Fundición en Arena Explicada: Pasos, Aplicaciones y Ventajas

¿Qué es la Fundición en Arena?

En la fundición en arena, el metal fundido se vierte en una cavidad de molde de arena desechable por gravedad o fuerza, donde se solidifica formando la pieza con la forma de la cavidad. Un objeto 3D formado por este proceso también se llama fundición. Las fundiciones en arena más comunes incluyen bloques de motor y culatas.

Es el proceso de fundición de metales más utilizado, representando un porcentaje significativo del total de fundición en peso. Durante el proceso, el material se calienta a la temperatura correcta para fundirse y a veces se trata para modificar la composición química y lograr las propiedades requeridas. Luego, el metal fundido se vierte en un molde con la cavidad de forma deseada para enfriarse y solidificarse.

Para producir fundiciones en arena de la mejor calidad al menor coste posible, los diseñadores deben prestar atención cuidadosa a varios requisitos del proceso y entender las limitaciones. Hay 8 elementos clave: ángulo de desmoldeo, línea de partición, entalladuras y machos, secciones transversales, espesor de paredes, esquinas y ángulos, diseño de uniones y tolerancias de fundición, que deben considerarse para evitar los errores comunes que enfrentan los ingenieros mecánicos.

Los defectos o desventajas solo serán un problema si afectan la funcionalidad de la pieza. Por tanto, la selección de un proceso de fabricación adecuado es vital para satisfacer los requisitos funcionales.

Características de la fundición en arena

La fundición en arena es el método más versátil entre los procesos de fabricación y da a los ingenieros libertad para diseñar piezas complejas de un número ilimitado de metales y aleaciones.

• Más del 70% de todas las fundiciones metálicas se producen mediante este proceso
• Puede producir piezas de una amplia gama de tamaños, desde pequeñas estatuas hasta piezas de más de 100 toneladas
• Piezas muy complejas pueden producirse fácilmente y en una sola pieza
• Baja precisión dimensional
• Acabado superficial pobre
• Altamente adaptable y usable para producción en masa

¿Cómo funciona el proceso de fundición en arena?

Elementos del sistema de alimentación (gating system)

Uno de los procesos de fundición más comunes es la fundición en arena, y su molde se hace en dos mitades. Estas se contienen dentro de una caja llamada «flasco», la mitad superior se llama «copa» (cope) y la inferior «arrastre» (drag). Como se muestra en la imagen, el flasco también se divide en dos mitades. La línea que separa las dos mitades se llama línea de partición.

Pasos de la fundición en arena

Los siguientes son los siete pasos principales del ciclo de fundición en arena:

1. Fabricación del modelo (patrón): se crea una réplica del objeto a fundir en material adecuado. El modelo suele ser sobredimensionado para permitir la contracción del metal durante el enfriamiento.
2. Fabricación del molde: se forma un molde de arena compactando arena alrededor del modelo. El molde se divide en dos mitades: la superior «Copa» y la inferior «Arrastré». Al retirar el modelo de la cavidad, queda el hueco para verter el metal fundido. El molde tendrá otras características como canal de alimentación (sprue), canales de distribución (runners), entrada (gate), copa de vertido, alimentador (riser), etc.
3. Cierre y sujeción: las dos mitades del molde (Copa y Arrastré) se sujetan firmemente, listas para el vertido.
4. Vertido: el metal fundido se mantiene a una temperatura estable. Se vierte rápidamente para evitar solidificación prematura.
5. Enfriamiento y solidificación: el metal fundido comienza a enfriarse y solidificarse dentro de la cavidad. La mayoría de los posibles defectos de fundición en arena se introducen en esta etapa.
6. Desmoldeo (shakeout): transcurrido el tiempo de enfriamiento, el molde se rompe/agita y se extrae la fundición.
7. Recorte y limpieza: implica limpiar y retirar las secciones conectadas a la pieza principal como canal de alimentación, sprue, etc.

Ventajas y desventajas de la fundición en arena

Para entender cualquier proceso de fabricación, primero debe darse consideración cuidadosa no solo a sus ventajas sino, importante, a sus limitaciones potenciales y dificultades del proceso.

Ventajas

• Flexibilidad de diseño: El tamaño y peso de las piezas puede variar desde pocos milímetros y gramos hasta metros y muchas toneladas. Solo está limitado por las restricciones de manipulación y suministro de metal fundido. Por tanto, se pueden producir piezas grandes.
• Formas de alta complejidad: Ningún otro proceso ofrece la misma gama de posibilidades para conformar características complejas como la fundición, que produce componentes cerca de la forma final (near-net-shape).
• Amplia elección de materiales: Virtualmente todas las aleaciones de ingeniería pueden fundirse siempre que puedan fundirse.
• Bajo coste de utillaje: Los costes de utillaje y equipos son bajos comparados con otros procesos de fabricación metálica. Por tanto, es uno de los métodos más baratos para lograr componentes near-net-shape.
• Tiempos de entrega cortos: Plazos cortos comparados con otros, ideal para series de producción cortas.
• Menos residuos: El metal de desecho puede reciclarse.

Desventajas

• Baja resistencia del material: Debido a alta porosidad comparado con una pieza mecanizada.
• Baja precisión dimensional: La contracción y el acabado superficial dan una precisión dimensional muy pobre.
• Malos acabados superficiales: Debido a la textura de la pared interna del molde de arena.
• Defectos inevitables: Como en cualquier proceso metalúrgico, defectos o variaciones de calidad como contracción, porosidad, defectos de vertido, defectos superficiales son inevitables. La porosidad es alta en fundición en arena comparada con fundición a presión (die casting) y microfusión (investment casting).
• Post-procesado: A menudo se requiere mecanizado secundario si se necesitan tolerancias más ajustadas para interfaz con otras piezas acopladas. El coste de procesado es alto comparado con utillaje y material.
• Mayor riesgo: Peligros de seguridad para personas y problemas medioambientales.
• Problemas de producción: La extracción del modelo de piezas finas y pequeñas es difícil.

Lecturas recomendadas

• Kalpakjian, S., & Schmid, S. R. (2009). Manufacturing Engineering & Technology (6ª ed.). London: Pearson.