelen requerir tener en cuenta el mantenimiento de los moldes, las inspecciones periódicas y los planes de reparación necesarios para los mismos.
¿Qué factores determinan el coste de las herramientas de fundición?
El coste de las herramientas de fundición no es fijo. Suele depender del proceso de fundición, la estructura de la pieza, el material del molde, el volumen de producción, los requisitos de inspección y el número de rondas de pruebas y modificaciones.
A la hora de comparar presupuestos, los compradores no deben fijarse únicamente en el coste inicial de las herramientas. También deben valorar si el plan de herramientas es adecuado para una producción estable.
Proceso de fundición
Los distintos procesos de fundición conllevan diferentes costes de utillaje. Los modelos para fundición en arena suelen ser más económicos y resultan adecuados para volúmenes reducidos o piezas de gran tamaño. Los moldes metálicos para la fundición por gravedad y la fundición a baja presión son más caros, pero suelen ofrecer una mejor repetibilidad dimensional y estabilidad en la producción.
Los moldes para fundición a presión suelen ser los más caros y resultan más adecuados para piezas de gran volumen, de paredes finas y de formas complejas.
Tamaño de la pieza
Cuanto más grande es la pieza, mayor suele ser el molde. Esto aumenta los requisitos en cuanto al material del molde, el equipo de mecanizado y el tiempo de fabricación.
Las piezas fundidas de gran tamaño también pueden requerir operaciones más complejas de elevación, posicionamiento y preparación para la producción de prueba.
Complejidad estructural
Las cavidades profundas, las paredes delgadas, los socavados, las nervaduras complejas y las líneas de separación múltiples aumentan la dificultad del diseño y la fabricación del molde.
Cuanto más compleja es la estructura, mayor es la probabilidad de que haya que realizar ajustes de prueba y modificaciones en el molde.
Cavidades internas y núcleos
Si la pieza de fundición presenta canales internos, orificios o cavidades complejas, suele ser necesario utilizar cajas de machos y machos de arena.
Un mayor número de núcleos de arena implica un posicionamiento más complejo y un mayor riesgo de desplazamiento de los núcleos y de variaciones dimensionales. Esto puede aumentar el coste de las herramientas, así como las dificultades en la validación de las pruebas y el control de calidad.
Material del molde
Los moldes de madera, los de resina, los de aluminio, los de hierro fundido, los de acero y los de acero para herramientas difieren en cuanto a coste, vida útil y flexibilidad de modificación.
Los proyectos de bajo volumen pueden ser más adecuados para materiales de utillaje más económicos y fáciles de modificar. Los proyectos de gran volumen suelen requerir moldes metálicos más duraderos o moldes de fundición a presión.
Volumen de producción
El volumen de producción previsto influye en el nivel de inversión en utillaje. Los proyectos de bajo volumen se centran más en el coste inicial del utillaje, mientras que los de alto volumen se centran más en la vida útil del molde, la eficiencia de la producción, los costes de mantenimiento y la estabilidad a largo plazo.
Si el proyecto cuenta con un plan de suministro a largo plazo, se deben evaluar desde el principio la vida útil de los moldes y los costes de mantenimiento.
Prueba y modificación
Tras la fabricación del molde, suele ser necesario realizar una producción de prueba. Las muestras de prueba deben comprobarse en cuanto a dimensiones, calidad de la superficie, margen de mecanizado y defectos.
En el caso de las piezas selladas o que deben mantener la presión, también pueden ser necesarias pruebas de estanqueidad, pruebas de presión u otras inspecciones. Si tras la producción de prueba se detectan desviaciones dimensionales, porosidad por contracción, porosidad por gas, costuras frías o un margen de mecanizado insuficiente, puede ser necesario modificar el molde.
Conclusión
El valor de las herramientas de fundición suele quedar patente tras la producción de prueba. Cuando un plano se convierte en un molde, un modelo o una caja de núcleos, factores como el margen de contracción, las líneas de separación, la colocación de los núcleos, la ventilación y las zonas de mecanizado ya se tienen en cuenta en el plan de producción. Si estos detalles no se revisan cuidadosamente desde el principio, las modificaciones posteriores del molde y los ajustes del proceso pueden verse más limitados.
A medida que siguen aumentando los proyectos de fundición a medida, los utillajes de fundición ya no se limitan a la fabricación tradicional de moldes. Los patrones impresos en 3D, los prototipos rápidos, los utillajes flexibles ajustables, la refrigeración optimizada en los moldes metálicos y los dispositivos de mecanizado o inspección están desempeñando un papel cada vez más importante en la transición del prototipo a la producción en serie.
En el caso de MinHe, la evaluación de los utillajes suele llevarse a cabo junto con la selección del proceso para la fundición a baja presión, la fundición por gravedad y la fundición en arena. El plan definitivo de utillaje debe facilitar la formación de la pieza fundida, el mecanizado posterior a la fundición y el volumen de producción, en lugar de considerarse únicamente como un presupuesto para un único molde.
