Sistemas de Alimentación (Gating Systems): Definición, Función, Tipos y Diagrama

¿Qué es un Sistema de Alimentación (Gating System)?

El término compuerta (gate) se define como uno de los canales que conducen a la cavidad del molde, y el término alimentación o sistema de alimentación se refiere a todos los canales por medio de los cuales el metal fundido se entrega a la cavidad del molde.

Funciones de un Sistema de Alimentación

1. Proporcionar alimentación continua y uniforme de metal fundido, con la menor turbulencia posible a la cavidad. Turbulencia excesiva resulta en aspiración de aire y formación de escoria.
2. Suministrar la fundición con metal líquido en la mejor ubicación para lograr solidificación direccional adecuada y alimentación óptima de cavidades de contracción.
3. Llenar la cavidad del molde con metal fundido en el menor tiempo posible para evitar gradientes de temperatura.
4. Proporcionar con un mínimo de metal excedente en compuertas y alimentadores. Tasa inadecuada de entrada de metal resultará en muchos defectos en la fundición.
5. Prevenir erosión de las paredes del molde.
6. Prevenir escoria, arena y otras partículas extrañas de entrar en el molde.

Componentes del Sistema de Alimentación

Un sistema de alimentación suele constar de: (1) cuenca de vaciado (pouring basin), (2) canal de vaciado / espiga (sprue), (3) canal de distribución / corredor (runner), y (4) compuerta de desbordamiento / compuerta de alimentación (flow-off gate / ingate).

1. Cuenca de Vaciado (Pouring Basin)

Esta parte del sistema se hace en o sobre la parte superior del molde. A veces, una abertura en forma de embudo que sirve como cuenca, se hace en la parte superior de la espiga en el cope. El propósito principal es dirigir el flujo de metal desde el cucharón a la espiga, ayudar a mantener la tasa requerida de flujo de metal líquido, y reducir turbulencia y vórtice en la entrada de la espiga.

La cuenca debe ser sustancialmente grande y colocarse cerca del borde de la caja de moldeo para llenar el molde rápidamente. También debe ser lo bastante profunda para reducir formación de vórtice y mantenerse llena durante toda la operación de vaciado para compensar contracción del metal.

2. Espiga / Canal de Vaciado (Sprue)

El pasaje vertical que atraviesa el cope y conecta la cuenca de vaciado con el corredor o compuerta se llama espiga.

La sección transversal puede ser cuadrada, rectangular o circular. Las espigas generalmente son cónicas hacia abajo para evitar aspiración de aire y daño del metal. Espigas hasta 20 mm de diámetro son redondas; las mayores suelen ser rectangulares. Una espiga redonda tiene superficie mínima expuesta al enfriamiento y ofrece menor resistencia al flujo. En espiga rectangular, aspiración y turbulencia se minimizan.

3. Corredor / Canal de Distribución (Runner)

En fundiciones grandes, el metal fundido se lleva usualmente desde la base de la espiga a varias compuertas alrededor de la cavidad a través de un pasaje llamado corredor. Generalmente se prefiere en el drag, pero a veces puede estar en el cope según la forma de la fundición. Debe ser aerodinámico (streamlined) para evitar aspiración y turbulencia.

4. Compuerta (Gate)

Una compuerta es un pasaje por el que el metal fundido fluye del corredor a la cavidad del molde. La ubicación y tamaño se disponen para que alimenten metal líquido a la fundición a tasa consistente con la tasa de solidificación. Una compuerta no debe tener bordes afilados pues pueden romperse durante el paso del metal y partículas de arena pasarían a la cavidad. Sin embargo, las compuertas deben ubicarse donde puedan removerse fácilmente sin dañar la fundición.

Tipos de Sistema de Alimentación

Según su posición en la cavidad del molde, la alimentación puede clasificarse ampliamente como: (1) alimentación superior (top gating), (2) alimentación en línea de partición (parting-line gating), y (3) alimentación inferior (bottom gating).

Alimentación Superior (Top Gates)

En el sistema de alimentación superior, el metal fundido de la cuenca fluye directamente hacia abajo en la cavidad. Un colador, de arena seca o material cerámico, se usa mayormente en la cuenca para controlar el flujo y permitir solo metal limpio.

En fundiciones ligeras, pueden proveerse compuertas en cuña (wedge gates). Para fundiciones masivas de hierro, se usan compuertas lápiz (pencil gates). En este tipo, la espiga consiste en serie de rendijas alimentadas desde copa de vaciado. Controla la tasa de flujo al dividir el peso del metal equitativamente en sus rendijas/ramas, reduciendo el peso efectivo de cabeza. Además, la escoria (dross) se remueve del metal líquido en la copa sobre la compuerta.

En la compuerta en dedo (finger gate), modificación de la compuerta en cuña, el metal llega en múltiples corrientes. La compuerta anular (ring gate) usa un núcleo para romper la caída del metal y enviarlo al molde en posición correcta, reteniendo la escoria.

Ventaja: todo el metal entra en la fundición por la parte superior, y el metal más caliente reposa en la parte superior. Gradientes de temperatura favorables para solidificación direccional hacia alimentadores en la parte superior. Las compuertas mismas pueden servir como alimentadores. Desventaja: erosión del molde por el metal que cae. La cavidad debe ser dura y fuerte para resistir el impacto.

Alimentación en Línea de Partición (Parting Gates)

En compuertas en línea de partición, el metal líquido entra en la cavidad desde el lado del molde al mismo nivel que la junta de molde o línea de partición. El arreglo de proveer compuerta en la línea de partición en dirección horizontal a la fundición permite usar dispositivos que atrapen eficazmente escoria, suciedad o arena que pase con el metal por la espiga.

Compuerta Descremadora (Skimming Gate)

En una compuerta descremadora, cualquier materia extraña más ligera que el metal base sube a través del pasaje vertical y queda atrapada. Compuerta en línea de partición con bobina de descremado (skim bob) y estrangulador (choke) atrapa escoria y materia extraña y sirve como restricción para controlar la tasa de flujo.

Otro método efectivo: compuerta descremadora con corredor remolino (whirlpool runner), llamada compuerta remolino (whirlpool gate). La escoria, por acción de remolino, va al centro y sube en la compuerta remolino. Compuerta con bobina de contracción (shrink bob) sirve como colector de escoria/dross y reservorio de metal para alimentar la fundición al contraerse.

Las compuertas en línea de partición son muy simples de construir y muy rápidas de hacer. Producen resultados muy satisfactorios cuando el drag no es muy profundo, y son ventajosas cuando pueden alimentarse directamente al alimentador. En este sistema, el metal más caliente llega al alimentador, promoviendo solidificación direccional. Además, costos de limpieza de fundiciones se reducen al alimentar en alimentadores, pues no se requiere compuerta adicional. Desventaja: puede ocurrir turbulencia al caer el metal en la cavidad.

Alimentación Inferior (Bottom Gates)

En compuertas inferiores, el metal de la cuenca fluye hacia el fondo de la cavidad en el drag.

Compuerta en Cuerno (Horn Gate)

La compuerta en cuerno se asemeja al cuerno de una vaca. Permite hacer el molde en cope y drag solamente; no se necesita "cheque" (check). Tiende a producir efecto fuente en la cavidad. En otro tipo, núcleo de arena seca forma la compuerta inferior. La espiga se curva en el extremo inferior para formar trampa de suciedad para escoria, etc. Este tipo permite hacer el molde en dos cajas.

Ventaja principal: turbulencia del metal se mantiene mínima al vaciar y se previene erosión del molde. El metal sube suavemente en el molde y alrededor de núcleos. Desventajas: el metal sigue perdiendo calor al subir en la cavidad. La solidificación direccional es difícil de lograr. Además, el alimentador no puede colocarse cerca de la entrada de la compuerta donde el metal está más caliente.

Relación de Alimentación (Gating Ratio)

La tasa de flujo de metal a través de la cavidad es función del área transversal de la espiga, corredores y compuertas. Las características dimensionales de un sistema de alimentación pueden expresarse en términos de relación de alimentación. El término "relación de alimentación" describe las áreas transversales relativas de los componentes tomando el área de base de la espiga como unidad, seguida por el área total del corredor y finalmente el área total de la compuerta de entrada.

Un sistema con espiga de 1 cm², corredor de 3 cm², y tres compuertas cada una de 1 cm², tendrá relación 1:3:3. La relación revela si la sección transversal total disminuye o aumenta hacia la cavidad. Por tanto, hay dos tipos de sistemas de alimentación en fundición: presurizado (pressurised) y no presurizado o de flujo libre (unpressurised/free flowing) como un sistema de alcantarillado.

Sistema de Alimentación Presurizado

Tiene menor área transversal total en las compuertas de entrada a la cavidad que en la base de la espiga. Relación típica: 1:0.75:0.5, 1:2:1, 2:1:1. Proporciona efecto estrangulador (choke) que presuriza el metal líquido en el sistema. Al ser menor volumen para una dada tasa de flujo, resulta en menor pérdida de metal y mayor rendimiento.

Por otro lado, al mantenerse lleno de metal y proveer efecto estrangulador, altas velocidades pueden causar turbulencia severa en uniones, esquinas y cavidad. Generalmente adecuado para metales ferrosos y latón.

Sistema de Alimentación No Presurizado

En el sistema no presurizado, el área transversal de la espiga es menor que el área total del corredor y que la de las compuertas de entrada. Relaciones: 1:2:2, 1:3:3, etc. Produce menores velocidades de metal y permite mayores tasas de flujo. Reduce turbulencia en el sistema y chorro (spouting) en la cavidad. Generalmente adaptado para metales como aluminio y magnesio.