Procesos de Moldeo: Tipos, Técnicas y Aplicaciones Explicados

Proceso de Moldeo (Moulding Process)

En este artículo discutiremos el proceso de moldeo, tipos clasificados según diversos términos: moldeo en arena seca, moldeo en arena verde, moldeo en banco, etc.

Los procesos de moldeo de uso común pueden clasificarse según diferentes formas. En general:

1. Moldeo a mano (Hand moulding)
2. Moldeo a máquina (Machine moulding)

En producción por pieza y pequeños lotes, los moldes de arena se hacen a mano; máquinas de moldeo se emplean en grandes lotes y producción en masa.

Tipos de Proceso de Moldeo

Los procesos de moldeo a menudo se clasifican según:

(A) El tipo de material del molde

1. Moldes de arena verde (Green sand moulds)
2. Moldes de arena seca (Dry sand moulds)
3. Moldes de piel seca (Skin-dried moulds)
4. Moldes de barro (Loam moulds)

(B) Los métodos usados para hacer el molde

1. Moldeo en banco (Bench moulding)
2. Moldeo en piso (Floor moulding)
3. Moldeo en fosa (Pit moulding)
4. Moldeo por barrido (Sweep moulding)
5. Moldeo en placa (Plate moulding)

Procesos de Moldeo según Arena Usada

1. Moldeo en Arena Verde (Green Sand Moulding)

Método versátil, rápido y de bajo costo para crear moldes para fundiciones ferrosas y no ferrosas de alta calidad. El arena verde consiste en arena de sílice, agua, bentonita y otros aditivos, como polvo de carbón para aplicaciones de hierro.

Los moldes de arena verde se preparan con arenas de moldeo naturales o mezclas de arena de sílice, arcilla aglutinante y agua. Estos materiales se mezclan a fondo en proporciones que darán las propiedades deseadas para la clase de trabajo.

2. Molde de Arena Seca (Dry Sand Mould)

El proceso para hacer moldes de arena seca es similar al moldeo en arena verde, salvo que se usa diferente mezcla de arena y todas las partes del molde se secan en horno antes de reensamblar para fundición.

El molde de arena verde depende de la humedad y arcilla natural en la arena para retener su forma. Pero la arena para moldes secos depende de material aglutinante añadido: harina, resina, melaza o arcilla. Los materiales se mezclan a fondo y templan con arcilla aguada fina. La cantidad de aglutinante se determina por el tamaño de la fundición.

3. Moldeo de Piel Seca (Skin-dried Moulding)

Proceso que seca la humedad de la capa superficial de arena apisonada a profundidad de ~25 mm o más usando antorchas de gas o calentadores. Tiene ventajas de tanto arena verde como arena seca en cierta medida. Al requerir menos tiempo de secado que arena seca, es menos costoso. El secado de piel se adapta particularmente a moldes muy grandes o trabajos que requieren detalles precisos.

4. Molde de Barro (Loam Mould)

El barro (loam) es arcilla y arena mezclados con agua para formar mezcla plástica delgada de la que se hacen moldes. La arena de barro también contiene arcilla de fuego o ganister. Debe ser lo suficientemente adhesiva para adherirse a superficies verticales. Los moldes de barro siempre requieren provisión especial para ventilación adecuada. El objetivo es abrir poros en la masa compacta, por medios artificiales. Así, materias orgánicas como paja picada, y particularmente estiércol de caballo, se mezclan con la arena.

Una mezcla típica de arena de barro: [se omite lista detallada por brevedad]. Se aplica como yeso a la estructura rugosa del molde (usualmente ladrillo) y la forma exacta se da con barrido rotatorio alrededor de husillo central. Placas y barras de hierro fundido refuerzan el ladrillo que retiene el material de moldeo. Los moldes de barro también pueden prepararse con modelo esqueleto de madera. Las superficies se ennegrecen y secan antes de ensamblar.

Empleados principalmente para fundiciones grandes donde sería muy costoso usar modelos completos y equipos de cajón ordinarios. Objetos: cilindros grandes, calderos de fondo redondo, sartenes químicas, engranajes grandes, otras piezas de máquina.

Tipos de Proceso de Moldeo según Método

1. Moldeo en Banco y Piso (Bench and Floor Moulding)

El moldeo en banco aplica principalmente a moldes lo bastante pequeños para hacerse en banco de trabajo a altura conveniente.

Fundiciones muy pesadas o de profundidad/área considerable pueden moldearse en la arena del piso de fundición de manera similar al moldeo en arena verde o seca. En tales casos, el piso mismo actúa como drag, y puede cubrirse con cope o el molde puede fundirse abierto.

2. Moldeo en Fosa (Pit Moulding)

Los moldes de trabajos grandes se preparan generalmente en una fosa excavada en el piso de la fundición, facilitando el levantamiento del modelo y fundición del molde. Como una fosa que funciona como drag no puede volcarse, la arena bajo el modelo puede apisonarse por "bedded-in". El modelo puede suspenderse en ubicación correcta mientras se apisona arena bajo él. En otros casos, si la superficie inferior del modelo es plana, puede colocarse en superficie plana nivelada apisonada para él.

Se coloca lecho de coque en el fondo, cubierto con paja y luego capa de arena, apisonada y nivelada. El lecho de coque se conecta con atmósfera por tubos de ventilación verticales en esquinas para salida de gases. Si el piso está húmedo, superficies interiores de la fosa se forran con papel alquitranado, ladrillos o tablones. Generalmente se requiere una caja para completar el proceso. Corredores, cubetas de vaciado, alimentadores, se cortan en ella.

3. Moldeo por Barrido (Sweep Moulding)

Empleados para moldear piezas cuya forma es superficie de revolución. En proceso preliminar, base e husillo se colocan en el piso. La arena se rellena y apisona hasta que la excavación forma aproximadamente la forma y tamaño requeridos.

Un portabarrido se coloca en el husillo y el barrido se sujeta con tornillos y tuercas. La superficie del molde se produce por el perfil del barrido al rotar sobre el husillo. Tras barrer, se retira el husillo y se parchea el centro. Luego se corta la entrada y el molde está listo para vaciado.

4. Moldeo en Placa (Plate Moulding)

En este proceso de partición montada, el modelo se divide a la mitad a través de la partición y en mitades sobre placas con lados paralelos de misma forma que la figura. El uso de placas da ventajas:

1. Los modelos pueden manipularse fácil y rápidamente.
2. La tarea de hacer la junta entre las dos partes del molde se alivia pues la placa da su propia junta al apisonar el cajón.
3. El modelo puede extraerse rápidamente, pues la placa sobresale del lado de la caja y los pasadores que la sujetan actúan como guías durante la extracción.

Algunos Procesos de Moldeo Especiales

En años recientes, se han desarrollado procesos de moldeo especiales para ahorrar tiempo y gasto, producir moldes y núcleos de mejor calidad, y aumentar productividad con menos esfuerzo y habilidad. Generalmente no requieren secado u horneado de moldes o núcleos, y el endurecimiento rápido ocurre por reacciones químicas. El uso de los siguientes ha aumentado considerablemente:

1. Moldeo con Dióxido de Carbono (CO₂)

Proceso básico de endurecimiento para moldes y núcleos. El principio: si gas CO₂ se pasa a través de una mezcla de arena conteniendo silicato de sodio (vidrio soluble), la arena se une extremadamente fuerte al convertirse el silicato en gel rígido. Este gel da la resistencia necesaria al molde.

2. Moldeo con Ferro-Silicio

Basado en que si silicato de sodio y ferro-silicio en polvo se mezclan en proporción 2.25:1 en peso, ocurre acción espumante y la temperatura sube por reacción exotérmica. A temperatura ambiente, la reacción es lenta pero al aumentar temperatura, se acelera. Finalmente, la arena de sílice forma masa esponjosa dura. No se requiere horneado de molde o núcleo como en proceso CO₂.

Normalmente, para fundición ferrosa arena limpia, seca de 65 malla; para no ferrosa, arena de 100 malla. Los moldes deben recubrirse con lavado adecuado antes de cerrar.

3. Moldeo con Silicato Dicálcico

Basado en que si ~2-3% silicato dicálcico (agente endurecedor muy efectivo) y 5% silicato de sodio se mezclan con arena junto con químicos espumantes adecuados, la fluidez de la masa de arena aumenta. La mezcla fluye fácilmente en el molde, sin necesidad de apisonado como en moldeo convencional. Finalmente, la arena forma masa dura con colapsibilidad suficiente.

Ventaja principal: gran ahorro en mano de obra y equipos de moldeo ya que no se necesita secado ni respaldo. Por otro lado, se producen fundiciones de alta calidad sin defectos. Aplicación amplia en fundiciones medianas y pesadas, tanto en hierro gris como acero.

4. Moldeo con Cemento-Arena

El cemento Portland puede usarse como material aglutinante para unir granos de arena. Se logra buena combinación de resistencia, permeabilidad y fluidez usando cemento con silicato de sodio. Lechina de cemento fluida también puede producirse con químicos espumantes en la mezcla. El apisonado se reduce considerablemente. Sin embargo, buen enlace puede desarrollarse con ~2% cemento, 4-5% silicato de sodio, y 1% pez o melaza.

Estos moldes producen superficies lisas y precisas, pero la desventaja principal es que son difíciles de desmoldear (sacar del cajón).

5. Moldeo Carcasa (Shell Moulding)

También conocido como proceso Croning o proceso C por su inventor. Variante de la técnica de arena aglutinada con resina para fundir acero, hierro o aleaciones no ferrosas.

El molde se forma de mezcla de arena fina (100-150 malla) y aglutinante de resina termoendurecible colocado contra modelo metálico calentado, preferiblemente de hierro fundido gris. Al calentarse la mezcla, la resina cura, causando que los granos de arena se adhieran formando carcasa resistente que conforma exactamente las dimensiones y forma del modelo y constituye media molde.

Tras curar y desmoldear la carcasa, se colocan núcleos requeridos, se aseguran las dos mitades, se colocan en cajón y se añade material de respaldo; entonces el molde está listo para vaciado.

6. Moldeo en Caja Caliente y Fría (Hot and Cold Box Moulding)

El proceso de caja caliente (hot-box), adaptado particularmente en fabricación de núcleos, usa básicamente mismos materiales que moldeo carcasa, pero aquí la resina se aplica para recubrir granos de arena. La mezcla resina-arena se sopla sobre modelo o caja de núcleo metálico calentado a ~200°-300°C y se deja formar masa sólida en lugar de formación de carcasa.

Máquinas especiales de caja caliente disponibles donde la mezcla se sopla sobre modelo calentado, la arena soplada cura, y molde o núcleo se desmoldea del modelo o caja. Mayor precisión dimensional y mayores tasas de producción que moldeo carcasa. Proceso esencialmente para producción mecanizada de fundiciones pequeñas requeridas en grandes cantidades.

El proceso de caja fría (cold-box) consiste en mezclar arena seca fina con aglutinante de resina poliisocianato y resina fenólica alquídica, soplar la mezcla en caja de núcleo sellada e inyectar catalizador aerotransportado vapor de trietilamina a través de la caja. El grupo hidroxilo de la resina fenólica líquida se combina con grupo isocianato para formar resina uretano rígida. Los dos componentes aglutinantes usualmente en proporción 1:1 con 1-2% en peso de la mezcla de resina añadida a la arena.

Ventaja: no se requiere calentamiento del modelo, y el curado ocurre en solo 20-30 segundos. Proceso simple, alta producción de núcleos, extremadamente adecuado para fundiciones pequeñas requeridas en grandes cantidades.

7. Moldeo por Inversión (Invest Moulding / Lost Wax)

A menudo llamado "proceso de cera perdida" y "proceso de fundición de precisión". Las fundiciones pueden hacerse con tolerancias muy cerradas y no requieren mecanizado posterior.

Consiste principalmente de dos etapas: primero, un modelo maestro de madera o metal alrededor del cual se forma un molde. No consiste en arena de moldeo sino en gelatina o aleación de bajo punto de fusión vertida sobre el modelo maestro. Este molde maestro tiene las dos secciones usuales y puede abrirse. Se usa para hacer el "modelo perdido".

8. Moldeo en Yeso (Plaster Moulding)

El molde se prepara en yeso o yeso de París. En la práctica, el yeso de París se mezcla con talco, asbesto, fibras, harina de sílice, y cantidad controlada de agua para formar lechada. Esta se vierte sobre modelo metálico confinado en cajón.

El molde se vibra y la lechada fragua. El modelo se retira tras ~30 min cuando el fraguado está completo y el molde se seca y respalda calentándolo lentamente a ~200°C en horno transportador. Se colocan insertos y núcleos, cope y drag emparejados por pasadores guía. Metal fundido se vierte. Finalmente, la fundición se enfría en el molde, se sacude y el molde se destruye. Las fundiciones se recortan de entradas, canales y rebabas.

9. Moldeo Cerámico (Ceramic Moulding)

En el moldeo cerámico, una lechada espesa, consistente en agregados cerámicos especialmente desarrollados y aglutinante químico líquido (éster de silicona base alcohol) se vierte sobre modelo metálico reutilizable, partido y con canales, usualmente montado en placa de coincidencia. La lechada llena todas las cavidades y recesos por sí sola, sin requerir apisonado ni vibración. El modelo se retira tras fraguar en ~3-5 min. La masa cerámica se retira del cajón, trata con endurecedor para promover estabilización química y calienta a ~980°C en horno para eliminar aglutinante líquido. El molde está listo para vaciado de metal fundido.

10. Moldeo por Succión (Suction Moulding)

Se crea vacío retirando aire del espacio del molde. Subsecuentemente, la arena de moldeo es succionada y la cavidad se llena. La arena puede luego apisonarse en el modelo. Proceso usado para fundir hierro, acero y aluminio.