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La mayoría de los compradores no se interesan por la fundición de precisión porque les guste estudiar los procesos de fundición. Por lo general, acuden con un problema.
La fabricación de un conjunto soldado está llevando demasiado tiempo. Los costes de mecanizado no dejan de aumentar. Una pieza presenta una curva complicada que resulta difícil de fresar. O tal vez el proveedor actual pueda fabricar el componente, pero no con la consistencia necesaria.
Ahí es donde merece la pena hablar del moldeo por inversión.
Fundición a la cera perdida, también conocido como fundición a la cera perdida, es un proceso de conformado de metales que se utiliza para fabricar piezas con formas complejas, detalles precisos, tolerancias relativamente ajustadas y un acabado superficial liso. Se utiliza habitualmente para válvulas de acero inoxidable, impulsores de bombas, soportes para la automoción, instrumentos médicos, piezas de turbinas, herrajes marinos, componentes de maquinaria industrial y muchos otros productos que, de otro modo, requerirían varias etapas de fabricación.
La respuesta rápida es sencilla: se fabrica un modelo de cera, se recubre de cerámica, se retira la cerámica y se sustituye por metal fundido.
Parece fácil.
No lo es.
La calidad final depende de docenas de pequeñas decisiones, desde la temperatura de la cera y el tiempo de secado de la cáscara hasta la composición química de la aleación, la temperatura de colada, el diseño de la entrada de colada, la velocidad de enfriamiento y el acabado. Una buena fundición hace que estas variables pasen desapercibidas. Una mala, por el contrario, suele mostrárselas al cliente uno a uno, en forma de defectos.
¿Cómo funciona la fundición por cera perdida?
El proceso comienza con un modelo de cera.
Para la producción en serie, se inyecta cera fundida en un molde metálico. La pieza de cera resultante tiene una forma casi idéntica a la de la pieza fundida final, aunque hay que incluir holguras dimensionales para tener en cuenta la contracción del metal y el acabado posterior.
A continuación, se fijan varios moldes de cera a un canal central de cera. Los trabajadores de la fundición suelen llamar a este conjunto “árbol”, ya que las piezas individuales se extienden desde el canal principal como si fueran ramas.
Este es uno de esos pasos que parecen extrañamente sencillos cuando visitas una fábrica. Los trabajadores montan piezas de cera a mano, comprueban las uniones, ajustan las distancias y reparan pequeñas marcas en la superficie. No parece algo especialmente avanzado tecnológicamente.
Sin embargo, un árbol de cera mal montado puede provocar problemas de alimentación más adelante.
El árbol se sumerge en una pasta cerámica líquida y, a continuación, se recubre con arena refractaria. Una vez que se seca una capa, se añade otra. El proceso se repite hasta que la cubierta sea lo suficientemente resistente como para contener el metal fundido.
Y el secado lleva tiempo.
Esto es algo que a los equipos de compras no siempre les gusta oír, sobre todo cuando un proyecto ya lleva retraso. No siempre se puede acelerar la fabricación de la carcasa cerámica. La temperatura y la humedad influyen en el secado de las capas, y una grieta aparentemente insignificante puede convertirse en un grave defecto de fundición durante el vertido.
En una ocasión, vimos cómo se retrasaba un proyecto porque el cliente había aprobado el utillaje, pero había modificado el espesor de una pared tras las primeras pruebas de moldeo. En el plano, el cambio parecía insignificante. Sin embargo, en la producción, alteró el flujo del metal, el comportamiento de enfriamiento y la posición óptima de la entrada de material. El equipo de diseño tuvo que realizar otra ronda de pruebas.
El cliente no quedó satisfecho.
La fundición tampoco lo era.
Pero aún así resultaba más barato que descubrir el problema después de haber fabricado varios miles de piezas.
Una vez terminada la carcasa, se calienta para que la cera se derrita y se escurra. A continuación, la cavidad cerámica vacía se cuece a alta temperatura para eliminar los residuos y mejorar la resistencia de la carcasa.
El metal fundido se vierte en la carcasa caliente, ya sea por gravedad, con ayuda del vacío, mediante fuerza centrífuga o mediante otro método controlado, en función del material y del componente.
Una vez que el metal se enfría, se retira la capa cerámica. Las piezas fundidas se separan del árbol de fundición, se esmerilan, se someten a un tratamiento con chorro de arena, se someten a un tratamiento térmico, se enderezan, se mecanizan, se pulen, se pasivan, se recubren o se inspeccionan según sea necesario.
En esta fase, algunas partes ya están casi terminadas.
Otros, en cambio, aún tienen un largo camino por recorrer.
Eso depende del plano.
¿Qué materiales se pueden utilizar para la fundición de precisión?
Una de las razones por las que el moldeo por inversión se utiliza tan ampliamente es que permite trabajar con muchas aleaciones diferentes, incluidos materiales que resultan difíciles de procesar mediante la fundición a presión.
El acero inoxidable sigue siendo una de las opciones más habituales. Ofrece resistencia a la corrosión, solidez y un aspecto impecable, lo que lo hace idóneo para equipos alimentarios, bombas, válvulas, accesorios náuticos, herrajes arquitectónicos y productos médicos.
El acero al carbono se suele elegir para piezas industriales generales en las que la resistencia mecánica es más importante que la resistencia a la corrosión. Los aceros aleados pueden ofrecer una mayor resistencia al desgaste, tenacidad o resistencia al calor.
El aluminio se utiliza cuando es importante reducir el peso.
Las aleaciones a base de níquel y de cobalto se utilizan en aplicaciones de alta temperatura, médicas, aeroespaciales y energéticas, aunque requieren un control de los procesos mucho más estricto. Estos materiales son caros, y a nadie le gusta convertir una aleación cara en chatarra.
Material | Motivos habituales para utilizarlo | Productos típicos |
Acero inoxidable | Resistencia a la corrosión, resistencia mecánica, aspecto | Válvulas, impulsores, equipos para la industria alimentaria, accesorios náuticos |
Acero al carbono | Resistencia a un precio asequible | Piezas de maquinaria, soportes, palancas, componentes estructurales |
Acero aleado | Resistencia al desgaste, tenacidad, comportamiento frente a la fatiga | Engranajes, piezas para uso intensivo, maquinaria minera |
Aleación de aluminio | Peso reducido, buena resistencia a la corrosión | Carcasas, soportes, componentes de automoción |
Latón y bronce | Aspecto, conductividad, resistencia al agua de mar | Accesorios decorativos, artículos de fontanería y piezas náuticas |
Aleación a base de níquel | Comportamiento a altas temperaturas y frente a la corrosión | Componentes para turbinas, energía y procesos químicos |
Aleación a base de cobalto | Resistencia al desgaste y al calor | Aplicaciones médicas, aeroespaciales y de corte |
La elección del material no debe basarse únicamente en lo que se pueda fundir.
La cuestión más importante es qué debe hacer esa pieza.
Un cliente puede solicitar acero inoxidable 316 porque suena mejor que el 304. Eso no significa automáticamente que sea la elección correcta. En algunas aplicaciones, el 304 es totalmente adecuado. En otras, es posible que ni siquiera el 316 ofrezca suficiente resistencia al calor, a la exposición al cloruro, a los ácidos o al desgaste.
Desde el punto de vista de la ingeniería, el mejor material no es la aleación más cara, sino aquella que ofrece el rendimiento requerido sin generar costes innecesarios ni dificultades de producción.
Eso parece obvio.
Es sorprendentemente fácil olvidarlo durante el desarrollo del producto.
¿Cuáles son las ventajas y desventajas de la fundición por colada?
La mayor ventaja de la fundición por colada en molde de cera perdida es la libertad de diseño.
Permite crear curvas, secciones delgadas, conductos internos, muescas, letras, logotipos, splines y transiciones complejas que resultarían costosas o poco prácticas de mecanizar a partir de material macizo.
También puede combinar varias piezas en un único componente.
Un fabricante de bombas, por ejemplo, puede sustituir un conjunto de impulsor soldado por uno fabricado mediante fundición de precisión. La pieza fundida en sí misma puede costar más que una pieza estampada o mecanizada, pero la comparación cambia radicalmente cuando se tienen en cuenta los costes de soldadura, alineación, rectificado, pruebas de estanqueidad, inspección y retoques.
Aquí es donde las citas pueden llevar a confusión.
Un precio más bajo de los componentes no siempre se traduce en un menor coste de fabricación.
En un proyecto del sector de las bombas, un conjunto estaba compuesto originalmente por varias piezas de acero inoxidable soldadas alrededor de un eje central. El proceso de soldadura era lento y la deformación por calor afectaba al mecanizado final. La pieza rediseñada mediante fundición a la cera perdida redujo el número de pasos de fabricación y facilitó el control dimensional.
Las primeras muestras de fundición no eran perfectas. Hubo que ajustar el grosor de la hoja y, en una zona, se observó un relleno incompleto durante las primeras pruebas.
Tras esas correcciones, el proceso se volvió mucho más estable que el diseño soldado.
Esa es la cara menos glamurosa de las historias sobre la fabricación. Las conversiones que tienen éxito suelen requerir dos o tres fases de trabajo de ingeniería antes de que se aprecien los ahorros.
La fundición por colada también ofrece un buen acabado superficial y un control dimensional relativamente preciso en comparación con la fundición en arena. En muchos casos, el mecanizado puede limitarse a las superficies de sellado, las ubicaciones de los cojinetes, los orificios de precisión o los elementos críticos para el montaje.
No obstante, la fundición por colada precisa presenta algunas desventajas.
Los costes de utillaje son más elevados que los de algunos procesos de bajo volumen. Los plazos de producción pueden ser más largos, ya que la inyección de cera, la construcción del molde, el secado, el vertido, el tratamiento térmico y la inspección requieren tiempo. Las piezas muy grandes o muy sencillas pueden resultar más económicas de producir mediante fundición en arena, fabricación, forja, estampación o mecanizado directo.
En nuestra opinión, creemos que, en ocasiones, se exagera el valor del moldeo por inversión.
Si una pieza es un bloque rectangular básico con tres orificios taladrados, probablemente no haya motivo para fabricar una matriz de cera y una carcasa cerámica a su alrededor. El mecanizado puede resultar más rápido y económico.
El proceso resulta adecuado cuando la complejidad, las prestaciones del material, la repetibilidad, la reducción del mecanizado o la consolidación de piezas aportan un valor suficiente como para justificarlo.
La fundición por colada se suele considerar una buena opción cuando… | Otro proceso podría ser más adecuado cuando… |
La geometría es compleja | La pieza es muy sencilla |
Se pueden combinar varias piezas en una sola | La cantidad producida es muy baja |
El acabado de la superficie es importante | El componente es muy grande |
El mecanizado supondría un desperdicio de material caro | De todos modos, las tolerancias requieren un mecanizado exhaustivo |
Se necesitan acero inoxidable o aleaciones resistentes a altas temperaturas | Se requiere una producción de aluminio a gran escala |
No existe ningún proceso de fabricación perfecto.
Solo hay un ajuste mejor o peor.
Fundición por cera perdida frente a fundición a presión: ¿cuál es la diferencia?
Tanto la fundición por inversión como la fundición a presión permiten fabricar componentes con gran nivel de detalle y superficies atractivas, pero presentan diferencias en cuanto a la rentabilidad y las limitaciones de los materiales.
Fundición a presión inyecta metal fundido a alta presión en un molde de acero reutilizable. El proceso es rápido y resulta muy adecuado para grandes volúmenes de producción. Se utiliza habitualmente para componentes de aluminio, zinc y magnesio, como carcasas, tapas, soportes, estructuras de automoción, productos de consumo y cajas para aparatos electrónicos.
En la fundición por inversión se utiliza un molde cerámico desechable para cada ciclo de colada. Esto ralentiza el proceso, pero también permite el uso de acero inoxidable, acero al carbono, acero aleado, aleaciones de níquel y otros metales resistentes a altas temperaturas que, por lo general, no son aptos para la fundición a presión convencional.
Las matrices de fundición a presión suelen ser más caras. Sin embargo, cuando la producción alcanza un volumen muy elevado, su breve tiempo de ciclo puede reducir considerablemente el coste unitario.
La fundición por cera perdida ofrece mayor flexibilidad en series pequeñas y medianas, sobre todo cuando la pieza es compleja o la aleación tiene un punto de fusión elevado.
Factor | Fundición a la cera perdida | Fundición a presión |
Moho | Carcasa cerámica desechable | Matriz de acero reutilizable |
Materiales habituales | Acero, acero inoxidable, níquel, cobalto, aluminio, bronce | Aluminio, zinc, magnesio |
Volumen habitual | De baja a media, a veces alta | De medio a muy alto |
Coste de los utillajes | Moderado | Alto |
Velocidad del ciclo | Relativamente lento | Muy rápido |
Complejidad del diseño | Excelente | Muy bien |
Aleaciones resistentes a altas temperaturas | Adecuado | Normalmente no es adecuado |
Muchos fabricantes de vehículos eléctricos recurren a la fundición a presión para fabricar piezas estructurales de aluminio de gran tamaño, ya que la rapidez, el peso y el volumen son factores importantes. La conocida tendencia hacia las piezas de fundición de aluminio integradas de gran tamaño es un buen ejemplo de ello.
Sin embargo, un vehículo eléctrico sigue conteniendo muchos componentes más pequeños de acero o acero inoxidable.
Es posible que esas piezas se adapten mejor a la fundición de precisión, la forja, el mecanizado, el estampado o el moldeo por inyección de metal. El proceso adecuado depende del tamaño de la pieza, la aleación, la demanda anual, las tolerancias, la carga mecánica y la cantidad de trabajo secundario.
“¿Qué proceso es mejor?” suele ser una pregunta errónea.
“¿Qué proceso es mejor para esta pieza?” resulta mucho más útil.
¿Qué productos se fabrican mediante fundición de precisión?
La variedad es mayor de lo que la mayoría de la gente espera.
La fundición por inversión se utiliza para fabricar cuerpos de válvulas, accesorios para tuberías, carcasas de bombas, impulsores, balancines, horquillas de cambio, piezas de turbocompresores, componentes de cierre, instrumentos quirúrgicos, componentes ortopédicos, componentes de armas de fuego, piezas para la industria alimentaria, álabes de turbina, herrajes navales, componentes de herramientas manuales, piezas de maquinaria textil, herrajes para puertas, accesorios ferroviarios y maquinaria agrícola piezas.
Incluso las cabezas de los palos de golf se fabrican habitualmente de esta manera.
Algunas aplicaciones exigen resistencia mecánica. Otras requieren resistencia a la corrosión, un aspecto limpio, una forma interna compleja o una reducción del mecanizado.
Los instrumentos médicos son un buen ejemplo. Aunque sus dimensiones sean reducidas, la calidad de la superficie y la repetibilidad son factores de gran importancia. Un borde rugoso que pasaría desapercibido en un soporte agrícola podría resultar inaceptable en un instrumento quirúrgico.
Los herrajes náuticos plantean un problema diferente. El producto puede parecer decorativo, pero también debe resistir el agua, la sal, la carga y el uso repetido. La composición química del material y el tratamiento de la superficie cobran tanta importancia como la forma de la pieza fundida.
Las válvulas y bombas industriales constituyen otro ámbito importante. Sus conductos de flujo pueden ser complejos y el coste de una avería suele ser mucho mayor que el coste del propio componente.
Eso cambia el rumbo de la conversación.
A los clientes de estos sectores les suelen importar los certificados de materiales, las pruebas de presión, los informes dimensionales, el control de defectos y la trazabilidad. No se limitan a comprar simplemente una pieza de metal.
Están comprando un rendimiento predecible.
Cómo elegir el fabricante adecuado de fundición de precisión
Un folleto de fábrica con un diseño atractivo no te indica si una fundición es capaz de fabricar tu pieza de forma constante.
Tampoco lo hace un presupuesto bajo.
Empieza por el material. Asegúrate de que el proveedor funde regularmente la aleación que necesitas y de que pueda facilitarte los registros de composición química, los resultados de los ensayos mecánicos y los números de colada cuando sea necesario.
A continuación, analiza sus capacidades de proceso.
¿Controla el fabricante internamente la inyección de cera, la fabricación de moldes, la fusión, el vertido, el tratamiento térmico, el mecanizado y la inspección? La subcontratación no es necesariamente algo negativo, pero un número excesivo de proveedores no controlados puede dificultar la localización de los problemas de calidad.
El equipo de inspección también es importante. Una máquina de medición por coordenadas (CMM) resulta útil, pero tener una no equivale a saber qué dimensiones deben controlarse. El fabricante debe conocer los sistemas de referencia, los márgenes de mecanizado, las tolerancias geométricas, las tolerancias de fundición y la diferencia entre una característica crítica y una decorativa.
Pregunta cómo gestiona el proveedor los nuevos productos.
¿Revisa el plano antes de elaborar el presupuesto? ¿Analiza el espesor de las paredes, los filetes, las esquinas afiladas, la alimentación, la contracción, las marcas de la entrada de material, el enderezado, los puntos de referencia para el mecanizado y los métodos de inspección?
¿O simplemente envía un precio?
Hemos comprobado que la calidad de las preguntas que formula un proveedor durante la fase de presupuesto suele ser un buen indicio de cómo será la colaboración más adelante.
Un fabricante competente puede cuestionar parte del plano. Esto puede resultar molesto, sobre todo cuando el diseño ya ha pasado por varios departamentos internos. Sin embargo, un proveedor que detecte un riesgo en la fundición antes de la fabricación de los moldes suele ser más valioso que uno que esté de acuerdo con todo y explique el problema una vez iniciada la producción.
También deberías evaluar la capacidad de forma realista.
Una fundición puede producir muestras excelentes, pero tener dificultades cuando el volumen de pedidos pasa de 100 a 5.000 piezas al mes. Para garantizar una producción estable se necesita algo más que técnicos cualificados. Se requieren materias primas controladas, una preparación repetible de los moldes, una gestión adecuada de los hornos, planes de inspección, mantenimiento, operarios formados y una documentación rigurosa.
Por último, presta atención a la comunicación.
Este aspecto puede parecer menor en comparación con la composición química de las aleaciones y la inspección por rayos X, pero afecta a casi todos los proyectos. Los planos cambian. Los plazos de entrega se modifican. Se malinterpretan las dimensiones de mecanizado. Los requisitos de embalaje se comunican tarde. A veces, el cliente envía una revisión antigua y nadie se da cuenta hasta que llegan las piezas.
Son cosas que pasan.
Un fabricante de confianza no promete que nunca vaya a surgir ningún problema. Lo que hace es establecer un proceso para detectar los problemas de forma temprana, comunicarlos con claridad y solucionarlos sin convertir cada incidencia en una discusión.
En nuestra opinión, esa es la verdadera diferencia entre un proveedor de piezas de fundición y un socio de fabricación a largo plazo.
La fundición a la cera perdida es un proceso antiguo, pero sigue resolviendo problemas de fabricación muy actuales. Cuando la pieza es compleja, la aleación es exigente y los costes de mecanizado o montaje resultan cada vez más difíciles de controlar, merece la pena tenerla muy en cuenta.
No es aplicable a todos los productos.
Pero, si se elige el producto adecuado, puede simplificar mucho más que el propio proceso de fundición.
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