Fundición de Inversión Explicada: El Proceso de Precisión de Cera Perdida

Introducción al proceso de fundición de inversión

La fundición de inversión, también conocida como fundición de precisión o fundición a la cera perdida, es un proceso de fabricación en el que se utiliza un modelo de cera para dar forma a un molde cerámico desechable. Se crea un modelo de cera con la forma exacta de la pieza a fundir. Este modelo se recubre con un material cerámico refractario. Una vez que el material cerámico se endurece, se invierte y se calienta hasta que la cera se derrite y escapa. La carcasa cerámica endurecida se convierte en un molde de inversión expendable. Se vierte metal fundido en el molde y se deja enfriar. La pieza fundida se rompe luego del molde gastado.

El término "fundición de inversión" deriva del proceso de "invertir" (rodear) un modelo con materiales refractarios. A menudo se selecciona la fundición de inversión sobre otros métodos de moldeo porque las piezas resultantes presentan detalles finos y excelentes acabados superficiales tal como salen del molde. También pueden fundirse con paredes delgadas y pasajes internos complejos. A diferencia de la fundición en arena, la fundición de inversión no requiere ángulo de desmoldeo.

Estas cualidades del proceso pueden proporcionar piezas de forma neta o casi neta, lo que supone un ahorro significativo de costes en material, mano de obra y mecanizado para los clientes. Puede utilizarse con la mayoría de metales comunes, como aluminio, bronce, magnesio, acero al carbono y acero inoxidable. Las piezas fabricadas con fundición de inversión incluyen álabes de turbina, equipos médicos, componentes de armas de fuego, engranajes, joyería, cabezas de palos de golf y muchos otros componentes mecánicos con geometrías complejas.

El proceso de fundición de inversión

El proceso de fundición de inversión consta de varios pasos: construcción del molde metálico, producción del modelo de cera, creación del molde cerámico, colada, solidificación, desmoldeo y limpieza.

1. Construcción del molde metálico

El modelo de cera y el molde cerámico se destruyen durante el proceso de fundición de inversión, por lo que cada colada requiere un nuevo modelo de cera. A menos que la fundición de inversión se utilice para producir volúmenes muy pequeños (como es común en trabajos artísticos o joyería original), se necesita un molde o matriz a partir del cual fabricar los modelos de cera.

El tamaño del molde maestro debe calcularse cuidadosamente; debe tener en cuenta la contracción esperada del modelo de cera, la contracción esperada del material cerámico invertido sobre el modelo de cera y la contracción esperada de la propia pieza metálica.

2. Producción del modelo de cera

El número de modelos de cera siempre es igual al número de piezas a producir; cada colada individual requiere un nuevo modelo de cera.

Se inyecta cera caliente en el molde o matriz y se deja solidificar. Pueden necesitarse núcleos para formar características internas. El modelo de cera resultante es una réplica exacta de la pieza a producir. El método es similar al de la inyección a presión, pero utilizando cera en lugar de metal fundido.

3. Creación del molde

Se acopla un sistema de alimentación (canal de colada, canales de distribución y alimentadores) al modelo de cera. Para piezas pequeñas, varios modelos de cera se unen a un sistema de alimentación central de cera para formar un ensamblaje en forma de árbol. Una copa de colada, generalmente unida al extremo de los canales de distribución, sirve para introducir el metal fundido en el molde.

El "árbol de modelos" ensamblado se sumerge en una lechada de sílice de grano fino. Se sumerge repetidamente, recubriéndose con lechada refractaria progresivamente más gruesa en cada inmersión. Una vez que el recubrimiento refractario alcanza el espesor deseado, se deja secar y endurecer; el recubrimiento seco forma una carcasa cerámica alrededor de los modelos y el sistema de alimentación.

El espesor de la carcasa cerámica depende del tamaño y peso de la pieza a fundir, y de la temperatura de colada del metal. El espesor medio de la pared es de aproximadamente 9,525 mm (0,375 pulgadas). El molde cerámico endurecido se voltea, se coloca en un horno y se calienta hasta que la cera se derrite y escapa. El resultado es una carcasa cerámica hueca.

4. Colada

El molde cerámico se calienta a unos 550–1100 °C (1000–2000 °F). El proceso de calentado refuerza aún más el molde, elimina cualquier resto de cera o contaminantes y evapora la humedad del material del molde.

Se vierte metal fundido en el molde mientras este aún está caliente: el metal líquido fluye a través de la copa de colada, por el sistema de alimentación central y hacia cada cavidad del molde en el árbol. El molde precalentado permite que el metal fluya fácilmente a través de secciones delgadas y detalladas. También crea una pieza con mayor precisión dimensional, ya que el molde y la pieza se enfrían y contraen juntos.

5. Enfriamiento

Después de verter el molde, el metal se enfría y solidifica. El tiempo que tarda un molde en enfriarse hasta un estado sólido depende del material fundido y del espesor de la pieza.

6. Desmoldeo

Una vez que la pieza se solidifica, los moldes cerámicos se rompen y la pieza puede extraerse. El molde cerámico se rompe típicamente de forma manual o con chorros de agua. Una vez extraídas, las piezas individuales se separan de su árbol del sistema de alimentación mediante impacto manual, sierra, corte, quemado o rotura en frío con nitrógeno líquido.

7. Acabado

Operaciones de acabado como rectificado o granallado se emplean comúnmente para suavizar la pieza en las zonas de alimentación e imperfecciones. Dependiendo del metal del que se fundió la pieza, puede emplearse un tratamiento térmico para endurecer la pieza final.

Cuándo utilizar la fundición de inversión

Debido a su complejidad y requisitos de mano de obra, la fundición de inversión es un proceso relativamente costoso; sin embargo, los beneficios a menudo superan el coste. Prácticamente cualquier metal puede fundirse por inversión. Las piezas fabricadas por fundición de inversión son normalmente pequeñas, pero el proceso puede utilizarse eficazmente para piezas de 34 kg (75 libras) o más.

La fundición de inversión es capaz de producir piezas complejas con excelentes acabados superficiales tal como salen del molde. Las piezas de fundición de inversión no necesitan tener conicidad incorporada para extraer los componentes de sus moldes porque las carcasas cerámicas se desprenden de la pieza al enfriarse. Esta característica de producción permite diseñar piezas con ángulos de 90 grados sin tolerancia de contracción incorporada y sin mecanizado adicional para obtener esos ángulos.

El proceso de fundición de inversión crea piezas con una precisión dimensional superior; las piezas de forma neta son fácilmente alcanzables y las formas finales a menudo se producen sin mecanizado secundario. Cada colada única requiere un nuevo molde para producir modelos de cera. El utillaje para fundición de inversión puede ser bastante costoso; dependiendo de la complejidad, los costes de utillaje pueden oscilar entre 1000 y 10 000 dólares.

Para pedidos de gran volumen, el tiempo y la mano de obra ahorrados al eliminar o reducir el mecanizado secundario compensan fácilmente el coste del nuevo utillaje. Las series de fundición pequeñas son menos propensas a amortizar la inversión. Generalmente, la fundición de inversión es una opción lógica para una serie de 25 piezas o más.

Suele tomar 7 días desde un modelo de cera fresco hasta una pieza completa; la mayor parte de ese tiempo se consume en la creación y secado del molde de carcasa cerámica. Algunas fundiciones tienen capacidades de secado rápido para producir piezas más rápidamente. La naturaleza intensiva en tiempo y mano de obra de la fundición de inversión no solo afecta al coste. Las fundiciones tienen equipos y capacidad de producción limitados, por lo que los plazos de entrega más largos para la fundición de inversión son comunes.

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