Comprender la fundición a presión

Desde bloques de motor hasta manijas de puertas, la fundición a presión es una técnica de producción de metal rápida, precisa y repetible adecuada para piezas grandes o pequeñas. Las piezas de fundición a presión tienen un excelente acabado superficial y el proceso es compatible con una variedad de metales no ferrosos.

Debido a los altos costos iniciales asociados con la fundición a presión, el proceso generalmente se usa para la producción de alto volumen, donde la escala de fabricación compensa los altos costos de maquinaria y herramientas. Los prototipos de fundición a presión y las series de producción de bajo volumen son más difíciles de obtener, ya que es de interés económico para las empresas de fundición a presión trabajar con clientes que realizan pedidos al por mayor. Sin embargo, 3ERP ofrece actualmente una solución única de fundición a presión para los clientes que deseen realizar pedidos de fundición a presión más pequeños.

Este artículo analiza en profundidad la fundición a presión de metal y explica los materiales adecuados, los acabados superficiales y las aplicaciones para el proceso.

¿Qué es la fundición a presión?

La fundición a presión es un tipo de fundición de metal que utiliza alta presión para forzar el metal fundido dentro de una cavidad de molde formada por dos matrices. Comparte características con el proceso de fabricación de plástico de moldeo por inyección.

Dentro del panorama más amplio de la fundición de metales, la fundición a presión es una de las técnicas más populares debido a su precisión, alta calidad y nivel de detalle. La categoría más amplia de fundición de metales, que existe desde hace miles de años, contiene muchos procesos diferentes que utilizan un molde para formar metal líquido. Históricamente, un proceso de este tipo generalmente implicaba verter el metal líquido en el molde con la ayuda de la gravedad, y muchos procesos de fundición de metales todavía funcionan de esta manera. Sin embargo, la fundición a presión es una forma relativamente nueva de fundición de metal, introducida en el siglo XIX, y utiliza presión en lugar de gravedad para llenar la cavidad del molde.

La fundición a presión a veces se denomina fundición a presión a alta presión, debido a la cantidad de presión, generalmente de 10 a 140 megapascales, utilizada para forzar el metal en la cavidad del molde. El proceso relacionado de fundición a presión a baja presión (LPDC) es menos común. La fundición a presión generalmente se clasifica en una de dos categorías:fundición a presión en cámara caliente y fundición a presión en cámara fría, que son adecuadas para diferentes tipos de metal. Sin embargo, también existen otros tipos de fundición a presión más especializados, como la fundición de metal semisólido (SSM).

Cómo funciona la fundición a presión

En términos simples, la fundición a presión de metal funciona mediante el uso de alta presión para forzar el metal fundido hacia la cavidad del molde, que está formada por dos matrices de acero endurecido. Una vez que se llena la cavidad, el metal fundido se enfría y se solidifica, y los troqueles se abren para que se puedan quitar las piezas. En la práctica, sin embargo, hay muchos pasos en el proceso y se requieren ingenieros calificados para operar el equipo de fundición a presión.

Aquí dividiremos el proceso de fundición a presión en tres etapas:

1. Fabricación de moldes
2. Reparto
3. Mecanizado posterior

Cómo hacer un molde de fundición a presión

Un molde de fundición a presión consta de al menos dos mitades:el lado de la cubierta (montado en una placa fija) y el lado del eyector (en una placa móvil). Algunos troqueles también tienen otras secciones, como correderas y núcleos, que se utilizan para producir piezas más complejas, como aquellas con orificios y roscas.

Según el tamaño de las piezas fabricadas, un molde de fundición a presión puede tener varias cavidades para permitir la producción de varias piezas por ciclo. Dichos moldes tienen varias cavidades idénticas (matriz de múltiples cavidades) o una mezcla de diferentes cavidades para producir diferentes piezas (matriz unitaria).

Las herramientas para fundición a presión deben ser increíblemente fuertes y térmicamente resistentes, además de tener buena resistencia al desgaste y ductilidad. Por lo tanto, están hechos de aceros para herramientas endurecidos de alto rendimiento, a menudo tratados térmicamente, lo que les permite pasar por cientos de ciclos de fundición por hora y hasta dos millones de ciclos durante toda su vida útil. Las herramientas de fundición a presión deben mantener el rendimiento bajo fuerzas de sujeción muy altas.

La fabricación de un molde de fundición a presión comienza con el diseño asistido por computadora (CAD) utilizado junto con herramientas de simulación y diseño específicas de fundición. Al igual que con los moldes de inyección, las herramientas para la fundición a presión deben tener orificios de bebedero, correderas y compuertas para permitir que el material fundido entre en la cavidad. También se deben incorporar pasadores de bloqueo y pasadores expulsores para asegurar el molde y facilitar la expulsión. El diseño digital del molde permite la creación de formas complejas y tolerancias estrechas.

El mecanizado CNC se usa ampliamente para fabricar las herramientas de fundición a presión. Por lo general, la fabricación de moldes de fundición a presión comienza con el mecanizado en bruto de la forma del molde, seguido del tratamiento térmico del molde de metal y, finalmente, una ronda de mecanizado de acabado. Los troqueles de grado prototipo también se pueden fabricar con herramientas rápidas, ya sea con mecanizado CNC u otros procesos como la sinterización selectiva por láser (SLS).

Cómo fundir piezas de metal

Similar al moldeo por inyección, después de la fabricación del molde, las piezas de fundición a presión se pueden fabricar en la máquina de fundición a presión. El proceso de fundición a presión consta de cuatro etapas principales:preparación, llenado, expulsión y desmoldeo.

Sin embargo, el proceso de fundición varía ligeramente dependiendo de si se utiliza una cámara caliente o una cámara fría. Estas dos variantes del proceso de fundición a presión a alta presión ofrecen diferentes ventajas:una es buena para la fundición a alta velocidad, mientras que la otra se adapta a una variedad más amplia de materiales de fundición.

Fundición a presión en cámara caliente

Durante fundición a presión en cámara caliente , el metal máquina de fundición a presión contiene el equipo necesario para calentar el metal hasta un estado fundido. Debido a que es un sistema autónomo, es mucho más rápido que la alternativa y ofrece tiempos de ciclo , aunque solo es adecuado para una selección de materiales de fundición , incluidos zinc, estaño y plomo aleaciones .

Fundición a presión en cámara fría

El proceso de fundición a presión en cámara fría requiere el uso de un horno separado para calentar el metal. Esto ralentiza naturalmente tasas de producción , como el metal fundido debe ser llevado a la máquina de fundición a presión con un cucharón. Sin embargo, debido a que un horno separado es más poderoso que un máquina de fundición a presión de cámara caliente , se pueden moldear metales con puntos de fusión altos. Este método es adecuado para la fundición de aluminio.

Independientemente de si se utiliza una máquina de cámara caliente o de cámara fría, el proceso de fundición a presión de metal suele proceder de la siguiente manera:

1. Preparación de moldes
2. Relleno
3. Expulsión
4. Conmoción

Durante la preparación del molde, las superficies interiores de las dos mitades del molde se recubren con un lubricante para facilitar la expulsión una vez que se completan las piezas fundidas. A continuación, las mitades del troquel se pueden cerrar y asegurar con pasadores de bloqueo.

El llenado del molde se logra mediante un sistema de presión. Este sistema se diferencia entre los sistemas de cámara caliente y cámara fría. En ambos, el resultado final es que un émbolo empuja el metal fundido hacia la cavidad del molde a través del bebedero. Las altas presiones (hasta 35 megapascales en una cámara caliente y 140 megapascales en una cámara fría) aseguran un llenado rápido y completo, lo que a su vez conduce a un enfriamiento uniforme que evita la contracción desigual y la consiguiente deformación de la pieza. La presión se mantiene durante el enfriamiento.

Las dos mitades del troquel se abren y los pasadores de expulsión se utilizan para retirar las piezas fundidas. Por lo general, los troqueles se vuelven a cerrar de inmediato y están listos para el siguiente disparo. Mientras tanto, las piezas fundidas terminadas están listas para el desmoldeo, lo que implica eliminar las secciones de desecho de la granalla, como bebederos, canales y rebabas (filtraciones de material en la línea de partición). Esta eliminación de material se puede lograr usando herramientas manuales, volteando o con un troquel de corte hidráulico.

Mecanizado posterior

Muchas piezas de fundición a presión de metal requieren operaciones secundarias mínimas. Esto se debe a las altas presiones involucradas, que permiten un alto nivel de detalle y un buen acabado superficial. Sin embargo, muchas fundiciones en forma de red y casi en forma de red también requieren un mecanizado de precisión para orificios, roscas y otras características. Algunos metales de fundición son más fáciles de mecanizar que otros:la fundición a presión de magnesio y la fundición a presión de aluminio, por ejemplo, son muy adecuadas para el mecanizado posterior.

Un beneficio secundario de las fundiciones a presión posteriores al mecanizado es la capacidad de utilizar las capacidades de inspección en la máquina de la máquina CNC, lo que permite al maquinista validar las piezas.

Aplicaciones de fundición a presión

La fundición a presión es un proceso potente y versátil adecuado para una variedad de piezas, desde componentes de motores hasta carcasas de componentes electrónicos. Las razones de la versatilidad de la fundición a presión incluyen su gran área de construcción, la gama de opciones de materiales y la capacidad de fabricar piezas detalladas, repetibles y de paredes delgadas.

• Automoción :La fundición a presión de aluminio es popular en la industria automotriz, ya que puede producir componentes livianos como cilindros hidráulicos, soportes de motor y cajas de cambios. La fundición a presión de zinc es adecuada para componentes de combustible, frenos y dirección asistida, mientras que la fundición a presión de magnesio funciona para paneles y armazones de asientos.
• Aeroespacial :Al igual que en la industria automotriz, los proveedores de piezas aeroespaciales utilizan fundición a presión de aluminio para fabricar piezas ligeras que muestran un alto nivel de resistencia al calor y la corrosión. Las piezas ligeras reducen el consumo de combustible.
• Energía :Las piezas de fundición a presión en el sector del petróleo y el gas incluyen válvulas, componentes de filtración e impulsores. Las piezas de energía renovable, como las palas de las turbinas eólicas, también se pueden moldear a presión.
• Electrónica :La fundición a presión prevalece en la electrónica, ya que se utiliza para elementos como carcasas, carcasas y conectores. Las piezas de fundición a presión también se pueden diseñar con disipadores de calor incorporados, que son necesarios para muchos dispositivos. La fundición a presión de magnesio es popular para componentes de blindaje RFI EMI de paredes delgadas, mientras que la fundición a presión de aluminio para componentes de luces LED está muy extendida. (La fundición a presión para la carcasa de LED generalmente usa una aleación como A383).
• Construcción :La industria de la construcción utiliza fundición a presión de aluminio para estructuras grandes como marcos de edificios y marcos de ventanas.
• Ingeniería :Los equipos de elevación, las máquinas herramienta y otros equipos suelen contener componentes fundidos a presión.
• Médico :En el cuidado de la salud, la fundición a presión se puede usar para monitorear componentes de dispositivos, sistemas de ultrasonido y otros artículos.

Materiales de fundición a presión

Los fabricantes deben considerar ciertos factores y variables al elegir los materiales de fundición a presión. Estos incluyen:

• Si el material es adecuado para la fundición a presión en cámara caliente 
• Costos de materiales 
• Costos de materiales indirectos (por ejemplo, cualquier posprocesamiento adicional requerido) 
• Propiedades estructurales del material 
• Fuerza 
• Peso 
• Acabado de superficie 
• Maquinabilidad 

Todos estos factores deben tenerse en cuenta al elegir un material de fundición a presión para piezas o prototipos.

Aleaciones de fundición a presión de aluminio

El aluminio es uno de los principales metales de fundición a presión, y las aleaciones de aluminio se utilizan en la fundición a presión en cámara fría. Estas aleaciones suelen contener silicio, cobre y magnesio.

Las aleaciones de fundición a presión de aluminio son livianas y ofrecen una buena estabilidad dimensional, lo que las convierte en una buena opción para piezas complejas con características finas. Otras ventajas de la fundición de aluminio incluyen buena resistencia a la corrosión, resistencia a la temperatura y conductividad térmica y eléctrica.

Las aleaciones de aluminio de fundición a presión comunes incluyen:

• 380 :Una aleación de aluminio de uso general que equilibra la colabilidad con buenas propiedades mecánicas. Se utiliza en una variedad muy amplia de productos, incluidos soportes de motores, muebles, gabinetes electrónicos, marcos, manijas, cajas de cambios y herramientas eléctricas.
• 390 :Una aleación con excelente resistencia al desgaste y resistencia a la vibración. Fue desarrollado específicamente para la fundición a presión de bloques de motores de automóviles y también es adecuado para cuerpos de válvulas, impulsores y carcasas de bombas.
• 413 :Una aleación de aluminio con excelentes propiedades de fundición. It has good pressure tightness and is therefore used for products like hydraulic cylinders, as well as architectural parts and food and dairy industry equipment.
• 443 :The most ductile of die casting aluminum alloys, this alloy is suitable for consumer goods, especially those that require plastic deformation after casting.
• 518 :A ductile aluminum alloy with good corrosion resistance. It is used in a variety of products, including aircraft hardware fittings, ornamental hardware, and escalator components.

Magnesium die casting alloys

Magnesium is another very popular die casting material. It is even lighter than aluminum, with the added advantage of being highly machinable — making it suitable for cast parts that require additional machined details or machined surface finishing.

A major advantage of magnesium die casting alloys is their suitability for hot-chamber die casting, making them easier to use than die casting metals like aluminum. Other elements in magnesium alloys include aluminum, zinc, manganese, and silicon.

Common magnesium die casting alloys include:

• AZ91D :A general-purpose alloy with good castability, corrosion resistance, and strength-to-weight ratio. Applications include mechanical and power-train components.
• AM60 :An alloy with good castability, strength, vibration dampening, and ductility. It is used in automotive components such as seat frames and panels.
• Rare earth alloys AS41B and AE42 :Alloys with superior temperature resistance, as well as good creep resistance, corrosion resistance, and ductility. Both alloys are found in engine parts.

Zinc die casting alloys

Another major category of die casting metals is zinc alloys. Castable in a hot-chamber die casting machine, zinc casting is the most manufacturer-friendly die casting option and offers other benefits like impact strength, ductility, and suitability for plating. Due to its castability, it also results in minimal die wear.

Zinc is heavier than aluminum and magnesium and is usually alloyed with aluminum, copper, and magnesium.

Common zinc die casting alloys include:

• Zamak  3 :A general-purpose zinc alloy that is easy to cast and offers excellent dimensional stability. In North America, more than two thirds of zinc die castings use Zamak 3. Example uses include ceiling fans and plumbing components.
• Zamak 2 :A slightly stronger and more expensive alloy with added copper content. This zinc casting alloy is often used to produce tooling for plastic injection molding.
• Zamak 5 :A zinc alloy close in composition to Zamak 3 but with greater tensile strength and lower ductility. Popular for products like automotive parts and wheel balancing weights.

Other die casting alloys

Other die casting materials include copper, silicon tombac, lead, and tin alloys, in addition to zinc-aluminum alloys.

Copper alloys exhibit high strength, hardness, and corrosion resistance, in addition to excellent dimensional stability. Meanwhile lead and tin alloys are very dense and can be resistant to corrosion. Zinc-aluminum alloys are recognizable by the ZA prefix; those with a lower aluminum content can be hot-chamber die cast, but those with 11% or more typically cannot.

Die casting finishing options

High-pressure die casting produces parts to a high standard, and finishing options can often be kept to a minimum. However, there are many functional and cosmetic finishing options available for die casting parts.

Deburring

A standard finishing procedure is deburring, which can be thought of as a continuation of the shakeout stage. Deburring involves the removal of imperfections caused by the manufacturing process and is deployed to normalize the appearance and function of the part without adding any specific texture or color.

Methods of deburring include:

• Manual deburring with abrasive materials (can also be automated)
• Vibration deburring with tools like rollers and sandblasting
• Trimming with a punch die

Secondary finishing options

Once imperfections have been removed from the metal die casting parts using a deburring process like sandblasting or manual sanding, it is possible to perform secondary finishing options to transform the surface finish of the castings. These finishing techniques adjust the texture or color of the die casting parts.

Secondary die casting finishes include:

• Polishing with manual equipment to achieve a high-shine finish
• Painting to alter the color of the castings
• Powder coating to alter the color and texture of the castings
• Metal plating to add a surface coating of a different material, either for cosmetic or functional purposes (e.g. plating an electronic component with a more electrically conductive metal).

Strategy for selecting a die casting manufacturer

Die casting is a common manufacturing process used by a broad range of companies. However, finding a die casting manufacturer is much more difficult than finding, for example, a machinist or 3D printing service provider. This is because die casting is typically used by large parts suppliers for high-volume production.

For small and medium-size companies that require metal die casting parts, selecting a die casting manufacturer poses challenges. Typically, manufacturers in this domain will fall into one of the following four categories:

1. Die casting companies that make die casting molds and die casting parts but do not offer post-machining
2. Die casting companies with a few CNC machines but who stipulate much longer lead times for post-machined parts due to their limited machining capacity
3. Die casting companies with a large number of CNC machines for post-machining but who work almost exclusively with large companies placing large orders
4. CNC machining companies who can carry out post-machining of die casting parts but who cannot themselves make die casting molds or die casting parts

Clearly, this makes it hard for smaller companies to find a die casting partner. If post-machining is required, such companies often accept the longer lead times offered by the second category of die casting partner.

But there is another option:by working with a small or medium-size metal die casting partner and a dedicated machining partner like 3ERP — combining options 1 and 4, in effect — companies can order smaller volumes of die casting parts with post-machining with surprisingly short lead times.

At 3ERP, we have a selection of trusted die casting partners with whom we work to provide a seamless casting and finishing service, getting quality cast parts manufactured and delivered in a short timeframe.

Die casting design guidelines

As with most manufacturing processes, high-pressure die casting comes with its own set of design rules and constraints. These include parting line considerations, draft angles, and wall thickness limitations.

Parting line

A die casting part is made using two hardened steel dies. The line where the two dies meet is called the parting line, and this line is often visible after casting in the form of flash — a thin extrusion of excess material that has escaped the cavity at the parting line due to insufficient clamping force.

During die casting design, the designer must find a suitable location for the parting line, i.e. decide where the mold will be split in half. Doing so depends on several factors, including:

• Material flow:The inlet for metal flow must be located along the parting line to ensure optimal filling of the mold cavity.
• Cosmetic features:Cosmetic features should not be located near the parting line, since they may be obstructed by gates and vents.
• Post-machining:The parting line area of the casting will likely require the most machining and finishing, so it should be located to provide easy machine tool access.

Small amounts of flash are inevitable, so designers should prepare for the necessity of trimming it after the casting is removed from the mold.

Wall thickness

As with other casting and molding processes, die casting parts are suited to consistent wall thicknesses, as this encourages consistent filling and cooling of the metal castings, reducing the likelihood of uneven shrinkage and warping.

Draft

Metal die casting parts require a small amount of draft — tapered sides of the mold cavity — so the castings can be easily ejected from the dies without damaging them. All surfaces parallel with the die opening direction require draft.

Inner surfaces like untapped holes require a greater draft angle than external walls (which naturally shrink away from the inside of the mold).

Fillets and radii

Fillets are rounded internal corners that increase the load-bearing capacity of die castings. They are also easier to manufacture than sharp internal corners, so should be incorporated into die casting designs as standard. Using an equal radius across fillets is preferable to fillets with varying radii.

Radii are rounded external corners and play a different but equally important function, helping to improve metal flow in the mold cavity.

Ribs

Ribs are small protrusions from the die casting part that serve to increase strength and stiffness without resorting to thicker walls and increased material usage. They also improve metal flow. Note that ribs require their own fillet and radius considerations for maximum strength and flow.

With our network of trusted manufacturing partners, 3ERP offers a comprehensive die casting process even in low volumes. Contáctenos para una cotización gratis.