Fundamentos de la Fundición Metálica: Historia, Técnicas y Aplicaciones Modernas

Esta introducción a la fundición metálica ofrece una visión general y un repaso histórico del proceso de fundición, así como un esquema de las técnicas de fundición más utilizadas en la actualidad. El objetivo de este artículo es proporcionar a los nuevos fabricantes una mejor comprensión de cómo funciona la fundición metálica y qué pasos intervienen en la producción de piezas fundidas. Al finalizar la lectura, el lector debería tener una imagen clara de las oportunidades que presenta la fundición metálica y una sólida apreciación de su potencial como método de fabricación moderno.

Para obtener información más detallada, haga clic en los enlaces y botones distribuidos a lo largo del artículo para acceder a publicaciones, páginas y libros electrónicos que profundizan en aspectos específicos de la fundición metálica.

¿Qué es la Fundición Metálica?

El término fundición metálica se refiere al proceso de formar un producto o pieza a partir de metal fundido, utilizando cualquier tipo de molde que determine su forma final. Una pieza fundida, por otro lado, es el producto o pieza resultante del proceso de fundición metálica. A lo largo de este artículo y en otras partes de nuestro sitio web, utilizamos la palabra fundición indistintamente, ya sea como sinónimo del proceso de fundición metálica o del objeto, una pieza fundida.

Definición de Fundición Metálica:

Proceso de fabricación en el que se vierte metal fundido en una cavidad (molde) que mantiene el metal en una forma específica mientras se solidifica.

Pasos Generales de la Fundición Metálica

1. Crear el modelo maestro y la caja de núcleos. El primer paso en la fundición metálica es crear un objeto con una forma similar a la del producto deseado, llamado modelo. El modelo es una herramienta utilizada para producir el molde y debe ser ligeramente más grande que el producto final para compensar la contracción durante la solidificación. En la fundición metálica, los modelos a menudo se producen mediante mecanizado CNC. De manera similar, los núcleos, como se describe en el paso 2, se crean utilizando otro tipo de herramienta: las cajas de núcleos. Los métodos de fundición que utilizan moldes reutilizables, como la fundición en molde permanente, normalmente no requieren modelos ni cajas de núcleos. En estos casos, los fabricantes de herramientas pueden producir el molde y el núcleo directamente.

2. Crear el molde y el núcleo. Para producir una fundición con éxito, el fabricante debe crear primero una cavidad de molde que contenga y dé forma al metal fundido. En muchos casos, también debe producir un núcleo que se ajuste dentro del molde, formando cavidades huecas en la pieza final. Los moldes y núcleos pueden ser reutilizables, como en la fundición a presión o la fundición en molde permanente, o de un solo uso, como en la fundición en arena verde o la fundición en molde de capa.

3. Fundir la aleación. A continuación, el fabricante debe fundir el metal. A menudo, el metal utilizado es una aleación, es decir, una mezcla de elementos que, en conjunto, proporcionan propiedades mecánicas óptimas. Los procesos de fundición varían: en su forma más simple, la fundición consiste en colocar la aleación en un recipiente con un punto de fusión más alto y calentarlo sobre un quemador o llama abierta. Métodos de fundición más contemporáneos, como la fundición por inducción, se basan en las propiedades físicas de las aleaciones para fundirlas y llevarlas a la temperatura de fundición de manera más eficiente.

4. Verter el metal fundido en el molde. Una vez fundida la aleación, el fabricante debe verter el metal fundido en la cavidad del molde. Normalmente, esto se logra con un sistema de cuchara, que soporta el proceso de vertido y permite a los operadores controlar la velocidad de vertido, ya sea manual o automáticamente. Técnicas de vertido incorrectas pueden provocar defectos, ya que los gases pueden quedar atrapados dentro del molde, generando agujeros en la fundición resultante.

5. Permitir que el metal se solidifique. Después del vertido, el fabricante debe crear condiciones óptimas para que el metal se solidifique dentro del molde. De nuevo, los fabricantes deben considerar la contracción del metal fundido al enfriarse, así como la liberación de gases que se acumulan dentro del molde durante el vertido.

6. Extraer la fundición del molde. Cuando el metal se ha enfriado y solidificado lo suficiente, el fabricante debe extraer la fundición del molde. En métodos que emplean moldes de un solo uso, los operadores simplemente rompen el molde para separarlo de la fundición. Para moldes reutilizables, a menudo se utilizan recubrimientos especiales para evitar que se pegue, y se deben diseñar características que permitan la extracción de la fundición (como pasadores eyectores) en el molde.

7. Acabar la fundición. La mayoría de las piezas fundidas deben someterse a procesos de acabado como limpieza (eliminación de material excedente de la pieza); eliminación de canales de alimentación (retirada de los canales de vertido de la pieza); tratamiento térmico (calentamiento y enfriamiento controlado de las fundiciones para mejorar las propiedades físicas) e inspección para control de calidad. Muchos productos también pasan por procesos de mecanizado CNC para mejorar la precisión dimensional y el valor estético.

Historia de la Fundición Metálica

Gran parte de lo que sabemos hoy sobre los orígenes de la fundición metálica se basa en hallazgos arqueológicos. Afortunadamente, la durabilidad de las fundiciones significa que muchos artefactos fundidos han sobrevivido durante miles y miles de años.

Las primeras fundiciones eran a menudo estatuas artísticas, herramientas y armas, y los primeros metales utilizados en la fundición fueron el cobre y el estaño, o una aleación hecha de los dos metales llamada bronce. Las civilizaciones en los continentes asiático y europeo experimentaron con otros materiales y continuaron utilizando la fundición durante miles de años. A medida que los procesos se refinaron y las técnicas se registraron en un lenguaje preciso, el alcance de los productos fundidos también se expandió. En la Edad Media, las fundiciones europeas tenían la tarea principal de producir campanas de iglesia.

En la imagen de la derecha se muestra el Candelabro de Gloucester, una elaborada fundición a la cera perdida (inversión) producida para la Catedral de Gloucester en Inglaterra entre 1104 y 1113 d.C.

En el siglo XX, la fabricación automotriz, impulsada en parte por las técnicas de producción en flujo de Ford Motors, aumentó la demanda de fundiciones y llevó a avances adicionales en el proceso. Se inventó el acero, y a mediados del siglo XX el acero inoxidable se utilizaba ampliamente para la fundición. Tanto la Primera como la Segunda Guerra Mundial pusieron a prueba los límites de la fundición en Estados Unidos, Europa y Japón. Procesos antiguos, como la fundición por inversión, se refinaron aún más para producir mejores fundiciones más rápido. También se desarrollaron nuevos procesos, como la fundición a presión y la fundición en molde de capa, durante el siglo XX.

Procesos de Fundición Metálica

Los siguientes procesos de fundición metálica representan algunas de las técnicas más comunes y versátiles en el arsenal de una fundición. Algunos métodos se remontan a miles de años, mientras que otros tienen menos de un siglo, y cada uno de estos procesos es el método de fundición ideal para ciertos tipos de productos. Aquí ofrecemos una breve descripción de cada proceso. Para obtener información más detallada, haga clic en los enlaces proporcionados en cada sección.

Fundición por Inversión (Cera Perdida)

La técnica de fundición metálica más antigua que aún se utiliza a escala industrial, la fundición por inversión es un proceso ingenioso que implica cubrir un modelo de cera con la forma del producto final con material refractario, luego fundir la cera y reemplazarla con metal fundido.

Más información sobre Fundición por Inversión

• Guía de Fundición por Inversión (Libro electrónico)
• Capacidades de Fundición por Inversión en Eagle Precision Cast Parts, Inc.
• Caso de Estudio de Fundición por Inversión: De Fabricación Torpe a Fundición Elegante

Fundición en Arena Verde

La fundición en arena verde es una técnica versátil de fundición metálica con bajos costos de herramienta en la que se compacta arena húmeda unida con arcilla alrededor de un modelo para formar un molde. Los moldes resultantes pueden utilizarse para fundir casi cualquier aleación, y la mayoría de la arena utilizada para formar el molde puede recuperarse y reciclarse.

Más información sobre Fundición en Arena Verde

• Introducción a la Fundición en Arena Verde (publicación de blog)
• Capacidades de Fundición en Arena Verde en Eagle Aluminum Cast Products, Inc.

Fundición en Molde de Capa (Shell Molding)

También conocida como fundición en capa o moldeo en capa, la fundición en molde de capa fue inventada a mediados del siglo XX por un ingeniero alemán y posteriormente perfeccionada por fabricantes en EE. UU. y Alemania. El proceso implica recubrir un modelo con granos de arena recubiertos de resina que se unen entre sí con la aplicación de calor. La fundición en molde de capa proporciona un alto grado de precisión y una excelente repetibilidad.

Más información sobre Fundición en Molde de Capa

• Guía del Proceso de Fundición en Molde de Capa (Libro electrónico)
• Introducción a la Fundición en Molde de Capa (serie de blog)
• Capacidades de Moldeo en Capa en Eagle Alloy, Inc.

Fundición en Molde Permanente

La fundición en molde permanente, como su nombre indica, utiliza moldes reutilizables en lugar de los moldes desechables involucrados en la fundición en arena. El utillaje puede ser complicado de producir, y las aleaciones son algo limitadas según la temperatura de fusión, pero las series de alto volumen pueden lograr bajos costos por pieza. La repetibilidad, el acabado superficial y la precisión son excelentes en las piezas fundidas en molde permanente.

Más información sobre Fundición en Molde Permanente

• Introducción a la Fundición en Molde Permanente (publicación de blog)
• Caso de Estudio de Aspas de Ventilador de Aluminio Fundido en Molde Permanente
• Capacidades de Moldeo Permanente en Eagle Aluminum Cast Products, Inc.

Fundición en Arena Química (Airset / No-Bake)

Otra variante de la fundición en arena, la fundición en arena química, también conocida como fundición no-bake, utiliza arena unida químicamente que se solidifica a temperatura ambiente. El proceso puede ser más lento que la fundición en arena verde o el moldeo en capa debido al tiempo requerido para que los moldes se solidifiquen, pero el utillaje es económico y se puede lograr una excelente precisión dimensional y acabado superficial mediante la fundición en arena química.

Más información sobre Fundición en Arena Química

• Introducción a la Fundición en Arena Química (publicación de blog)
• Capacidades de Fundición en Arena Química en Eagle Alloy, Inc.

Fundición a Presión (Die Casting)

La fundición a presión es otro método de fundición que utiliza moldes reutilizables. En contraste con la fundición en molde permanente, la fundición a presión emplea inyección a alta presión para llenar rápida y completamente la cavidad del molde. La fundición a presión puede proporcionar excelentes parámetros de fundición, pero los costos iniciales a menudo limitan su uso a series de alto volumen.

Más información sobre Fundición a Presión

• ¿Qué es el Proceso de Fundición a Presión? (Video)

Fundición Metálica: Un Proceso de Fabricación Moderno con Raíces Ancestrales

Hoy en día, la fundición metálica es una industria de 33 mil millones de dólares que representa casi 200,000 empleos solo en EE. UU. Las fundiciones se utilizan en el 90 por ciento de los bienes duraderos, desde equipos de construcción hasta dispositivos médicos. Según la American Foundry Society, "La mayoría de las personas rara vez están a más de 10 pies de una fundición". Nuevas tecnologías y procesos mejorados están haciendo que las fundiciones metálicas sean mejores y más complejas que nunca, lo que significa que las fundiciones pueden expandirse a nuevos mercados, aumentando aún más la prevalencia de la industria de la fundición metálica.

Las instalaciones de fundición se asocian regularmente con el gobierno de EE. UU. y universidades para garantizar que la industria de la fundición se beneficie de investigaciones de vanguardia. Una de estas asociaciones con el Departamento de Energía de EE. UU. ya ha logrado desarrollar fundiciones más ligeras, fundiciones que requieren menos post-procesamiento y fundiciones que utilizan una gama más amplia de aleaciones.

Tecnologías relativamente nuevas, como la impresión 3D, pueden utilizarse junto con la fundición metálica para crear prototipos, modelos e incluso moldes más rápido que antes. Las organizaciones de defensa trabajan para hacer que este tipo de tecnología, y otras que pueden ayudar a avanzar en la industria de la fundición en su conjunto, estén más ampliamente disponibles. La Steel Founders Society of America (SFSA) está desarrollando actualmente una celda robótica que puede ser estudiada y adoptada por las fundiciones miembro. Su objetivo es mejorar la automatización en toda la industria, haciendo posible repatriar más empleos de fundición.

Mientras tanto, en el frente de la divulgación, la American Foundry Society (AFS) lleva a cabo una variedad de programas orientados a educar tanto al público como a los legisladores de EE. UU. sobre el potencial de la fundición metálica. Desde su asociación con la National Association of Manufacturers en la promoción del Día de la Fabricación hasta su evento anual Government Affairs Fly-in, AFS prioriza la preparación de la próxima generación de profesionales de la fundición.

Después de una larga historia de innovación, la fundición metálica sigue a la vanguardia de la tecnología de fabricación. Si bien el proceso esencial sigue siendo el mismo que el utilizado por los primeros fundidores, la fundición ha evolucionado más allá de sus humildes orígenes para satisfacer las necesidades de los consumidores modernos.

Más información sobre la Compra de Productos Fundidos en Bruto y Mecanizados