Fundición a Presión Explicada: Precisión, Eficiencia y Beneficios de Producción

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

Debido a los altos costes iniciales, el proceso se usa típicamente para producción de alto volumen, donde la escala compensa los altos costes de maquinaria y utillaje. Prototipos y tiradas de bajo volumen son más difíciles de obtener, ya que es interés económico de las empresas trabajar con pedidos al por mayor. Sin embargo, 3ERP actualmente ofrece una solución única para clientes que desean pedidos menores.

Este artículo examina en profundidad la fundición a presión metálica, explicando materiales, acabados y aplicaciones adecuados.

¿Qué es la fundición a presión?

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

Dentro del panorama de fundición metálica, la fundición a presión es una de las técnicas más populares por su precisión, alta calidad y nivel de detalle. La categoría de fundición metálica, existente desde hace miles de años, contiene muchos procesos que usan molde para formar metal líquido. Históricamente, solía implicar verter metal líquido en el molde con ayuda de la gravedad —y muchos procesos siguen funcionando así. La fundición a presión, sin embargo, es una forma relativamente nueva, introducida en el siglo XIX, y usa presión en lugar de gravedad para llenar la cavidad.

A veces se llama fundición a presión de alta presión, debido a la presión —típicamente 10–140 megapascales— usada para forzar el metal en la cavidad. El proceso relacionado de fundición a baja presión (LPDC) es menos común. La fundición a presión típicamente cae en dos categorías: cámara caliente y cámara fría, aptas para diferentes metales. También hay tipos más nicho como fundición de metal semisólido (SSM).

Cómo funciona la fundición a presión

En términos simples, la fundición a presión funciona usando alta presión para forzar metal fundido en una cavidad de molde, formada por dos matrices de acero endurecido. Una vez llena, el metal se enfría y solidifica, y las matrices se abren para retirar las piezas. En la práctica, hay muchos pasos e ingenieros cualificados son necesarios para operar el equipo.

Dividiremos el proceso en tres etapas:

1. Fabricación del molde
2. Fundición
3. Post-mecanizado

Cómo fabricar un molde de fundición a presión

Un molde consta de al menos dos mitades: el lado fijo (montado en placa fija) y el lado eyector (en placa móvil). Algunos moldes también tienen secciones como deslizadores y núcleos, para producir piezas más complejas, como las con agujeros y roscas.

Según el tamaño de las piezas, un molde puede tener múltiples cavidades para producir varias piezas por ciclo. Estos moldes tienen varias cavidades idénticas (molde multi-cavidad) o una mezcla de diferentes cavidades para producir diferentes piezas (molde unitario).

El utillaje debe ser increíblemente resistente y térmicamente resistente, además de buena resistencia al desgaste y ductilidad. Se fabrican con aceros para herramientas de alto rendimiento —a menudo tratados térmicamente— permitiendo cientos de ciclos por hora y hasta dos millones en su vida útil. El utillaje debe mantener rendimiento bajo fuerzas de cierre muy altas.

La fabricación del molde empieza con diseño asistido por computadora (CAD) junto con herramientas de simulación y diseño específicas para fundición. Como en moldes de inyección, el utillaje debe tener orificios de entrada (sprue), canales (runners) y compuertas (gates) para permitir la entrada del material fundido. Pines de cierre y eyectores también deben incorporarse para asegurar el molde y facilitar la eyección. El diseño digital permite crear formas complejas y tolerancias ajustadas.

El mecanizado CNC se usa ampliamente para fabricar el utillaje. Típicamente, empieza con mecanizado en bruto de la forma, seguido de tratamiento térmico, y finalmente una ronda de mecanizado de acabado. Moldes de grado prototipo también pueden hacerse con utillaje rápido, usando CNC u otros procesos como sinterizado selectivo por láser (SLS).

Cómo fundir piezas metálicas

Similar al moldeo por inyección, tras la fabricación del molde, las piezas se hacen en la máquina de fundición. El proceso comprende cuatro etapas: preparación, llenado, eyección y desbarbado.

Sin embargo, el proceso varía ligeramente según si se usa cámara caliente o fría. Estas dos variantes ofrecen ventajas diferentes: una es buena para fundición a alta velocidad, la otra admite más materiales.

Fundición en cámara caliente (Hot chamber die casting)

Durante la fundición en cámara caliente, la máquina de fundición a presión contiene el equipo para calentar el metal a estado fundido. Al ser un sistema autocontenido, es mucho más rápido, ofreciendo tiempos de ciclo cortos, aunque solo es apta para una selección de materiales de fundición, incluyendo aleaciones de zinc, estaño y plomo.

Fundición en cámara fría (Cold chamber die casting)

El proceso de fundición en cámara fría requiere un horno separado para calentar el metal. Esto naturalmente ralentiza las tasas de producción, ya que el metal fundido debe llevarse a la máquina con cuchara. Sin embargo, al ser el horno más potente que una máquina de cámara caliente, se pueden fundir metales con puntos de fusión altos. Este método es apto para fundición de aluminio.

Independientemente de cámara caliente o fría, el proceso típicamente procede así:

1. Preparación del molde
2. Llenado
3. Eyección
4. Desbarbado (Shakeout)

Durante la preparación, las superficies interiores de las dos mitades se recubren con lubricante para facilitar la eyección. Las mitades se cierran y aseguran con pines de cierre.

El llenado se logra con un sistema de presión. Este difiere entre cámaras caliente y fría. En ambas, el resultado final es metal fundido forzado por un émbolo en la cavidad a través del sprue. Altas presiones —hasta 35 MPa en cámara caliente y 140 MPa en fría— aseguran llenado rápido y completo, lo que lleva a enfriamiento consistente que previene contracción desigual y deformación. La presión se mantiene durante el enfriamiento.

Las dos mitades se abren y los pines eyectores retiran las fundiciones. Típicamente, los moldes se cierran inmediatamente para el siguiente ciclo. Mientras, las fundiciones pasan a desbarbado, que implica retirar secciones de desecho como sprues, runners y rebaba (fuga de material en la línea de partición). Esto puede lograrse con herramientas manuales, tumbado, o con matriz de recorte hidráulica.

Post-mecanizado

Muchas piezas de fundición a presión requieren operaciones secundarias mínimas. Esto se debe a las altas presiones, que permiten alto detalle y buen acabado. Sin embargo, muchas fundiciones de forma neta o casi neta también requieren mecanizado de precisión para agujeros, roscas y otras características. Algunos metales son más fáciles de mecanizar: magnesio y aluminio, por ejemplo, son muy aptos para post-mecanizado.

Un beneficio secundario del post-mecanizado es la capacidad de usar inspección en máquina del CNC, permitiendo validar las piezas.

Aplicaciones de la fundición a presión

La fundición a presión es un proceso potente y versátil apto para una gama de piezas, desde componentes de motor a carcasas de electrónica. Razones de su versatilidad incluyen su gran área de construcción, gama de materiales, y capacidad para hacer piezas detalladas, repetibles y de pared delgada.

• Automoción: La fundición de aluminio es popular por producir componentes ligeros como cilindros hidráulicos, soportes de motor y cajas de cambios. Zinc para componentes de combustible, freno y dirección asistida; magnesio para paneles y bastidores de asientos.
• Aeroespacial: Como en automoción, proveedores aeroespaciales usan fundición de aluminio para piezas ligeras con alta resistencia a calor y corrosión. Piezas ligeras reducen consumo de combustible.
• Energía: Piezas en petróleo y gas incluyen válvulas, componentes de filtración e impulsores. Piezas de energía renovable como palas de turbinas eólicas también pueden fundirse.
• Electrónica: Prevalente en electrónica para envolventes, carcasas y conectores. Las piezas pueden diseñarse con disipadores incorporados, necesarios para muchos dispositivos. Magnesio para componentes de blindaje RFI EMI de pared delgada; aluminio para componentes LED (típicamente aleación A383).
• Construcción: Usa fundición de aluminio para estructuras grandes como marcos de edificios y ventanas.
• Ingeniería: Equipos de elevación, herramientas de máquina y otros equipos a menudo contienen componentes fundidos.
• Médica: En salud, la fundición puede usarse para componentes de dispositivos de monitorización, sistemas de ultrasonido, etc.

Materiales para fundición a presión

Los fabricantes deben considerar ciertos factores al elegir materiales:

• Si el material es apto para fundición en cámara caliente
• Costes del material
• Costes indirectos (ej. post-procesado extra)
• Propiedades estructurales
• Resistencia
• Peso
• Acabado superficial
• Mecanizabilidad

Todos estos factores deben considerarse al elegir material para piezas o prototipos.

Aleaciones de aluminio para fundición a presión

El aluminio es uno de los principales metales, y sus aleaciones se usan en cámara fría. Típicamente contienen silicio, cobre y magnesio.

Son ligeras y ofrecen buena estabilidad dimensional, buena opción para piezas complejas y de detalle fino. Otras ventajas: buena resistencia a corrosión, temperatura, y conductividad térmica y eléctrica.

Aleaciones comunes:

• 380: Aleación de uso general que balancea fundibilidad con buenas propiedades mecánicas. Usada en gran variedad: soportes de motor, muebles, envolventes electrónicas, marcos, manijas, cajas de cambios, herramientas eléctricas.
• 390: Excelente resistencia al desgaste y vibración. Desarrollada para bloques de motor automotriz; también apta para cuerpos de válvula, impulsores, carcasas de bomba.
• 413: Excelentes propiedades de fundición. Buena hermeticidad a presión; usada en cilindros hidráulicos, piezas arquitectónicas, equipos alimentarios y lácteos.
• 443: La más dúctil; apta para bienes de consumo, especialmente los que requieren deformación plástica post-fundición.
• 518: Dúctil con buena resistencia a corrosión. Usada en herrajes de aeronaves, herrajes ornamentales, componentes de escaleras mecánicas.

Aleaciones de magnesio para fundición a presión

El magnesio es otro material muy popular. Es aún más ligero que el aluminio, con la ventaja de ser altamente mecanizable —aptas para piezas que requieren detalles mecanizados adicionales o acabado mecanizado.

Una ventaja mayor es su aptitud para cámara caliente, haciéndolas más fáciles que metales como aluminio. Otros elementos en aleaciones: aluminio, zinc, manganeso, silicio.

Aleaciones comunes:

• AZ91D: Uso general con buena fundibilidad, resistencia a corrosión y relación resistencia-peso. Aplicaciones: componentes mecánicos y de tren de potencia.
• AM60: Buena fundibilidad, resistencia, amortiguación de vibración y ductilidad. Usada en automoción: bastidores de asientos y paneles.
• Aleaciones de tierras raras AS41B y AE42: Superior resistencia a temperatura, buena resistencia a fluencia, corrosión y ductilidad. Ambas en piezas de motor.

Aleaciones de zinc para fundición a presión

Otra categoría principal son aleaciones de zinc. Fundibles en cámara caliente, el zinc es la opción más amigable para fabricantes y ofrece beneficios como resistencia a impacto, ductilidad, y aptitud para chapado. Por su fundibilidad, resulta en desgaste mínimo del molde.

El zinc es más pesado que aluminio y magnesio y suele alearse con aluminio, cobre y magnesio.

Aleaciones comunes:

• Zamak 3: Aleación de uso general fácil de fundir con excelente estabilidad dimensional. En Norteamérica, más de dos tercios de fundiciones de zinc usan Zamak 3. Ejemplos: ventiladores de techo, componentes de fontanería.
• Zamak 2: Ligeramente más resistente y caro con cobre añadido. A menudo usado para producir utillaje para moldeo por inyección de plástico.
• Zamak 5: Composición similar a Zamak 3 pero mayor resistencia a tracción y menor ductilidad. Popular para piezas automotrices y contrapesos de ruedas.

Otras aleaciones para fundición a presión

Otros materiales incluyen cobre, tombac de silicio, plomo, estaño, y aleaciones zinc-aluminio.

Las aleaciones de cobre exhiben alta resistencia, dureza, resistencia a corrosión, y excelente estabilidad dimensional. Plomo y estaño son muy densos y resistentes a corrosión. Aleaciones zinc-aluminio reconocibles por prefijo ZA; las con menor aluminio pueden fundirse en cámara caliente, pero las con 11% o más típicamente no.

Opciones de acabado para fundición a presión

La fundición a alta presión produce piezas a alto estándar, y las opciones de acabado a menudo pueden mantenerse mínimas. Sin embargo, hay muchas opciones funcionales y cosméticas.

Desbarbado (Deburring)

Un procedimiento estándar es el desbarbado, continuidad de la etapa de shakeout. Implica eliminar imperfecciones del proceso para normalizar apariencia y función sin añadir textura o color específico.

Métodos:

• Desbarbado manual con materiales abrasivos (también automatizable)
• Desbarbado por vibración con rodillos y chorro de arena
• Recorte con matriz de punzón

Opciones de acabado secundario

Tras eliminar imperfecciones con desbarbado (chorro de arena o lijado manual), es posible realizar acabados secundarios para transformar el acabado superficial. Estas técnicas ajustan textura o color.

Acabados secundarios:

• Pulido con equipo manual para alto brillo
• Pintura para alterar color
• Recubrimiento en polvo para alterar color y textura
• Chapado metálico para añadir recubrimiento de otro material, ya sea por razones cosméticas o funcionales (ej. chapar componente electrónico con metal más conductor).

Estrategia para seleccionar un fabricante de fundición a presión

La fundición a presión es un proceso común usado por muchas empresas. Sin embargo, encontrar un fabricante es más difícil que encontrar un mecanizador o proveedor de impresión 3D. Esto es porque se usa típicamente por grandes proveedores para alto volumen.

Para empresas pequeñas y medianas que requieren piezas de fundición, seleccionar fabricante plantea retos. Típicamente, caen en cuatro categorías:

1. Empresas que hacen moldes y piezas pero no ofrecen post-mecanizado
2. Empresas con algunas máquinas CNC pero plazos mucho mayores para post-mecanizado por capacidad limitada
3. Empresas con muchas máquinas CNC para post-mecanizado pero que trabajan casi exclusivamente con grandes empresas y pedidos grandes
4. Empresas de mecanizado CNC que pueden post-mecanizar piezas fundidas pero no pueden hacer moldes ni fundiciones

Claramente, esto dificulta a empresas pequeñas encontrar socio. Si se requiere post-mecanizado, a menudo aceptan los plazos mayores de la segunda categoría.

Pero hay otra opción: trabajar con un socio de fundición pequeño/mediano y un socio de mecanizado dedicado como 3ERP —combinando opciones 1 y 4— permite pedir volúmenes menores con post-mecanizado con plazos sorprendentemente cortos.

En 3ERP, tenemos socios de fundición de confianza para proporcionar servicio integral de fundición y acabado, consiguiendo piezas de calidad fabricadas y entregadas en corto plazo.

Directrices de diseño para fundición a presión

Como la mayoría de procesos, la fundición a alta presión tiene sus propias reglas y restricciones: consideraciones de línea de partición, ángulos de desmoldeo, limitaciones de espesor de pared.

Línea de partición (Parting line)

Una pieza se hace con dos matrices de acero endurecido. La línea donde se encuentran se llama línea de partición, a menudo visible tras fundición como rebaba (flash) —extrusión delgada de material excedente escapado por la línea por fuerza de cierre insuficiente.

Durante el diseño, el diseñador debe hallar ubicación adecuada para la línea, es decir, decidir dónde se partirá el molde. Esto depende de:

• Flujo de material: La entrada para flujo debe estar en la línea para asegurar llenado óptimo.
• Características cosméticas: No deben estar cerca de la línea, ya que pueden obstruirse por compuertas y ventilaciones.
• Post-mecanizado: El área de la línea probablemente requerirá más mecanizado y acabado, así que debe ubicarse para fácil acceso de herramienta.

Pequeñas cantidades de rebaba son inevitables, así que los diseñadores deben prepararse para recortarla tras la eyección.

Espesor de pared (Wall thickness)

Como en otros procesos de fundición y moldeo, las piezas son aptas para espesores consistentes, ya que esto fomenta llenado y enfriamiento consistentes, reduciendo contracción desigual y deformación.

Desmoldeo (Draft)

Las piezas requieren una pequeña cantidad de desmoldeo —lados cónicos de la cavidad— para que puedan eyectarse fácilmente sin dañarlas. Todas las superficies paralelas a la dirección de apertura requieren desmoldeo.

Superficies internas como agujeros sin roscar requieren mayor ángulo que paredes externas (que se encogen naturalmente lejos del interior del molde).

Redondeos y radios (Fillets and radii)

Los redondeos son esquinas internas redondeadas que aumentan la capacidad de carga. También son más fáciles de fabricar que esquinas agudas, así que deben incorporarse como estándar. Usar radio igual en todos los redondeos es preferible a radios variables.

Los radios son esquinas externas redondeadas y juegan función diferente pero igual de importante, mejorando el flujo de metal en la cavidad.

Nervios (Ribs)

Los nervios son pequeñas protrusiones que sirven para aumentar resistencia y rigidez sin recurrir a paredes más gruesas y más material. También mejoran flujo de metal. Nota: los nervios requieren sus propios redondeos y radios para máxima resistencia y flujo.

Con nuestra red de socios de fabricación de confianza, 3ERP ofrece un proceso de fundición a presión integral incluso en bajos volúmenes. Contáctenos para un presupuesto gratuito.