Fundición a la cera perdida: Precisión y producción rentable

Moldes de cera perdida de un solo uso crean productos de precisión con superficies más finas

¿Qué es la fundición a la cera perdida?

La fundición a la cera perdida, a menudo denominada "fundición a la cera perdida", usa un proceso de molde desechable para crear productos complejos con superficies excepcionalmente finas. Es una técnica de precisión debido a la versatilidad que puede crearse en el diseño del molde. Los patrones de fundición en arena deben dividirse en dos y tener núcleos internos capaces de soportarse dentro de un molde dividido cerrado. Los moldes de inversión pueden hacerse en casi cualquier forma que pueda tallarse en cera y recubrirse. El proceso y el moldeo son más caros, pero los productos producidos pueden ser más complejos y precisos. La superficie de todas las fundiciones metálicas refleja los materiales en los que se funden. Las fundiciones en arena tienen, por tanto, una textura rugosa. Las fundiciones de inversión pueden salir del molde con un acabado más suave.

¿Cuáles son los productos comunes de fundición a la cera perdida?

Los productos de fundición a la cera perdida suelen encontrarse como piezas operativas de máquinas de precisión. En un automóvil, por ejemplo, la carcasa del motor puede ser de fundición en arena. Ventiladores, levas y otras piezas con formas complejas, especialmente las que se mueven y necesitan superficies finas, a menudo se funden por inversión.

La fundición a la cera perdida también es común para estatuaria muy detallada, joyería u otros artículos decorativos que tienen detalles muy finos y acabados superficiales suaves.

Proceso de fundición a la cera perdida

El proceso de fundición a la cera perdida requiere un patrón desechable, generalmente hecho de cera; un material de molde cerámico; un horno; y un proceso de fundición para fundir metales y llenar moldes.

Patrones desechables o de cera

Un patrón es una réplica exacta del producto final a fabricar. Curiosamente, un patrón se hace llenando un molde de inyección a menudo hecho de aluminio o acero. Estos moldes pueden ser mecanizados, impresos en 3D o incluso tallados a mano. Crear cada pieza con estos procesos sería más caro que crear un molde y luego pasar a un proceso de fundición. La fundición a la cera perdida es más cara que la fundición en arena, pero sigue siendo capaz de escalar para producción industrial de alto volumen. Una vez creado el molde de inyección, los patrones de cera pueden hacerse rápida y en grandes cantidades, ya que requieren poco tiempo para enfriarse y solidificarse.

Ensamblajes de patrones

Una vez formados, los patrones de cera se ensamblan en un árbol, o sistema de colada, que permitirá fundir múltiples artículos al mismo tiempo. La formación del árbol se hace a partir de una serie de canales y bebederos, también hechos de cera sólida. Estas ramas de cera sólida eventualmente formarán los canales huecos que transportan el metal fundido para formar cada producto final. Las estructuras de árbol deben ensamblarse cuidadosamente para garantizar productos de calidad y flujos de trabajo eficientes. Dependiendo de las instalaciones del sitio y el tamaño del producto, muchos patrones pueden ensamblarse en el mismo árbol para producción en masa. Los artículos más grandes también pueden fundirse por separado.

Molde cerámico de "inversión"

Una vez ensamblada la estructura del árbol, se sumerge en un baño cerámico líquido. El cerámico recubre todo el árbol y se deja secar. Estos baños se repiten varias veces, permitiendo que cada capa se endurezca, hasta crear un molde grueso. El árbol se calienta entonces para fundir la cera, que drena completamente del molde. Una vez eliminada la cera, el molde se calienta a una temperatura más alta y se vierte metal fundido dentro, llenando las cavidades antes ocupadas por el patrón de cera. El proceso de aplicar la lechada cerámica se conoce como el aspecto de "inversión" de la fundición a la cera perdida.

Eliminación del molde

Una vez que el metal se ha enfriado y solidificado, el molde cerámico se rompe para revelar los productos fundidos. Los canales y bebederos se eliminan, y luego se aplican cualquier procedimiento adicional de acabado o tratamiento.

Aplicación versátil

Los patrones de cera pueden hacerse en prácticamente cualquier forma, sin conicidades y sin afectar la calidad del producto final.

La fundición a la cera perdida puede usarse para una gama de productos y materiales. Dependiendo de las instalaciones de fundición del sitio, los productos pueden pesar desde una fracción de onza hasta más de mil libras. Los moldes de inversión cerámicos también son adecuados para coladas a alta temperatura.

Los materiales comunes usados en fundición a la cera perdida incluyen aceros y otras aleaciones basadas en hierro, aluminio, níquel, cobalto, titanio y cobre. Dependiendo de la aplicación, la fundición a la cera perdida puede ser adecuada tanto para tiradas cortas como largas, y puede producir varios cientos de productos a la vez.

Los materiales de cera y cerámicos pueden reutilizarse durante todo el proceso de fundición a la cera perdida. La cera usada se rehace en canales y alimentadores, y los moldes cerámicos pueden reprocesarse para usar en nuevos moldes, típicamente las capas cerámicas exteriores donde se requiere menos precisión.

Beneficios de la fundición a la cera perdida frente a la fundición en arena

Todos los métodos de fundición ofrecen muchos beneficios de diseño: la capacidad de minimizar entradas de material y formar estructuras que serían difíciles de lograr sin mecanizado o ensamblaje significativo.

Un beneficio clave de la fundición a la cera perdida, sin embargo, es la versatilidad de su molde. Como el molde es desechable y los patrones de cera pueden eliminarse discretamente en forma líquida, los fabricantes tienen una libertad excepcional al diseñar productos de fundición a la cera perdida. La fundición a la cera perdida proporciona capacidades de diseño complejo mucho mayores que la mayoría de otros métodos de moldeo y fundición.

Fundición a la cera perdida versus fundición en arena

La fundición en arena es otro método de fundición efectivo que usa arena para formar moldes desechables. Es el método de fundición más usado en Norteamérica, pero hay varias diferencias clave.

Al seleccionar el mejor método de fundición para un proyecto, considere lo siguiente:

• Los moldes de arena deben separarse para retirar un patrón antes de verter. Para asegurar un molde adecuado, un patrón necesita diseñarse con conicidades, o desmoldeos, para minimizar la fricción y evitar que el molde de arena se rompa cuando las secciones se separan. Como los moldes de arena constan de dos piezas, el producto final siempre tendrá una línea de partición, que puede necesitar rectificarse una vez enfriado.
• Los moldes de fundición en arena pueden ajustarse fácilmente para acomodar cambios de diseño. Esto da libertad al ingeniero para cambiar piezas rápida y fácilmente después de probarlas.
• Las cavidades internas también pueden ser un reto para la fundición en arena, que depende del uso de núcleos. Un núcleo es una forma preformada que se inserta en un molde para formar el interior de la pieza no en contacto con la superficie del molde. Dependiendo de la forma y complejidad de un núcleo, que puede ser un componente único o un ensamblaje de múltiples núcleos, puede llevar mucho tiempo formarlo y asegurarlo dentro de un molde.
• En la fundición en arena, las nuevas fundiciones se fabrican más rápido que en la fundición a la cera perdida debido a la reutilización del patrón.
• También vale la pena señalar que los moldes de arena, incluso con aditivos sintéticos y alta compactación, no pueden lograr la dureza del cerámico. Como resultado, las superficies fundidas en arena a menudo tienen tolerancias más altas y requieren rectificado mecánico para lograr un acabado terminado.
• La fundición en arena puede producir componentes metálicos de todos los tamaños y pesos, mientras que la fundición a la cera perdida requiere que las piezas finales pesen menos de 100 libras (aprox. 45 kg).
• Con la fundición a la cera perdida, los patrones de cera pueden hacerse en prácticamente cualquier forma.
• Los moldes cerámicos también son muy duros, lo que crea superficies lisas con tolerancias bajas, a menudo con paredes muy finas. Una vez eliminados los canales y bebederos, muchos productos no requieren mano de obra adicional para tratamiento o acabado.
• Con la fundición a la cera perdida, los patrones de cera pueden hacerse en prácticamente cualquier forma, sin conicidades y sin afectar la calidad del producto final.
• Los moldes cerámicos también son muy duros, lo que crea superficies lisas con tolerancias bajas, a menudo con paredes muy finas. Una vez eliminados los canales y bebederos, muchos productos no requieren mano de obra adicional para tratamiento o acabado.

Planificación de un proyecto de fundición a la cera perdida

Determinar el mejor método de fabricación depende de una serie de factores. Aquí hay algunas cosas a considerar con sus profesionales de diseño de producción:

• Tipo de producto final: ¿Cuál es el tamaño y forma deseados del producto? Diferentes métodos de fundición serán más adecuados para ciertas dimensiones y también influirán en la cantidad de mecanizado requerido para alcanzar las dimensiones finales.
• Cantidad: Al tener en cuenta las cantidades, es mejor mirar lo más lejos posible. Lo que puede ser más económico a corto plazo puede resultar más costoso si se planifican varios lotes a largo plazo. Una mayor inversión inicial en utillaje y moldes a menudo puede ahorrar dinero a largo plazo. Producciones de tirada corta o únicas, sin embargo, no requerirán la misma inversión.
• Tolerancias: ¿Qué tan exactas deben ser sus dimensiones? Las tolerancias mínimas a menudo pueden lograrse con fundición a la cera perdida, especialmente para productos con paredes muy finas.
• Aplicación mecánica: La fundición puede reducir la cantidad de ensamblaje requerida para aplicaciones mecánicas, ahorrando a menudo tiempo y mano de obra a largo plazo.
• Requisitos de material: Los moldes cerámicos usados en fundición a la cera perdida son adecuados para una amplia gama de materiales, incluidas aleaciones basadas en acero y hierro vertidas a altas temperaturas.
• Post-producción: Al igual que con otras formas de fundición, dependiendo de su aplicación final, los productos fundidos por inversión pueden someterse a diversos tratamientos térmicos u otros acabados superficiales si se requieren.

Fundiciones de fundición a la cera perdida

La mayoría de las fundiciones que producen fundiciones a la cera perdida no necesariamente proporcionan otros métodos de producción de fundición, prefiriendo especializarse en un solo método de producción de fundición. Existen diferencias significativas entre métodos de producción como fundición en arena vs. fundición a la cera perdida, lo que hace improbable que una sola empresa tenga la infraestructura necesaria para ofrecer más de un método de producción de moldeo.

Es normal que las fundiciones a la cera perdida cuesten más que las fundiciones producidas usando otros métodos más simples, como la fundición en arena. Los beneficios logrados, sin embargo —incluyendo complejidad, fiabilidad, reproducibilidad, acabado superficial y otros— compensan con creces la diferencia de coste.

Es importante entender realmente los parámetros de diseño de la fundición que está diseñando o intentando comprar. Si las fundiciones a la cera perdida pueden ofrecer una pieza forma neta sin mecanizado, por ejemplo, pero una fundición en arena necesitará ser mecanizada, entonces el coste adicional de la fundición a la cera perdida puede justificarse.

Fuentes

• Grote, Karl-Heinrich y Erik K. Antonsson. Springer Handbook of Mechanical Engineering, Volume 10. Pasadena, CA: Springer Science & Business Media, 2009.
• Hunt, L.B. "The Long History of Lost Wax Casting: Over Five Thousand Years of Art and Craftmanship." Gold Bulletin. Junio 1980, Volumen 13, Número 2, pp 63-79.
• Rundman, Karl B. Metal Casting (Reference Book for MY4130). Michigan Tech. University: Department of Materials Science and Engineering.