Análisis técnico exhaustivo de la fundición de aluminio en arena en la fabricación moderna

La fundición de aluminio en arena es uno de los procesos de fundición de metales más antiguos y versátiles, ampliamente utilizado en la fabricación moderna para producir componentes complejos, duraderos y rentables. Los fabricantes de fundición de aluminio en arena pueden generar geometrías complejas con características intrincadas que, de otro modo, habrían sido poco prácticas o rentables de mecanizar a partir de material sólido mediante el vertido de aluminio fundido en moldes de arena preparados. Este método es especialmente adecuado para la producción de volúmenes bajos y medios, la creación de prototipos y las piezas de fundición de alta resistencia estructural en aplicaciones que abarcan los sectores aeroespacial, automovilístico, de defensa y energético.

Lo más interesante del aluminio fundido en arena es que es a la vez flexible y funcional. El aluminio tiene una excelente relación resistencia/peso, resistencia a la corrosión y capacidad de reciclaje, lo que lo convierte en un excelente material de fundición. Junto con la resistencia térmica de la arena y su gran capacidad de moldeo, el proceso proporciona una capacidad de producción escalable con una excelente precisión dimensional. El diseño del patrón, la composición del molde, la calidad de la masa fundida y el diseño de las compuertas son factores clave para el éxito de cada colada.

Una excelente fundición de piezas moldeadas en arena de aluminio debe controlar no sólo los hechos clásicos de la tecnología del metal, sino también las innovaciones en los procesos. Las instalaciones actuales aplican la última tecnología para evitar defectos y garantizar el mejor rendimiento de la fundición mediante el uso de impresión 3D en arena, software de simulación y supervisión del proceso en tiempo real. En la actualidad, las piezas de aluminio de precisión y fundición son capaces de cumplir estrictas normas de ingeniería en materia de seguridad, tolerancia y durabilidad.

A medida que crece la demanda de componentes complejos con plazos de entrega más rápidos y menor impacto medioambiental, los servicios profesionales de fundición de aluminio en arena deben seguir evolucionando. Este artículo se adentra en los entresijos técnicos del propio proceso, su flujo de trabajo de ingeniería, materiales, retos, innovaciones, etc.

Fundamentos de la fundición de aluminio en arena

En esencia, la fundición de aluminio en arena consiste en verter aluminio fundido en la cavidad de un molde de arena, al que se da forma mediante un patrón que reproduce la geometría de la pieza final. Cuando el aluminio se solidifica, el molde de arena se sacude y queda la pieza fundida. El proceso también tiene una flexibilidad dimensional y una capacidad de escalado excepcionales en condiciones de fabricación de gran mezcla y bajo volumen.

El proceso se basa en el uso de un molde no permanente, la arena, que puede reciclarse y reutilizarse, minimizando el desperdicio de materiales y los gastos. Los moldes de arena suelen consistir en arena de sílice con un aglutinante añadido, y la naturaleza del sistema aglutinante suele influir considerablemente en el acabado superficial resultante, la precisión dimensional y la velocidad de enfriamiento.

El proceso de flujo en la ingeniería de fundición de aluminio en arena

La fundición de aluminio en arena es un proceso de ingeniería que consiste en un conjunto de actividades calibradas con precisión cuyo objetivo es transformar el aluminio en bruto en piezas específicas, bien construidas y de dimensiones exactas. Para que todas las etapas del proceso se desarrollen con éxito, es necesario contar con conocimientos tanto materiales como mecánicos. A continuación se analiza paso a paso la forma en que se lleva a cabo profesional y técnicamente la fundición de aluminio en arena.

1. Diseño y confección de patrones

En el proceso de fundición de aluminio en arena, el paso inicial es diseñar y fabricar el modelo, una copia física de la pieza de fundición final. Los márgenes que deben incluirse en los modelos son bastante críticos, como la contracción, el ángulo de inclinación y el material de mecanizado. Como el aluminio se contrae, durante el enfriamiento los modelos se colocan un poco más grandes que el componente acabado. La tasa de contracción de las aleaciones de aluminio se aplica normalmente al 1,3%; sin embargo, dependiendo de la aleación y de las condiciones de enfriamiento, puede variar.

A las partes verticales de los moldes se les asignan ángulos de desmoldeo, normalmente de unos pocos grados entre 1 y 3, para garantizar que el patrón pueda desmoldearse fácilmente en el molde de arena, teniendo cuidado de no destruir la cavidad. Se incluyen tolerancias adicionales (tolerancias de mecanizado) para que no haya una interacción adversa entre el postprocesado y la pieza final. Los patrones pueden ser de madera, metal, resina o incluso materiales poliméricos impresos en 3D, en función de las exigencias de precisión y las necesidades del volumen de producción.

2. Fabricación de moldes (moldeo y colocación de machos)

Después de preparar el patrón, hay que preparar el molde. Para el molde de aluminio fundido en arena, hay dos mitades separadas: la coquilla (mitad superior) y el arrastre (mitad inferior). Se fabrican rellenando la arena alrededor del molde en una cubeta. Dependiendo de la aplicación, la arena suele ser de sílice y se amalgama con aglutinantes como arcilla (arena verde) o resinas químicas (arena sin cocer).

En caso de que el diseño de la pieza tenga espacio interior y partes huecas, es necesario utilizar machos de arena. Se colocan en la cavidad del molde, tras lo cual se vierte el metal. Los machos pueden fabricarse utilizando cajas de machos, y en la producción de precisión, pueden imprimirse con mayor precisión utilizando la impresión 3D en arena. La huella exacta del núcleo es muy importante para que la estructura sea rígida y se ajuste a la dimensión final de la pieza.

3. Diseño del sistema de compuertas

La puntualidad y la eficacia del sistema de compuertas formado son importantes para el éxito del proceso de fundición de aluminio en arena. Este sistema consiste en una cubeta de colada, bebederos, canales y compuertas, que empujan el aluminio hacia el molde. Unas compuertas adecuadas evitarán muchas turbulencias, minimizarán la formación de burbujas y garantizarán un llenado uniforme.

También se necesitan bandas (también llamadas alimentadores), que pueden considerarse un depósito de metal fundido que compensa la dirección de la contracción que se produce tras la solidificación. Los ingenieros suelen utilizar programas informáticos de simulación de coladas para estudiar y optimizar los sistemas de compuertas y elevadores. La predicción se lleva a cabo mediante herramientas de simulación como MAGMASoft o ProCAST, de modo que los defectos típicos, como los cierres en frío, los errores de colada y la porosidad por contracción, puedan corregirse prácticamente antes de que tenga lugar la producción.

4. Fundición de Cu y tratamiento de metales

El aluminio suele fundirse en un horno de reverbero, un horno de crisol o un horno de inducción, y la elección depende del volumen del lote, las necesidades de la aleación y la cantidad de energía necesaria. La temperatura de fusión del aluminio puro es de unos 660 grados Celsius (1220 Fahrenheit), aunque las aleaciones pueden variar ligeramente su punto de fusión en función de su composición.

La absorción de gas, en concreto, la absorción de gas hidrógeno, es una de las grandes dificultades técnicas durante la fusión. El aluminio caliente absorbe muy fácilmente el hidrógeno, ya sea de la humedad del aire o de las figuras cargadas. Más que hidrógeno, se produce porosidad en la pieza fundida acabada. Como respuesta a esto, la masa fundida se expone a procedimientos de desgasificación, que a menudo implican la introducción de gases pasivos (como argón o nitrógeno) que se introducen en la masa fundida mediante un impulsor rotativo. También pueden añadirse agentes fundentes para eliminar los óxidos y las inclusiones de la masa fundida.

5. Lucha contra el metal fundido

Una vez que el aluminio fundido se ha limpiado y acondicionado, se vierte en el molde utilizando el sistema de compuertas. El vertido debe ser totalmente controlado y continuo, sin mezclar el molde y, por tanto, sin que se produzcan atrapamientos de aire y solidificación en una fase temprana. Las configuraciones manuales incorporan cucharones que son operados por personas formadas en altura y velocidad de vertido. El vertido robotizado es uno de los pasos que garantizan la seguridad y la alta repetibilidad en los sistemas automatizados.

La temperatura de vertido suele ser de 690-740 °C según la aleación y la complejidad del molde. El vertido a bajas temperaturas puede provocar cierres en frío o un llenado incompleto, y el vertido a altas temperaturas puede provocar más captación en el gas y oxidación.

6. Solidificación y enfriamiento

La etapa de solidificación es una de las más importantes del proceso de fundición de aluminio en arena. Cuando el aluminio se convierte en un sólido, se contrae, y la contracción debe tenerse en cuenta durante los diseños de la entrada y la salida. Los objetivos del enfriamiento controlado son la microestructura uniforme y la reducción de las tensiones internas y las cavidades de contracción.

Dependiendo de la geometría en las distintas zonas de la colada, y según el grosor de la pared, tienen velocidades de enfriamiento variables. En su lugar, se recurre a la solidificación direccional, la mayoría de las veces diseñando la colada de modo que la solidificación se produzca de fino a grueso, lo que dirige las cavidades de contracción hacia las bandas. Para acelerar el enfriamiento en determinadas regiones y regular así la estructura del grano y minimizar los defectos, una técnica consiste en utilizar enfriadores, insertos metálicos en el molde.

7. Sacudida, limpieza y preparación.

Una vez desmoldado con éxito, el molde se sacude para abrirlo después de que la pieza fundida se haya solidificado por completo en un proceso conocido como sacudido. El corte o esmerilado se realiza de forma mecánica o manual para eliminar la arena. El corte se realiza en la colada y en el sistema de compuertas y bandas.

La fundición suele salir con restos de arena en la superficie y depósitos de óxido, y para eliminar estos depósitos se llevan a cabo procesos de limpieza como granallado, esmerilado o incluso decapado químico. En esta fase también se realiza el fettling, en el que se elimina el metal innecesario y se afinan las superficies gruesas. También se retiran los machos que haya utilizado el molde.

8. Tratamiento térmico y mecanizado (en caso necesario)

Muchas piezas de aluminio de fundición en arena se someten a un tratamiento térmico posterior a la fundición para mejorar sus propiedades mecánicas. Entre los enfoques habituales se encuentran:

• Temple T5/ T6 de aleaciones de aluminio endurecidas por envejecimiento (por ejemplo, A356-T6), en las que la resistencia y la dureza aumentan considerablemente.
• Recocido, para eliminar las tensiones en su interior y hacerlo más dúctil.

El mecanizado de precisión puede ser necesario después del tratamiento térmico para cumplir las tolerancias finales, en particular en aquellas superficies que se acoplan con otras piezas o que deben tener dimensiones muy ajustadas. 

Contraejemplos: El fresado, taladrado y torneado CNC de piezas fundidas en arena son procesos posteriores habituales.

9. Garantía de calidad e inspección

El último paso es hacer una comprobación final para asegurarse de que la pieza fundida tiene las especificaciones correctas según lo requerido. A continuación se describe la garantía de calidad habitual de la fundición en arena de aluminio:

• Inspección basada en dimensiones (MMC, máquina de medición por coordenadas, o escaneado láser u otro).
• Pruebas no destructivas (NDT) como radiografía de rayos X, pruebas ultrasónicas o inspección por líquidos penetrantes que revelan los fallos internos o superficiales.
• Pruebas mecánicas de resistencia a la tracción, alargamiento y dureza, especialmente en el caso de piezas fundidas que se utilizan estructuralmente.
• Los datos de inspección se han registrado para poder rastrearlos y seguir mejorando las posteriores repeticiones del proceso.

Aspectos metalúrgicos de la fundición de aluminio en arena

Las aleaciones de aluminio aplicadas a la fundición en arena suelen dividirse en los dos grupos siguientes: aleaciones no tratables térmicamente y aleaciones tratables térmicamente. Las aleaciones conocidas son A356, A319 y 319.1, seleccionadas según las necesidades de resistencia, conductividad térmica y resistencia a la corrosión. Las velocidades de enfriamiento y los elementos de aleación como el silicio, el magnesio y el cobre tienen un gran efecto en la estructura del grano de la fundición.

Uno de los aspectos más exigentes del proceso de fundición de aluminio en arena es el del control de la porosidad. Además, la solubilidad del gas hidrógeno en el aluminio es muy alta en la fase líquida que en la sólida, lo que tiende a provocar microporosidad en la piscina de solidificación. Los métodos estándar para limitar este problema son la desgasificación al vacío y el lavado con gas inerte.

Materiales utilizados en la fundición de aluminio en arena

Los materiales utilizados en la fundición de aluminio en arena son fundamentales para el rendimiento, la fabricabilidad y la durabilidad del producto final. No sólo comprenden las aleaciones de aluminio, sino también diferentes tipos de arena, aglutinantes, así como materiales auxiliares en la fabricación de moldes y machos. Factores socioeconómicos. Al seleccionar cada material, es esencial alcanzar un compromiso sobre la colabilidad y las propiedades mecánicas, el acabado superficial y la rentabilidad. A continuación se presentan en detalle las principales categorías de materiales con las que se realiza el proceso.

1. Aleaciones de aluminio

La selección de la aleación de aluminio es la clave de cualquier proceso de fundición de aluminio en arena. Las distintas aleaciones ofrecen diversas propiedades mecánicas, de corrosión y de comportamiento térmico. En general, estas aleaciones se dividen en dos grandes categorías: aleaciones forjadas y aleaciones de fundición. La fundición en arena también utiliza aleaciones de aluminio de fundición, ya que son las más adecuadas para la fundición, la fluidez y la solidificación.

La mayoría de las veces, las aleaciones de aluminio fundido son:

A356 (Al-Si7-Mg):

Se trata de una de las aleaciones más populares en el ámbito de los servicios de fundición en arena de aluminio. Es extremadamente moldeable, tiene una resistencia a la corrosión relativamente buena y puede tratarse térmicamente hasta el temple T6 (alta resistencia, alta ductilidad), que la hace más útil. Es posible someterlo a tratamientos de endurecimiento mediante la adición de magnesio.

319 (Al-Si-Cu-Mg):

También se conoce la buena resistencia al desgaste y la maquinabilidad del 319, que se aplica en automoción e ingeniería general. Pero su resistencia a la corrosión es peor que la del A356.

535 (Al-Mg):

Es una aleación con alto contenido en magnesio, por lo que tiene muy buena resistencia a la corrosión y al impacto. Se utiliza en aplicaciones aeroespaciales y marinas.

Aleaciones de aluminio-silicio (Al-Si):

Estas aleaciones han recibido el reconocimiento por su gran fluidez y su menor contracción, especialmente cuando se utilizan en componentes complejos como piezas de aluminio moldeadas en arena.

Aditivos y refinadores de cereales:

Para mejorar la calidad de la colada, a fin de reducir la porosidad y mejorar las propiedades mecánicas, pueden añadirse aleaciones maestras de titanio-boro (por ejemplo, AlTi5B1) para proporcionar un refinamiento del grano. La modificación de la etapa de silicio en las aleaciones Al-Si suele emplear estroncio, que aumenta la ductilidad y disminuye el desgarro en caliente.

2. Materiales de arena

En el método, el principal material de moldeo es la arena en el proceso de la fundición de aluminio en arena. Su finalidad es crear la cavidad del molde en la que se vierte el aluminio fundido. La arena debe ser capaz de tolerar altas temperaturas (por encima de 700 o C), ser dimensionalmente precisa, y también ser capaz de soportar la erosión por la corriente de metal.

La arena que debe utilizarse:

Arena de sílice:

Es la arena más utilizada y la más barata. Es buena tanto en términos de refractariedad como de trabajabilidad. Pero presenta problemas de dilatación térmica, lo que puede provocar defectos de fundición como vetas o desgarros en caliente, a menos que se controle bien.

Arena de cromita:

Esta arena posee una mejor conductividad térmica y resistencia al choque térmico, por lo que puede utilizarse en revestimientos de alta temperatura, así como en fundiciones de sección gruesa de piezas de gran tamaño.

Arena de circón:

Se utiliza en aplicaciones en las que la precisión de las dimensiones es de suma importancia. Es mucho más costoso, pero tiene una dilatación térmica muy baja y una alta refractariedad.

El tamaño de un grano de arena:

La arena de grano fino da un acabado más liso a la superficie y afecta a la permeabilidad. La arena de grano grueso aumenta la permeabilidad y la resistencia del molde; sin embargo, el producto final podría ser más rugoso. En cuanto a la geometría de la pieza y las especificaciones de acabado, suele optarse por un compromiso.

3. Ligantes y aditivos

Fundición de aluminio en arena: La arena utilizada en la fundición de aluminio se mantiene unida mediante un aglutinante, creando un molde lo suficientemente sólido como para aguantar bajo la presión del aluminio fundido. Los aglutinantes pueden ser orgánicos o inorgánicos, y se eligen en función del sistema de arena que se utilice.

Aglutinantes de arena verde:

Arcilla bentonita:

Arcilla hinchable que se utiliza en un sistema de arena verde para ofrecer plasticidad y cohesión. Se mezcla con agua para formar material de moldeo reutilizable.

Agua:

Es un activador en arenas verdes y ayuda a la unión entre la arcilla y compacta la arena.

Sistemas de arena aglomerada químicamente:

Resina de furano:

Un aglutinante natural de gran resistencia y buen acabado. Normalmente se aplican en un sistema de horneado.

• La caja fría de uretano fenólico (PUCB) fue el último tipo de producto.
• Tiene una gran resistencia del núcleo y precisión dimensional. Dietz se emplea ampliamente en la producción de machos.

Aditivos:

Probablemente las minas más antiguas del mundo son las minas de carbón de este distrito carbonífero; se extienden a una profundidad de 2.200 pies o más, y se sabe que continúan junto a la veta, hacia el mar, donde el carbón se llama carbón de mar, o polvo de carbón.

Se incorpora con arena verde para realzar el color negro en la superficie del molde y eliminar defectos en la fundición, como la penetración del metal.

Óxido de hierro:

Es útil para disminuir las vetas y las fallas de dilatación en las zonas calientes.

Grafito:

Mejora la fabricación de arena cuando posee altos niveles de fluidez y desmoldeo.

4. Materiales básicos

Los huecos internos y las formas intrincadas en las llamadas piezas de aluminio de fundición en arena se producen mediante machos. Suelen fundirse en arena de sílice de gran pureza, con un sistema aglutinante idéntico al del molde, pero con frecuencia más rígido y preciso.

Los materiales que son importantes en la producción del núcleo son:

• Arena de sílice ( malla alta )
• Ligantes (resina de furano o PUCB)
• Alambres de ventilación o respiraderos de núcleo, para permitir el escape del gas en la fundición.

La inyección de aglutinante en machos de arena impresos en 3D se está popularizando en las fundiciones de alta tecnología. De este modo se elimina el uso de cajas de machos y se pueden crear prototipos de geometrías complejas.

5. Recubrimiento de moldes y lavado de moldes

Se aplican revestimientos refractarios (o lavados de molde) para mejorar el acabado superficial de la pieza fundida o para proporcionar protección térmica y química al molde o al núcleo.

Tales materiales de revestimiento comunes son:

Revestimientos a base de circón 

Los revestimientos a base de circón también son excelentes por su refractariedad y propiedades aislantes en aleaciones de aluminio de alta temperatura.

Revestimientos a base de grafito:

Favorecen un lance fácil y son aplicables en zonas frías.

A base de aluminosilicato: 

Los revestimientos a base de aluminosilicato son revestimientos protectores de uso general que minimizan los defectos superficiales.

El proceso de aplicación de estos revestimientos se realiza mediante cepillado, pulverización o inmersión, y luego se seca antes de verter el metal. Mitigan el peligro de erosión por arena, penetración del metal y desarrollo relacionado con el gas.

6. Otros materiales auxiliares y de proceso

Otros materiales utilizados en los servicios de fundición en arena de aluminio son:

Flujos:

Para limpiar la masa fundida y eliminar las inclusiones no metálicas. Dependiendo del tipo de aleación utilizada, son comunes los fundentes a base de cloruro o de fluoruro.

Pastillas desgasificadoras o gases:

Puede tratarse de pastillas de hexacloroetano o similares, aunque en las fundiciones actuales se prefiere la desgasificación con gas argón por motivos medioambientales y de seguridad.

Sondas, termopares y pirómetros:

Los sensores de temperatura están disponibles en forma de aleaciones de alta temperatura y materiales cerámicos para controlar las condiciones de la masa fundida y el molde.

Materiales exotérmicos para manguitos y tubos ascendentes :

Se coloca en elevadores para mantener la alimentación de metal fundido durante más tiempo. Tienen materiales aislantes o exotérmicos que desprenden calor en la solidificación.

La función de la fundición de aluminio en arena

La fundición más sofisticada es la llamada fundición de aluminio en arena, que cuenta con máquinas de moldeo, estaciones de producción de machos, hornos de fusión y sistemas de inspección. Las fundiciones están especializadas en fundición, máxima calidad del artículo fundido, tiempo de ciclo mínimo y máxima eficiencia del material. Las fundiciones desarrolladas combinan herramientas digitales como:

• Simulación: Los denominados programas de simulación (como MAGMASoft y FLOW-3D Cast) simulan el llenado y la solidificación del molde y permiten a los ingenieros de fundición afinar el diseño de las compuertas y prever los fallos.
• Núcleo automático: Las formas interiores complicadas podrían crearse fácilmente con los nuevos núcleos de arena impresos en 3D con el uso que disminuye el gasto en utillaje y tiempo.
• Ensayos no destructivos (END): Esto implica el uso de rayos X, ultrasonidos y líquidos penetrantes para determinar la integridad de la pieza fundida.

Una fundición de aluminio en arena de éxito dispone de un sistema de control de calidad con todas las normas mundiales, como ASTM B26, ISO 8062-3 y AMS 4218 para garantizar una calidad estable de las aleaciones de aluminio fundidas.

Ventajas de los servicios de fundición de aluminio en arena

Los servicios profesionales de fundición de aluminio en arena ofrecen soluciones integrales de fundición, que incluyen consulta de diseño, creación rápida de prototipos, utillaje y posprocesamiento. Se trata de servicios de suministro de piezas para fabricantes de equipos originales y proveedores de primer nivel que necesitan plazos de entrega rápidos, geometrías de piezas personalizadas y funcionalidad.

Algunas de ellas son las principales ventajas:

• Bajos gastos de utillaje: La fundición en arena exige menos costes de utillaje que la fundición a presión, lo que la convierte en la mejor opción para series cortas.
• Servicio: Se aconseja a los proveedores de servicios que propongan aleaciones personalizadas en función de las características mecánicas o térmicas requeridas.
• Creación rápida de prototipos: Es posible preparar un prototipo en días en lugar de semanas con el uso del patronaje digital actual.

A medida que las industrias exigen ciclos de producto más rápidos y una mayor personalización, fundición en arena de aluminio de alta calidad servicios se convierten en socios inestimables en las cadenas de suministro.

Precisión y rendimiento en piezas de aluminio moldeadas en arena

La fundición en arena de piezas de aluminio sigue siendo una piedra angular en la producción de bloques de motor, carcasas de transmisión, tapas de colectores y componentes aeronáuticos. El proceso también permite fabricar piezas con geometrías sencillas y complejas y espesores de pared de entre 3 y 75 mm, en función de la resistencia del molde y la fluidez de la aleación.

Los principales parámetros de rendimiento de las piezas de aluminio moldeadas en arena son:

• Tolerancia dimensional: Capaces de tolerar entre un 0 y un 0,5 por ciento de sus valores nominales en función de la calidad de los moldes.
• Rugosidad superficial: Se sitúan entre 150 -500 RMS, aunque con un proceso secundario pueden ser más finos.
• Resistencia mecánica: La resistencia a la tracción depende de la aleación y del tratamiento, y suele oscilar entre 170 y 300 milímetros de Pascal (MPa).

Los ingenieros pueden disminuir la cantidad de defectos de contracción y hacer estructuras uniformes durante la estructura del grano a través de sistemas de gating y riser cuidadosamente seleccionados.

Retos e innovaciones en la fundición de aluminio en arena

Aunque la fundición de aluminio en arena ha superado la prueba del tiempo como método de fabricación versátil y rentable, se enfrenta a múltiples retos técnicos y operativos que afectan a la calidad de la fundición, la eficiencia de la producción y la escalabilidad. Por suerte, el proceso se está transformando enormemente con la ayuda de nuevas soluciones innovadoras, ya que la industria afronta estos retos con nuevas herramientas y tecnologías. A continuación desglosamos con más detalle tanto los retos que siguen asolando el arte de la fundición de aluminio en arena como las innovaciones emergentes que parecen haber surgido en este campo.

1. Calidad de la masa fundida y porosidad del gas

Desafío:

Uno de los problemas más críticos y persistentes en la fundición de aluminio en arena es la porosidad gaseosa, debida principalmente a la absorción de hidrógeno. Cuando está fundido, el Aluminio tiene tendencia a absorber gas hidrógeno, especialmente en presencia de condiciones húmedas o bajo abuso por la utilización de materiales de carga contaminados. Al enfriarse el metal, la solubilidad del hidrógeno disminuye, por lo que el gas precipita, formando diminutos agujeros en la fundición. Tales poros limitan seriamente la resistencia a la fatiga y las capacidades de estanqueidad, así como la resistencia mecánica.

Innovación:

La solución a este problema se ha resuelto empleando la moderna tecnología de desgasificación en las fundiciones modernas, como la tecnología de desgasificación rotativa, el uso de gases inertes como el argón o el nitrógeno. Estos sistemas agitan la masa fundida para aumentar su superficie y liberar el hidrógeno atrapado. Además, se utilizan sistemas de desgasificación en línea de anillos rasantes para eliminar óxidos e inclusiones. Algunas plantas incluso están instalando sensores de control de gases en tiempo real para evaluar el estado del hidrógeno durante la fusión y el vertido.

2. La tristeza dimensional y el moho que se pega a ella

Desafío:

Mantener tolerancias dimensionales estrictas con el método de fundición de aluminio en arena no es fácil porque el molde de arena es algo variable. Estos cambios geométricos pueden ser provocados por la compactación de la arena, el contenido de humedad, así como la expansión térmica, entre otros, provocando así que algunas piezas ya no estén dentro de sus especificaciones. Además, los patrones reutilizables denotan una mayor probabilidad de vibración a la deriva dimensional, y no se considera con el tiempo.

Innovación:

Para contrarrestar esta situación, numerosas fundiciones están utilizando máquinas de moldeo controladas digitalmente que proporcionan una presión uniforme en la compactación de los moldes y consiguen cierto grado de uniformidad en la calidad de los mismos. La impresión en arena 3D (binder jetting) está transformando la creación de moldes, ya que no requiere un patrón físico. Estos moldes de fundición son muy precisos hasta el nivel de micras, adecuados para la creación de prototipos y pequeñas series de fabricación. Junto con el software de simulación de fundición, los ingenieros pueden simular cambios dimensionales al enfriarse y compensar los cambios en el diseño del patrón.

3. Automatización ligera y gran dependencia de la mano de obra

Desafío:

Los procesos tradicionales de fundición de aluminio en arena requieren mucha mano de obra, sobre todo en la preparación del molde, el vaciado y el acabado. Las operaciones manuales no sólo reducen el rendimiento, sino también la variabilidad de la fundición. Además, el uso de mano de obra cualificada puede suponer un cuello de botella, sobre todo en zonas con escasez de mano de obra.

Innovación:

La automatización robótica está cambiando operaciones repetitivas y arriesgadas como la actualización de moldes, el vertido y el rectificado. Los robots colaborativos (cobots) tendrían la capacidad de colaborar con las personas en el montaje fundamental y la extracción de piezas fundidas. Las fundiciones también están adoptando instalaciones de vertido automatizadas que cuentan con sensores láser y sistemas de visión para permitir controlar con precisión el equilibrio en las velocidades de vertido y la temperatura de vertido. Estos avances no sólo contribuyen a la eficacia de la producción, sino también a la seguridad y la unificación en el lugar de trabajo.

4. Predicción de la causa raíz de los defectos de fundición

Desafío:

La preocupación por los defectos de fundición, como los cortes en frío, los desgarros en caliente, los agujeros de contracción y las inclusiones, sigue siendo uno de los principales factores que contribuyen al desperdicio de material y a los defectos de los productos. La causa principal de estos defectos debe identificarse y eliminarse para evitar que vuelvan a producirse, lo que exigiría un profundo conocimiento de la dinámica de fluidos, los gradientes térmicos y la dinámica de las aleaciones, aspectos que no están fácilmente disponibles en cualquier fundición sin medidas especiales.

Innovación:

Recientemente se dispone de sofisticados paquetes de modelado de dinámica de fluidos computacional (CFD) y solidificación que permiten al ingeniero simular todo el proceso de fundición en un mundo virtual. Los programas informáticos FLOW-3D Cast, ProCAST y MAGMASoft son algunos de los que permiten prever los defectos del acero fundido y dónde es probable que se formen antes de verter el metal. Estas herramientas se utilizan para optimizar los sistemas de compuertas, la colocación de las canalizaciones verticales y las estrategias de refrigeración para obtener piezas fundidas sin defectos. Además, se está trabajando en modelos de aprendizaje automático en los que los datos de defectos del pasado se utilizan para analizar y dar recomendaciones en tiempo real sobre el proceso que debe ajustarse.

5. Sostenibilidad del medio ambiente y gestión de residuos

Desafío:

La fundición de aluminio en arena genera residuos en forma de arena usada, escoria metálica, residuos de fundente y piezas fuera de especificación. La eliminación de la arena, en particular, plantea un problema, ya que la arena aglomerada químicamente puede no ser fácil de reciclar. Además, el elevado consumo de energía en el proceso de fundición contribuye en gran medida a la huella de carbono en los procesos de fundición.

Innovación:

La mayoría de las fundiciones progresistas están invirtiendo en sistemas de recuperación de arena de circuito cerrado, que reciclan la arena previamente utilizada mediante procesos termomecánicos. Estos sistemas reducen el número de vertederos y el coste de las materias primas. Desde el punto de vista energético, los hornos de fusión por inducción son más eficientes y tienen emisiones mínimas que sus análogos tradicionales, los hornos de reverbero de gas. La energía solar, el reciclado del calor residual y el control de la energía en tiempo real también están ayudando a las fundiciones a reducir el impacto ambiental, ya que cumplen los requisitos normativos, cada vez más estrictos.

6. Restricciones impuestas por las aleaciones y dificultad de la metalurgia

Desafío:

El uso de aleaciones de aluminio aplicables en la fundición en arena está asociado a un compromiso entre la colabilidad, las propiedades mecánicas y la capacidad de tratamiento térmico. Algunas aleaciones de alto rendimiento tienen poca fluidez o son propensas al desgarro en caliente durante la solidificación, por lo que no pueden utilizarse en formas complejas.

Innovación:

Los metalúrgicos están elaborando nuevas especificaciones de aleaciones de aluminio especialmente diseñadas para la fundición en arena. Se trata de aleaciones modificadas con tierras raras, que mejoran la fluidez y minimizan el agrietamiento, y polvos de aluminio endurecidos con nanopartículas, que presentan mejores relaciones resistencia-peso. También se están normalizando los procesos de refinamiento del grano mediante aleaciones maestras (por ejemplo, Al-Ti-B) para favorecer una microestructura uniforme de las aleaciones y garantizar mejores propiedades mecánicas tras la fundición.

7. Digitalización y fundiciones inteligentes

Desafío:

Las fundiciones convencionales se guían básicamente por conocimientos que en su mayoría están relacionados con la experiencia y no con datos en tiempo real, por lo que existe incoherencia y una trazabilidad mínima en la producción.

Innovación:

Las fundiciones inteligentes están surgiendo gracias a la aparición práctica de las tecnologías de la Industria 4.0. Estas instalaciones utilizan sensores IoT, análisis en la nube y gemelos digitales para observar las temperaturas, la presión, la humedad y las condiciones del molde en las distintas fases del proceso de fundición. La información relativa a las distintas etapas se integra en cuadros de mando centralizados, lo que permite predecir el mantenimiento, la garantía de calidad y la mejora continua. Los gemelos digitales, que crean las versiones virtuales ampliadas de todo el proceso de fundición, pueden utilizarse para optimizar el proceso y rastrear las causas fundamentales sin parar la producción.

Conclusión

La fundición de aluminio en arena sigue desempeñando un papel fundamental en la producción industrial, ya que permite fabricar piezas sencillas y complejas con eficacia y economía. El proceso se hace aún más preciso, sostenible y flexible para adaptarse a las necesidades de la fabricación moderna a medida que avanza el campo de la ciencia de los materiales y la tecnología de fundición. A medida que crece la industria relacionada con la simulación, la automatización y la investigación de aleaciones, alcanzada la capacidad de una fundición de aluminio en arena, se hace esperar un resurgimiento de este tipo de artesanía debido a la demanda de piezas metálicas ligeras y de alto rendimiento.

Ya sea a través de los servicios especializados de fundición en arena de aluminio o de la meticulosa ingeniería que hay detrás de la fundición en arena piezas de aluminioEsta técnica seguirá siendo esencial para las industrias que valoran la integridad estructural, la flexibilidad de diseño y la producción rentable.

Preguntas frecuentes Preguntas frecuentes 

1: ¿Qué es la fundición de aluminio en arena?

La fundición de aluminio en arena es un proceso en el que se vierte aluminio fundido en moldes de arena para crear piezas metálicas complejas. Puede utilizarse perfectamente cuando se necesita una producción de volumen bajo a medio y se trata de piezas de gran tamaño.

2: ¿Dónde se utilizan las piezas de aluminio moldeadas en arena?

Las piezas de aluminio de fundición en arena se utilizan habitualmente en los sectores automovilístico, aeroespacial, naval e industrial para componentes como carcasas, soportes y piezas de motor.

3: ¿Qué debo hacer para seleccionar una fundición de aluminio en arena adecuada?

Busque una fundición conocida como fundición de aluminio en arena con una amplia gestión de la calidad, apoyo de ingeniería, conocimiento de las aleaciones y otras capacidades de valor añadido como mecanizado y tratamiento térmico.