Guía completa de fundición de metales: Técnicas, materiales y aplicaciones

¿Qué es la fundición de metales?

La fundición de metales, un proceso de trabajo de metales que involucra metal líquido y un molde, ha existido durante miles de años.

A lo largo de su historia, la fundición de metales se ha usado para fabricar todo, desde espadas hasta turbinas eólicas, y hoy es uno de los métodos más valiosos y versátiles para fabricar piezas de metal de alta calidad.

Esta guía examina los fundamentos de la fundición de metales, incluyendo sus muchas variantes —fundición a presión, microfusión, etc.— y los metales de fundición más comunes.

El proceso de fundición de metales explicado

El proceso central de fundición de metales implica calentar un metal, verterlo en un molde, esperar a que se enfríe y solidifique, y luego retirar la pieza terminada del molde. En la realidad, puede haber muchas más etapas en el proceso, y los diferentes procesos de fundición de metales funcionan de manera diferente.

Lo siguiente es una visión simplificada del proceso de fundición de metales. Tenga en cuenta que algunos pasos varían para diferentes variantes de fundición, mientras que otros se omiten por completo.

1. Fabricación del modelo (patrón): Al principio, muchos procesos de fundición de metales requieren la fabricación de un modelo, un duplicado de la pieza final que se usa para hacer el molde. Los modelos pueden ser permanentes o desechables, y pueden hacerse de materiales como cera, madera y plástico.
2. Fabricación del núcleo: Para la fundición de piezas huecas, puede ser necesario diseñar un núcleo, una pieza sólida de material colocada dentro de la cavidad del molde que da forma a la geometría interior de una pieza fundida. (Por ejemplo, un núcleo cilíndrico dentro de un molde cilíndrico mayor producirá una pieza fundida en forma de tubo.)
3. Fabricación del molde: Los moldes se hacen de diferentes formas según el proceso. Por ejemplo, moldes metálicos permanentes pueden hacerse usando una máquina CNC, mientras que moldes de arena se hacen aplicando una mezcla de arena al exterior de un modelo. La práctica de fabricar moldes se conoce como moldeo y es una disciplina especializada.
4. Llenado del molde: El metal se calienta hasta que se funde, luego se vierte o fuerza en el molde. En la fundición por gravedad, por ejemplo, el material fundido se vierte hacia abajo en la cavidad; en la fundición a presión alta, se fuerza en la cavidad a alta presión, con altas fuerzas de cierre requeridas para mantener el molde seguro.
5. Extracción de la pieza: Una vez que la pieza fundida se ha enfriado y solidificado, se retira del molde. Para procesos como fundición en arena, esto significa que el molde debe destruirse para llegar a la pieza interior; para moldes permanentes, las dos mitades del molde metálico se separan y están listas para usarse de nuevo.
6. Post-procesado: Las piezas de metal fundido pueden requerir limpieza —para eliminar restos del molde, por ejemplo— u otros pasos de post-procesado antes de estar listas para uso.

Ventajas de la fundición de metales

Hay numerosas razones para elegir la fundición de metales sobre otras opciones de trabajo de metales como forjado o mecanizado CNC. Algunos de los beneficios clave incluyen:

• Apta para producción en masa
• Puede producir piezas enormes y pesadas
• Puede producir piezas de paredes muy gruesas
• Apta para piezas grandes de una sola pieza (en lugar de componentes ensamblados)
• Excelentes cualidades de cojinete
• Ideal para algunas aleaciones ligeras
• Versatilidad de materiales

Limitaciones de la fundición de metales incluyen defectos inevitables, precisión dimensional limitada (comparada con ej. mecanizado CNC), intensidad de mano de obra y cantidades mínimas de pedido típicamente altas.

Principales tipos de fundición de metales

Fundición a presión (Die casting)

Uno de los tipos más importantes de fundición de metales para piezas intrincadas y detalladas, la fundición a presión usa dos matrices de acero para herramientas reutilizables como utillaje. El proceso es similar al moldeo por inyección de plástico: el material fundido se fuerza en la cavidad a alta presión, lo que permite a los ingenieros fabricar piezas con detalles finos.

El coste de crear matrices personalizadas es alto, lo que hace que el proceso sea más común en producción en masa. Una vez fabricadas, sin embargo, estas matrices pueden usarse muchas veces. Las fundiciones a presión tienden a tener un excelente acabado superficial.

La fundición a presión de aluminio y magnesio se emplean ampliamente para piezas de alta calidad.

Fundición por gravedad (Gravity casting)

Al igual que la fundición a presión, la fundición por gravedad es una forma de fundir metal usando un molde metálico reutilizable. Sin embargo, la fundición por gravedad se basa en fuerzas gravitatorias para mover el metal líquido a través del molde, de arriba a abajo, en lugar de presión. Los moldes deben precalentarse antes de la primera fundición y a menudo se hacen de hierro fundido debido a su baja fatiga térmica.

La fundición por gravedad precede a todas las demás técnicas de fundición de metales, con piezas fundidas por gravedad existiendo desde milenios. Es una forma de fundición en molde permanente; alternativas al proceso de fundición por gravedad incluyen presión de gas y vacío.

Microfusión (Investment casting / Lost wax casting)

La microfusión o fundición a la cera perdida es una forma de fundir metal usando un modelo y molde desechables: ambos elementos se destruyen durante el proceso de fundición (aunque la cera fundida a menudo puede reutilizarse).

Al igual que la fundición por gravedad, la microfusión tiene miles de años. Durante el proceso de fundición a la cera perdida, un modelo se hace de cera o material equivalente —a veces a mano, a veces usando una impresora 3D de resina— antes de verter un material refractario alrededor del modelo para hacer el molde.

La inversión es la capa cerámica aplicada alrededor del modelo que luego funciona como molde para el metal fundido. Esta capa cerámica se elimina en un proceso llamado desinversión.

Fundición en arena (Sand casting)

La fundición en arena es un método simple, centenario, de fundir metal y es más asequible que técnicas alternativas. Usa arena (mezclada con material aglutinante como arcilla) como material de molde, y los moldes son capaces de soportar alto calor.

En el proceso de fundición en arena, un modelo se sumerge en arena contenida dentro de una caja especial llamada caja de moldeo (flask). Al compactar la arena alrededor del modelo, se puede hacer un molde en el que se puede verter metal fundido.

La arena usada en el proceso de fundición de metales puede ser arena verde (arcilla húmeda) o arena de aire (arena seca con adhesivo).

Otros procesos de fundición

Hay docenas más de procesos de fundición de metales usados en fabricación, incluyendo moldeo de arcilla y moldeo de carcasa —ambos procesos de molde desechable— y procesos de molde permanente como fundición centrífuga y fundición continua.

Presión de fundición: ¿alta o baja?

La fundición a presión de metales es un valioso proceso de trabajo de metales, y puede dividirse en dos categorías más: fundición a presión alta y fundición a presión baja. Elegir la presión correcta depende de factores como material, espesor de pared y tamaño de pieza.

La fundición a presión alta es una técnica más común que la fundición a presión baja, y se usa más del doble de a menudo.

Ideal para aleaciones blandas como aluminio y zinc, la fundición a presión alta implica forzar el metal líquido en el molde a alta presión y alta velocidad, requiriendo una prensa potente para mantener el molde cerrado. El proceso es, por tanto, más caro que la fundición a presión baja.

Ventajas de la fundición a presión alta:

• Producción rápida
• Paredes delgadas posibles
• Acabado superficial liso
• Contracción mínima

La fundición a presión baja es una forma más lenta de fundición a presión que fuerza el metal fundido en el molde más suavemente. Es adecuada para aleaciones con puntos de fusión bajos. Aunque más lenta que la fundición a presión alta, el proceso de fundir metal a baja presión es adecuado para geometrías complejas y puede producir piezas muy fuertes.

Ventajas de la fundición a presión baja:

• Piezas fuertes
• Geometrías complejas

Metales fundibles

Una variedad de metales son aptos para el proceso de fundición. Sin embargo, los tres materiales de fundición más comunes aceptados por 3ERP son aluminio, zinc y magnesio.

Fundición de aluminio

La fundición de aluminio es el medio más extendido de conformar aluminio. Se usa para fabricar artículos como piezas industriales y de automoción como transmisiones y motores de aleaciones como A380 y A383.

Hay unas pocas formas de realizar fundición de aluminio. La fundición a presión de aluminio es excelente para producción de alto volumen debido a su velocidad y excelente acabado superficial; la fundición en molde permanente es apta para piezas de aluminio de resistencia extra; y la fundición en arena es apropiada para fundición de aluminio de pequeñas cantidades y geometrías intrincadas.

Independientemente del proceso de fundición, la fundición de aluminio produce piezas fuertes y ligeras y es, por tanto, altamente versátil.

Fundición de zinc

Las aleaciones de zinc son populares, asequibles y ampliamente disponibles metales aptos para fundición. La fundición de zinc típicamente implica fundición a presión alta, permitiendo altas tasas de producción y requisitos mínimos de post-procesado.

Debido a la alta fluidez de fundición del zinc, la fundición de zinc puede resultar en piezas con paredes muy delgadas y detalles finos. El zinc también puede conformarse en frío para mejor unión.

Los fabricantes pueden elegir entre aleaciones de zinc ZAMAK o aleaciones zinc-aluminio (ZA). Piezas de zinc fundido incluyen componentes de automoción, piezas de aire acondicionado y componentes electrónicos.

Fundición de magnesio

La fundición —en particular la fundición a presión alta— es con mucho el proceso de trabajo de metales más común para fabricar piezas de magnesio, representando alrededor del 98% de la producción de piezas de magnesio.

Como el magnesio es el más ligero de todos los metales estructurales, es ideal para aplicaciones de aligerado. Otras ventajas de la fundición de magnesio incluyen paredes muy delgadas, excelente detalle y buena relación rigidez-peso.

En pequeñas cantidades, las piezas de magnesio también pueden hacerse usando fundición en yeso, aunque la fundición a presión de magnesio es la mejor para aplicaciones profesionales.

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