Fundición en arena, a presión y a la cera perdida: Elegir el proceso adecuado para sus piezas metálicas

Debido a su adaptabilidad, rendimiento y coste comparativamente menor, algunos procesos de fundición se usan ampliamente en fabricación con muchas aplicaciones industriales. Por ejemplo, la fundición en arena, a presión y a la cera perdida son procesos ampliamente usados mundialmente para fabricar piezas metálicas para industrias de consumo, automoción, médica y aeroespacial.

Aunque los tres procesos pueden producir piezas metálicas de buena calidad, uno se adaptará mejor a su aplicación que los otros porque cada procedimiento tiene sus beneficios y limitaciones. El enfoque ideal depende de sus requisitos, complejidad del diseño, características de los materiales y otros elementos cruciales de su diseño de pieza.

Fundición de metales

¿Qué son las fundiciones de metales? Simplemente, el proceso de fundición implica fundir metal y verter el material fundido en un molde preparado para darle forma. La mayoría de técnicas de fundición actuales varían en cómo se maneja y coloca el metal fundido en el molde. Dependiendo del diseño de la pieza, los procesos de fundición pueden producir piezas con forma neta. Por tanto, no se requieren operaciones de mecanizado adicionales para lograr la forma y ajuste finales requeridos.

Un diseñador de producto debe saber cómo funciona cada proceso y cómo difiere de los otros para decidir cuál es mejor para el componente: fundición en arena, a presión o a la cera perdida. El diseñador solo puede elegir el proceso más adecuado para la aplicación conociendo sus complejidades, demandas y resultados.

Repasemos rápidamente los tres procedimientos de fundición.

¿Qué es la fundición a presión?

La fundición a presión es un proceso popular de fundición en molde permanente en el que el metal fundido se fuerza en el molde a presión, solidificándose en una fundición metálica. Las fundiciones a presión se usan comúnmente en carcasas automotrices, componentes de electrodomésticos y juguetes.

¿Qué es la fundición en arena?

La fundición en arena difiere ligeramente de la fundición a presión. Primero, el metal fundido se vierte manualmente en un molde de arena desechable, que se enfría en una forma 3D.

¿Qué es la fundición a la cera perdida (investment casting)?

En la fundición a la cera perdida, el material fundido se vierte en un molde hecho de material refractario. Una vez que el metal solidifica dentro del molde, la fundición se extrae rompiendo el molde refractario. Un modelo de cera se usa para hacer un molde con material refractario.

¿Cuáles son las diferencias entre fundición en arena, a presión y a la cera perdida?

La fundición en arena, a la cera perdida y a presión son excelentes opciones para diversas aplicaciones. Son eficientes, tienen calidad comparable y pueden fundir materiales similares. Por tanto, determinar un ganador claro al evaluar diferencias puede ser complicado.

Sin embargo, existen diferencias significativas al decidir entre los procesos de fundición a la cera perdida, a presión y en arena. Conocerlas beneficia al diseñador de producto para tomar decisiones informadas.

Aquí están las ocho diferencias más significativas entre los procesos de arena, cera perdida y presión.

Diseño y material del molde

La diferencia principal es el material usado para crear el molde.

Los moldes de fundición a presión son de metal permanente, mientras que los de fundición en arena son de arena desechable. La fundición a la cera perdida requiere un recubrimiento refractario especial alrededor del modelo de cera para hacer el molde.

Debido al molde permanente, la fundición a presión tiene una tasa de producción más rápida que la fundición en arena y a la cera perdida, donde el fabricante debe rehacer el molde cada vez. La fundición a la cera perdida tiene la ventaja de más piezas por molde, ya que múltiples piezas se funden en un solo árbol.

La calidad de la arena usada impacta significativamente la calidad superficial de la fundición. En cambio, el molde metálico de fundición a presión y el material refractario de slurry fino en fundición a la cera perdida dan un acabado más liso que la fundición en arena.

Los moldes de fundición en arena y a la cera perdida se destruyen cada vez, mientras que el molde de fundición a presión está listo inmediatamente tras una colada. Esta cualidad y la velocidad de procesamiento son de los aspectos más importantes. Por eso la fundición a presión se prefiere generalmente en entornos de producción de alta velocidad.

Debido a esta disparidad, la fundición en arena es menos adecuada para aplicaciones que requieren velocidad. Por otro lado, el proceso es relativamente rentable y versátil, ideal para aleaciones y formas inusuales. Además, los diseñadores tienen más libertad porque el proceso de fabricación es simple y puede manejar fácilmente una amplia gama de aleaciones.

Tipos de fundición	Material y producción del molde
Fundición en arena	Molde desechable Material: Arena 1–2 semanas
Fundición a presión	Molde permanente Material: Metal 4–10 semanas
Fundición a la cera perdida	Molde desechable Material: Material refractario 7–10 días desde modelo de cera a fundición completa

Material

La fundición a la cera perdida y en arena pueden fundir cualquier material. Sin embargo, la fundición a presión se usa generalmente para fundir piezas de metales no ferrosos con bajo punto de fusión. Por tanto, zinc, aluminio, magnesio y latón se usan ampliamente en fundición a presión, mientras que aleaciones de aluminio, latón, hierro fundido y acero fundido son materiales populares en fundición en arena.

La fundición a la cera perdida es muy similar a la fundición en arena, pudiendo fundir cualquier material.

Tipos de fundición	Fundición en arena	Fundición a presión	Fundición a la cera perdida
Metales fundibles	Ilimitados	Metales de bajo punto de fusión	Ilimitados

Propiedades de la pieza

Las piezas de fundición a presión son generalmente más duraderas que las de arena y cera perdida debido a las altas presiones del proceso. Además, la alta presión asegura que no haya huecos internos y que el producto esté mayormente libre de defectos internos.

La fundición a presión se enfría más rápido que la fundición en arena, dando a las piezas una microestructura más fina y uniforme. Típicamente esta microestructura mejora propiedades mecánicas hasta un 20%.

• Fundición en arena – Propiedad del material comparativamente pobre
• Fundición a presión – Buenas propiedades mecánicas y microestructura por alta presión
• Fundición a la cera perdida – Propiedades mecánicas y microestructura dependen del método pero típicamente están entre arena y presión.

Características de fundición	Fundición en arena	Fundición a presión	Fundición a la cera perdida
Tamaño pieza – Peso (kg) – Mín	0,01	< 0,01	0,001
Tamaño pieza – Peso (kg) – Máx	Sin límite	50	100
Porosidad (1–mejor a 5–peor)	3–5	1–3	5
Complejidad forma (1–mejor a 5–peor)	1–2	3–4	1

Complejidad de piezas

Otra distinción es la complejidad general de las piezas. La fundición a la cera perdida y en arena pueden manejar diseños mucho más intrincados y extensos que la fundición a presión. La fundición a presión proporciona mayor precisión dimensional y velocidad pero está limitada en su capacidad para producir formas complejas.

La fundición a la cera perdida y a presión también están limitadas y son adecuadas para piezas pequeñas a medianas comparadas con la fundición en arena.

Características	Arena	Presión	Cera perdida
Tamaño pieza – Peso (kg) – Mín	0,01	< 0,01	0,001
Tamaño pieza – Peso (kg) – Máx	Sin límite	50	100
Complejidad forma (1–mejor a 5–peor)	1–2	3–4	1

Espesor de pared

La fundición en arena generalmente resulta en paredes más gruesas. Paredes gruesas significan más margen para corregir errores mediante mecanizado y post-procesado pero también son más pesadas.

Proceso	Espesor mínimo sección	Espesor máximo sección
Fundición en arena	3,00 mm	Sin límite
Fundición a presión	0,50 mm	12,00 mm
Fundición a la cera perdida	1,00 mm	75,00 mm

La fundición a presión produce paredes más delgadas manteniendo mayor precisión dimensional. Por tanto, la fundición en arena no es adecuada para objetos pequeños con tolerancias ajustadas; mantener consistencia y mejores resultados se vuelve extremadamente difícil. La fundición a la cera perdida también puede producir paredes delgadas y es buena opción para formas y características complejas.

Volumen de producción

Uno de los beneficios de la fundición en arena es que tiene menos requisitos de utillaje. Como resultado, el proceso toma comparativamente menos tiempo y puede dar buenos resultados inmediatamente. La fundición a presión, por otro lado, es más adecuada para producción de alto volumen debido a su utillaje inicial más complejo y lento.

La fundición a la cera perdida puede producir más piezas por lote porque múltiples piezas pueden fundirse por árbol, pero el tiempo de configuración inicial es similar a la fundición a presión.

Características	Arena	Presión	Cera perdida
Tasa producción típica (piezas/molde-hora)	1–20	2–200	1–1000
Cantidad mínima	1	10,000	10

Sin embargo, recuerde que la fundición a presión es más rápida para grandes volúmenes. La producción rápida significa que la fundición a presión le permitirá producir mil piezas en menos tiempo que el método alternativo. Pero el tiempo de utillaje inicial requerido para fundición a presión hace que el otro proceso sea mejor si solo necesita 100–150 o menos productos.

Tolerancia y precisión

La fundición a presión ofrece la mejor precisión de tolerancia de las tres. Estos son típicos para aluminio, ya que la precisión y tolerancia del proceso dependen de factores como:

• Complejidad del diseño
• Tipo de equipo de modelo y molde
• Metal y aleación usada
• Condición del modelo y molde
• Métodos de trabajo de la fundición

Dimensión	Fundición a presión	Fundición en arena	Fundición a la cera perdida
Hasta 25 mm	± 0,050 mm	± 2,00 mm	± 0,250 mm
Hasta 50 mm	± 0,075 mm	± 2,00 mm	± 0,350 mm
Hasta 75 mm	± 0,100 mm	± 2,00 mm	± 0,400 mm
Hasta 100 mm	± 0,125 mm	± 3,00 mm	± 0,500 mm

Consulte los siguientes estándares para tablas y gráficos de tolerancia y precisión de fundición.

• ISO 8062 – Tolerancia dimensional de fundición y tolerancias de mecanizado

Acabado superficial

Otro factor crítico es el acabado superficial del producto final. La fundición en arena produce una superficie gruesa y rugosa que puede requerir tratamiento o mecanizado adicional tras el enfriamiento. La fundición a presión, sin embargo, tiene un excelente acabado superficial que rara vez requiere tratamiento adicional.

La fundición a la cera perdida típicamente produce un excelente acabado superficial debido al material de slurry fino.

Coste

Como todos los procesos de fabricación, el coste unitario depende de varios factores, incluyendo material, mano de obra y equipamiento. Por ejemplo, la fundición en arena requiere más mano de obra que las otras, la fundición a presión requiere moldes y maquinaria caros, y la fundición a la cera perdida requiere largos tiempos de producción.

Comparado con la simplicidad de la arena, hacer un molde metálico para fundición a presión cuesta más. Además, los moldes metálicos necesitan más tiempo y experiencia, elevando el coste global del proceso.

Proceso	Coste molde	Coste equipamiento	Coste mano obra	Tasa producto (piezas/h)
Fundición en arena	Bajo	Bajo	Bajo–Medio	< 20
Fundición a presión	Alto	Alto	Bajo–Medio	< 200
Fundición a la cera perdida	Medio–Alto	Bajo–Medio	Alto	< 1000

El tiempo de desarrollo también varía entre procesos y aumenta el coste global.

• Fundición en arena – 2–10 semanas de tiempo de desarrollo
• Fundición a presión – 12–20 semanas
• Fundición a la cera perdida – 5–16 semanas

Ventajas y desventajas de fundición en arena, a presión y a la cera perdida

Tipo fundición	Ventajas	Desventajas
Fundición en arena	Casi cualquier metal puede fundirse Sin límite en tamaño, forma o peso de pieza Coste de utillaje bajo	Acabado requerido Acabado superficial grueso Tolerancias amplias
Fundición a presión	Excelente precisión dimensional Excelente acabado superficial Baja porosidad Alta tasa de producción	Coste de molde alto Tamaño de pieza limitado Generalmente limitado a metales no ferrosos Largo plazo de entrega
Fundición a la cera perdida	Formas de pieza intrincadas Excelente acabado superficial y precisión Casi cualquier metal puede fundirse	Tamaño de pieza limitado Modelos y moldes caros Mano de obra cara

Características de fundición en arena, a presión y a la cera perdida

Características	Arena	Presión	Cera perdida
Tamaño pieza – Peso (kg) – Mín	0,01	< 0,01	0,001
Tamaño pieza – Peso (kg) – Máx	Sin límite	50	100
Acabado superficial típico (Ra µm)	5–250	1–2	0,3–2
Porosidad (1–mejor a 5–peor)	3–5	1–3	5
Complejidad forma (1–mejor a 5–peor)	1–2	3–4	1
Precisión dimensional (1–mejor a 5–peor)	3	1	1
Espesor pared – Mín	3	0,5	1
Espesor pared – Máx	Sin límite	12	75
Tolerancia dimensional típica (mm)	1,6–4,0	±0,001–0,005	±0,005
Tasa producción típica (piezas/molde-hora)	1–20	2–200	1–1000
Cantidad mínima	1	10,000	10