Modelos en Fundición: Tipos, Funciones y Aplicaciones Explicados

¿Qué es un Modelo en Fundición?

El modelo es la herramienta principal durante el proceso de fundición. Se define como un modelo de cualquier cosa, construido de manera que pueda usarse para formar una impresión llamada molde en arena húmeda u otro material adecuado. Cuando este molde se llena con metal fundido y este se solidifica, forma una reproducción del modelo conocida como fundición. El proceso de hacer un modelo se llama modelado.

Tipos de Modelos

La selección del tipo de modelo para una fundición particular depende de varias condiciones: la facilidad o dificultad anticipada de la operación de moldeo, si se desea un número pequeño o grande de fundiciones, el tipo de proceso de moldeo y otros factores peculiares a la fundición. A continuación se describen los tipos más comúnmente usados:

1. Modelo de una pieza (sólido)
2. Modelo partido (split)
3. Modelo de placa de coincidencia (match plate)
4. Modelo de cope y drag
5. Modelo con canal de alimentación (gated)
6. Modelo de piezas sueltas (loose-piece)
7. Modelo de barrido (sweep)
8. Modelo esqueleto (skeleton)
9. Modelo segmentado (segmental)
10. Modelo de carcasa (shell)
11. Modelo construido (built-up)
12. Modelo encajonado (boxed-up)
13. Modelo entablado (lagged-up)
14. Modelo diestro y siniestro (left- and right-hand)

1. Modelo de Una Pieza o Sólido

Los modelos hechos sin uniones, particiones o piezas sueltas se llaman modelos de una pieza o sólidos. No están montados en un marco o placa, por lo que a veces se llaman modelos sueltos. Son más baratos. Al usarlos, el moldeador debe cortar sus propios canales de alimentación, comederos y respiraderos, lo que toma más tiempo y no se recomienda excepto para producción limitada. Se usan usualmente para fundiciones grandes de formas simples.

2. Modelo Partido

Muchos modelos no pueden hacerse en una sola pieza debido a dificultades en el moldeo. Para eliminar esto, y para fundiciones de diseño intrincado o forma inusual, se emplean modelos partidos. Generalmente se hacen en dos partes: una produce la mitad inferior del molde y la otra la superior.

Las dos partes, que pueden o no tener el mismo tamaño y forma, se mantienen en sus posiciones relativas correctas mediante pasadores de centrado (dowel pins) fijados en una pieza y que encajan en agujeros taladrados en la otra. La superficie formada en la línea de separación se llama superficie de partición o línea de partición, que también será la del molde.

A veces es necesario construir un modelo en tres o más partes para una fundición compleja. Esto se conoce como modelo de múltiples piezas. Un modelo de tres partes puede necesitar un cajón de tres partes, aunque algunos pueden moldearse en un cajón de dos partes.

3. Modelo de Placa de Coincidencia (Match Plate)

Cuando los modelos partidos se montan con una mitad en un lado de una placa y la otra mitad directamente opuesta en el otro lado, se llama modelo de placa de coincidencia. Uno o varios modelos pueden montarse en una placa. El modelo es de metal, y la placa que forma la línea de partición puede ser de madera o metal.

El aluminio se usa comúnmente para placas de metal. Los modelos de canales y corredores se fijan al lado del drag en sus posiciones correctas para formar la placa completa. Cuando se extraen todos los modelos, el cope (mitad superior) coincide perfectamente con el drag (mitad inferior). Los canales y corredores también se completan en una sola operación.

Los modelos de placa de coincidencia se usan para producir fundiciones pequeñas en grandes cantidades en máquinas de moldeo que ofrecen producción precisa y rápida. Son caros de construir, pero el costo inicial se justifica cuando se desea producción en cantidad.

4. Modelo de Cope y Drag

En la producción de fundiciones grandes, los moldes completos son demasiado pesados para ser manejados por un solo operador. Por tanto, se usan modelos de cope y drag para facilitar la operación eficiente. Los modelos se hacen en mitades, partidos en una línea de unión conveniente, y se construyen y montan por separado en placas o tablas individuales.

Este arreglo permite que un operador o grupo prepare la mitad del cope mientras otro trabaja en la otra mitad. Esta distribución planificada del trabajo aumenta la producción apreciablemente.

5. Modelo con Canal de Alimentación (Gated Pattern)

Para producir buena fundición, es necesario asegurar que el metal fundido fluya completamente a cada parte del molde. La provisión para el paso fácil del metal se llama alimentación (gating), que no puede hacerse a mano para producción en volumen alto debido al tiempo involucrado.

En producción en masa, se producen varias fundiciones en un solo molde multicavidad uniendo un grupo de modelos, y los canales o corredores para el metal fundido se forman por las partes de conexión entre los modelos individuales. Se elimina el tiempo que el moldeador gastaría en cortar canales y extraer modelos. Estos modelos con formadores de canales adheridos se llaman modelos con canal de alimentación.

Pueden ser de madera o metal y se usan para producción en masa de fundiciones pequeñas.

6. Modelo de Piezas Sueltas (Loose-Piece Pattern)

Algunos modelos se producen como ensamblajes de piezas sueltas. Se necesitan cuando la pieza es tal que el modelo no puede extraerse como una sola pieza, incluso estando partido y con la línea de partición en más de un plano.

En este caso, el modelo principal se extrae primero. Luego, las piezas separadas, que pueden tener que girarse o moverse antes de sacarse, se remueven. Los modelos completados de este tipo suelen requerir más mantenimiento y son más lentos de moldear.

7. Modelo de Barrido (Sweep Pattern)

Los moldes y núcleos simétricos, particularmente en tamaños grandes, a veces se moldean mediante modelos de barrido. Consiste en una tabla con forma correspondiente a la fundición deseada, dispuesta para rotar sobre un eje central.

La arena se apisona en su lugar y la tabla de barrido se mueve alrededor de su eje de rotación para dar a la arena la forma deseada. Se emplean para moldear piezas con secciones circulares. La principal ventaja es que elimina la construcción costosa de modelos.

8. Modelo Esqueleto (Skeleton Pattern)

Los modelos para fundiciones muy grandes requerirían una tremenda cantidad de madera. En tales casos, se puede emplear un modelo esqueleto para dar el contorno general y tamaño. Es una construcción acanalada con numerosas aberturas cuadradas o rectangulares entre las costillas que forman un contorno esquelético.

El marco se rellena y apisona con arcillas, arena o barro, y una tabla de rasqueteo (strike-off board o stickle board) se usa para raspar el exceso de arena entre las costillas. Generalmente se construye en dos partes: una para el cope y otra para el drag.

Tuberías de suelo y agua, codos de tubería, cuerpos de válvulas y cajas son ejemplos de fundiciones hechas con modelos esqueleto.

9. Modelo Segmentado (Segmental Pattern)

Los modelos segmentados o de parte se aplican generalmente a trabajos circulares como anillos, llantas de ruedas, engranajes, etc. Son secciones de un modelo dispuestas para formar un molde completo moviéndose para formar cada sección.

Al hacer un molde, un husillo vertical se fija firmemente en el centro del cajón drag. Se apisona y nivela el fondo. Luego, el modelo segmentado se fija al husillo. La arena se apisona entre el exterior del modelo y el cajón, y en el interior, pero no en los extremos. Después de apisonar una sección, avanza a la siguiente, y así sucesivamente hasta completar todo el perímetro.

10. Modelo de Carcasa (Shell Pattern)

El modelo de carcasa se usa principalmente para accesorios de drenaje y tuberías. Un ejemplo típico se muestra en la figura. El modelo suele ser de metal, montado en una placa y partido a lo largo de la línea central, con las dos secciones centradas con precisión mediante pasadores. Estos codos cortos suelen moldearse y fundirse en pares. El modelo de carcasa es una construcción hueca como una concha: la forma exterior se usa como modelo para hacer el molde, mientras que el interior se usa como caja de núcleo para hacer núcleos.

A veces, un modelo de la forma completa de la fundición se denomina modelo de carcasa, y un modelo de la forma exterior requerida pero con el interior ahuecado se denomina modelo de bloque.

11. Modelo Encajonado (Boxed-Up Pattern)

En un modelo encajonado, tablas o tiras de madera se unen con pegamento, clavos o tornillos para formar una caja. No solo economiza madera para modelos grandes, sino que los hace más ligeros. La construcción en caja se emplea en muchos modelos, especialmente para fundiciones con contorno regular y forma rectangular.

12. Modelo Construido (Built-Up Pattern)

Como su nombre indica, los modelos construidos o partidos son los que están compuestos de dos o más piezas. Los modelos para poleas especiales son segmentos construidos de tiras de madera. Estos segmentos se hacen cortando tiras a la curvatura requerida, y el espesor deseado se construye pegándolas en capas.

Las bridas también se hacen de manera similar. La construcción por capas a veces es necesaria porque es difícil hacer una forma intrincada en un bloque de madera, pero es más fácil construir la forma pegando o uniendo varias piezas segmentales.

13. Modelo Entablado (Lagged-Up Pattern)

Trabajos cilíndricos como cilindros, tuberías o columnas se construyen con construcción de lamas o duelas que aseguran la permanencia de la forma. Las lamas o duelas son tiras longitudinales de madera biseladas en cada lado para hacer la junta ajustada por fuera, y pegadas y clavadas o atornilladas a las piezas finales de madera llamadas "cabezas".

La ilustración muestra las duelas fijadas a cabezas que son medio polígono regular, con el objetivo de hacer un cilindro o barril que se partirá longitudinalmente por el centro. Esta construcción da máxima resistencia y permite construir cerca del contorno terminado.

14. Modelo Diestro y Siniestro (Left- and Right-Hand Pattern)

Muchos modelos deben hacerse en pares, y cuando su forma es tal que no pueden invertirse y tienen los centros de bujes, protuberancias, etc., opuestos y en línea, deben hacerse diestros y siniestros. Soportes en "J" para líneas de ejes aéreos, patas para torno de madera, banco de jardín o máquina de coser tipo paleta, y soportes para portaequipajes en vagones de ferrocarril son ejemplos donde se requieren pares de modelos diestros y siniestros.

En tales casos, a menudo se suministran a los modelistas dibujos que muestran una fundición diestra o siniestra. Se solicita hacer equipo de modelo para ambas manos. Esto a menudo presenta dificultades considerables, especialmente en dibujos complejos, para determinar qué constituye la diferencia entre modelos diestros y siniestros.

El soporte mostrado en A es un ejemplo. Se notará que la única variación entre estos dos modelos está en la posición de su base. Si el diseño hubiera podido hacerse con una base igual a cada lado de la parte vertical, la necesidad de dos modelos se habría eliminado.

Modelos Metálicos

Estos modelos se usan para producción a gran escala de fundiciones y rara vez se requieren como modelos sueltos. Al ser fundidos, no hay necesidad de hacer uniones o segmentos. Sin embargo, el método de fabricación es intrincado y requiere gran habilidad.

El modelista debe dominar el corte, acabado y métodos de fabricación de metales, además de técnicas de inspección. Los modelos metálicos, cuando se usan, normalmente se montan en uno o ambos lados de una placa de modelo. Cuando los modelos son pequeños, varios pueden montarse en la misma placa.

Indemnizaciones en el Modelado (Pattern Making Allowances)

Los modelos no se hacen del mismo tamaño exacto que la fundición deseada por varias razones. Un modelo así produciría fundiciones de tamaño inferior. Debe permitirse indemnización por contracción, desmoldeo, mecanizado, distorsión y golpeo.

1. Indemnización por Contracción (Shrinkage Allowance)

Al solidificarse y enfriarse, el metal se contrae y reduce su tamaño. Para compensar esto, el modelo se hace más grande que la fundición terminada mediante una indemnización por contracción. Al tomar medidas para el modelo, el modelista usa una regla de contracción ligeramente más larga que la regla ordinaria de la misma longitud.

Por ejemplo, al construir un modelo para hierro fundido, se usa una regla de contracción que mide unos 10 mm más por metro que la regla convencional, ya que el hierro fundido se contrae 10 mm por metro. Diferentes metales tienen diferentes contracciones, por lo que hay una regla de contracción para cada tipo de metal. Un modelo maestro del cual se funden modelos metálicos puede tener doble indemnización por contracción.

2. Indemnización por Desmoldeo (Draft Allowance)

Cuando un modelo se extrae de un molde, siempre hay posibilidad de dañar los bordes del molde. Este peligro disminuye mucho si las superficies verticales del modelo están ligeramente cónicas hacia adentro. Esta ligera conicidad hacia adentro se conoce como desmoldeo (draft).

El desmoldeo puede expresarse en mm por metro en un lado, o en grados. La cantidad necesaria depende de: (1) longitud del lado vertical, (2) complejidad del modelo, y (3) método de moldeo. En condiciones normales, el desmoldeo es de unos 10 a 20 mm por metro en superficies exteriores y 40 a 60 mm por metro en superficies interiores.

3. Indemnización por Mecanizado (Machining Allowance)

Las superficies rugosas de fundiciones que deben mecanizarse se hacen con dimensiones algo superiores a las indicadas. La cantidad extra de metal en las superficies a mecanizar se llama indemnización por acabado de mecanizado, y los bordes de estas superficies se indican con una marca de acabado V o F.

La cantidad a agregar al modelo depende de: (1) tipo de metal, (2) tamaño y forma de la fundición, y (3) método de moldeo. La indemnización estándar de acabado (mecanizado) para diferentes metales de fundición en mm para moldeo manual se da en tabla.

4. Indemnización por Distorsión o Curvatura (Distortion or Camber Allowance)

Algunas fundiciones, por su tamaño, forma y tipo de metal, tienden a deformarse o distorsionarse durante el enfriamiento. Esto resulta de contracción desigual debido a espesor desigual de metal o a una superficie más expuesta que otra, enfriándose más rápido. La forma del modelo se dobla en dirección opuesta para superar esta distorsión.

Esta característica se llama indemnización por distorsión o curvatura. Por ejemplo, una fundición con forma de U se distorsionará con las patas divergentes, en lugar de paralelas. Para compensar, el modelo se hace con las patas convergentes, pero al enfriarse la fundición tras salir del molde, las patas se enderezan y quedan paralelas.

Aunque no hay datos publicados sobre distorsión, la indemnización varía desde la indemnización estándar de acabado hasta 20 mm para fundiciones grandes.

5. Indemnización por Golpeo (Rapping Allowance)

Cuando un modelo se golpea en el molde antes de extraerlo, la cavidad se aumenta ligeramente. En todos los casos donde las fundiciones deben ser uniformes y fieles al modelo, se provee indemnización por golpeo o sacudida haciendo el modelo ligeramente menor que el tamaño real para compensar el golpeo del molde.

Materiales para Modelos

La selección del material depende principalmente de:

1. Requisitos de servicio: cantidad, calidad e intrincadez de la fundición (espesor mínimo, grado de precisión y acabado requerido).
2. Tipo de producción y proceso de moldeo.
3. Posibilidad de cambios de diseño.
4. Número de fundiciones a producir (posibilidad de pedidos repetidos).

Un buen material de modelo debe ser:

1. Fácil de trabajar, moldear y unir.
2. Ligero.
3. Fuerte, duro y duradero, resistente al desgaste, abrasión, corrosión y acción química.
4. Dimensionalmente estable en todas las situaciones.
5. Fácilmente disponible a bajo costo.
6. Reparable y reutilizable.
7. Capaz de tomar buen acabado superficial.

La amplia variedad de materiales que cumplen estas características son: madera y productos de madera; metales y aleaciones; yesos; plásticos y cauchos; y ceras.

Madera

La madera es el material más común para modelos ya que satisface muchos requisitos. Es fácil de trabajar y fácilmente disponible. Se puede cortar y fabricar en numerosas formas pegando, doblando y curvando; se lija fácilmente a superficie lisa, y puede preservarse con goma laca, el acabado más común para modelos de madera.

Metal

El metal se usa cuando se desea un gran número de fundiciones de un metal o cuando las condiciones son severas para modelos de madera. Los modelos metálicos no cambian de forma en condiciones húmedas. Otra ventaja es la libertad de deformación en almacenamiento.

Son muy útiles en moldeo a máquina por su precisión, durabilidad y resistencia. Comúnmente, un modelo metálico se funde a partir de un modelo de madera llamado modelo maestro. Cuando los modelos metálicos se funden de modelos maestros, debe permitirse doble contracción.

Por ejemplo, si el modelo metálico ha de ser de latón y las fundiciones de hierro fundido, la contracción permitida en el modelo maestro de madera será 14 mm/m para latón, más 10 mm/m para hierro fundido, totalizando 24 mm/m. Metales para modelos incluyen hierro fundido, acero, latón, aluminio y metal blanco.

Hierro Fundido

Se usa para tipos de modelos altamente especializados. Es fuerte, da buena superficie de molde lisa con bordes nítidos y resiste la acción de la arena. Pero los modelos de hierro fundido son pesados y se rompen fácilmente. Se oxidan mucho y requieren área de almacenamiento seco.

Latón

Se usa en modelos, particularmente cuando son pequeños. Es fuerte, no se oxida, toma mejor acabado que el hierro fundido, y resiste el desgaste de la arena de moldeo. Pero los modelos de latón son más pesados que los de hierro fundido, por lo que se restringen a modelos pequeños.

Aluminio

Probablemente el mejor metal versátil: se funde a temperatura relativamente baja, es blando y fácil de trabajar, ligero y resistente a la corrosión. Al ser blando, puede dañarse con uso rudo.

Metal Blanco

No se usa mucho para modelos, pero es el mejor material para formas intrincadas y finas. Estas aleaciones se usan en la mayoría de la producción de fundición a presión y a menudo se llaman aleaciones de fundición a presión. Tienen bajo punto de fusión (~200°C) y contracción insignificante.

Plásticos

Los plásticos son materiales modernos para modelos porque no absorben humedad, son fuertes y dimensionalmente estables, resistentes al desgaste, tienen superficie muy lisa y brillante, y son ligeros. Por su superficie brillante, se extraen del molde fácilmente sin dañarlo, sin necesidad de compuesto de partición seco o líquido. Además, tienen contracción sólida muy baja.

Cuando se requiere un modelo de plástico, primero se hace uno de madera como modelo maestro que forma el molde en el que se vierte la resina plástica. Estos moldes pueden ser de varios materiales: madera, caucho, plásticos, metal o yeso de París, siendo este el más común.

Dos tipos de plásticos se usan: termoendurecibles y termoplásticos. En los termoendurecibles, la resina epoxi es muy popular por sus buenas cualidades de producción. De los termoplásticos, que tienden a ablandarse y gasificarse al calentarse, el más común es espuma de poliestireno. Disponible en diferentes densidades en forma expandida. Se puede moldear, mecanizar y fabricar fácilmente pegando para formar el modelo.

Cauchos

Ciertos tipos de cauchos, como el caucho de silicona, son preferidos para formar matrices muy intrincadas para fundición por inversión. Este material, como la resina epoxi, está disponible en dos partes: aglutinante y endurecedor. Cuando las dos partes, originalmente líquidas, se mezclan, se vierten sobre un modelo maestro o en una matriz, y curan, se produce una forma sólida, es decir, un modelo.

Yesos

El cemento de yeso conocido como yeso de París también se usa para modelos y cajas de núcleo. Tiene alta resistencia a compresión (hasta 300 kg/cm²) y se trabaja fácilmente con herramientas de madera. Cuando talco y cemento se mezclan con agua, forman una masa plástica capaz de fundirse en un molde.

El yeso también se usa convenientemente para preparar tablas de seguimiento (follow-boards) para moldeo. Variedades propietarias como Ultracal, Hydrocal, Hydrostone y Hydrocal para talleres de modelos, también están disponibles.

Los modelos de yeso pueden prepararse vertiendo directamente la lechada de yeso y agua en moldes preparados previamente de un modelo maestro, o barriéndolos a la forma deseada por el método de barrido y rasqueteo.

Ceras

Los modelos de cera son excelentes para el proceso de fundición por inversión. Los materiales generalmente usados son mezclas de varios tipos de ceras y otros aditivos que actúan como agentes polimerizantes, estabilizadores, etc. Las ceras comúnmente elegidas son cera de parafina, cera de goma laca, cera de abejas, cera de ceresina y cera microcristalina. Las propiedades deseadas incluyen bajo contenido de cenizas (hasta 0.05%), resistencia al material de recubrimiento primario usado para inversión, alta resistencia a tracción y dureza, y resistencia de soldadura sustancial.

La práctica normal para formar modelos de cera es inyectar cera líquida o semilíquida en una matriz partida. La inyección sólida también se usa para evitar contracción y para mejor resistencia.