Diseño de Sistemas de Llenado en Fundición

El trabajo de tesis se enfoca en los problemas de calidad inherentes a la fundición en arena, un método de manufactura antiguo pero ampliamente utilizado. A pesar de sus ventajas como la versatilidad de formas y el bajo costo de materiales, la fundición en arena presenta desventajas significativas. La principal problemática radica en la dificultad de controlar ciertas variables del proceso, lo que lleva a la aparición de discontinuidades indeseables en las piezas fundidas. Estas discontinuidades, tales como proyecciones metálicas, fundición incompleta, dimensiones incorrectas, inclusiones o porosidad, son a menudo consecuencia de un diseño deficiente de los sistemas de llenado y alimentación, un proceso de enfriamiento inadecuado, un vaciado incorrecto del metal o propiedades no óptimas del molde. La falta de control sobre estas variables resulta en una reducción de la calidad y eficiencia del proceso, impactando directamente en el producto final. Para mitigar estas deficiencias, el estudio explora el uso de metodologías y simulaciones para predecir variables de salida como los gradientes de temperatura y el tiempo de solidificación, con el fin de optimizar el proceso y mejorar la calidad de la pieza. Se consideran dos componentes específicos para el análisis: una pieza ornamental tipo catapiz y una polea, seleccionada por su condición de carga y porque representa un desarrollo previo de una metodología que se empleará posteriormente.

El documento destaca la importancia crítica de los sistemas de llenado y alimentación en la fundición en arena para la obtención de piezas de alta calidad. El sistema de llenado busca optimizar el flujo del material fundido en la cavidad del molde, identificando y en algunos casos modificando el orden de solidificación de la pieza. Un buen diseño del sistema de llenado reduce la aparición de defectos. Por otro lado, el sistema de alimentación se encarga de minimizar el impacto del porcentaje de contracción volumétrica sobre la geometría final de la pieza. Estudios previos, como "A Literature Survey Of Methods To Study And Analyze The Gating System Design For Its Effect On Casting Quality", han demostrado que un diseño y control adecuados de estos sistemas son cruciales para disminuir la manifestación de discontinuidades y aumentar el rendimiento. Además, la identificación precisa de parámetros para simulaciones, junto con el diseño estratégico de los sistemas, permite monitorear variables importantes y reducir riesgos durante el proceso. Un informe, "Casting Design and Simulation of Cover Plate using AutoCAST-X Software for Defect Minimization with Experimental Validation", ejemplifica cómo el modelado y la simulación de un proceso, con modificaciones en parámetros clave, permiten mejorar los resultados. Estos estudios previos refuerzan la importancia del diseño y la simulación en la mejora del proceso de fundición en arena.

El objetivo principal de este trabajo de grado es evaluar el efecto de los factores de diseño en el cálculo de los sistemas de llenado y alimentación sobre la calidad de dos componentes fundidos en arena. Se busca determinar cómo las variaciones en el diseño influyen en la aparición de discontinuidades y defectos en las piezas. El estudio se centra en la optimización de estos sistemas para la mejora de la calidad de la fundición. Esto incluye el análisis de variables como el tiempo de solidificación y la geometría de la pieza, utilizando métodos de cálculo y simulación numérica para predecir el comportamiento del material fundido y minimizar la incertidumbre del proceso. La investigación considera diferentes aspectos del diseño, incluyendo el análisis del orden de solidificación, la selección de materiales, y las técnicas de moldeo. La selección de dos componentes, uno ornamental (catapiz) y otro funcional (polea), permite un análisis comparativo para determinar la eficacia de los métodos propuestos. La aplicación práctica de las metodologías se orienta hacia la minimización de defectos y una mejora en la eficiencia del proceso de fundición en arena.

La investigación empleó dos métodos principales para determinar las dimensiones de los sistemas de llenado y alimentación en la fundición de arena. El primer método se basa en la tesis "SISCALCO, Sistema simplificado de cálculo de alimentadores y de canales de coladas para piezas vaciadas en arena" (Jorge Osorio Z., 1989), proporcionando un procedimiento estructurado para obtener las dimensiones del sistema de llenado (área del bebedero y canales) y del sistema de alimentación (diámetro y altura de la mazarota, incluyendo la unión con la pieza). El segundo método se apoya en las referencias 'Non-Ferrous Foundryman’s' y 'Manufacturing Technology', aunque el texto no detalla explícitamente sus pasos, se indica que comparten pasos similares con el método SISCALCO en el cálculo de los módulos. Ambos métodos buscan determinar las dimensiones óptimas para asegurar un llenado eficiente y minimizar las discontinuidades en la pieza fundida. La elección de ambos métodos permite una comparación de resultados y una validación cruzada de los cálculos obtenidos para la determinación de la altura y el diámetro óptimo de la mazarota, así como las áreas de los bebederos y canales de alimentación. La metodología considera parámetros relevantes como el módulo geométrico y los coeficientes de forma, factores cruciales para la correcta determinación del orden de solidificación y la prevención de defectos.

Un elemento fundamental en las metodologías de cálculo es la determinación del módulo de enfriamiento para cada sección de las piezas. Este parámetro, relacionado con la relación entre el volumen y la superficie de la pieza, es crucial para determinar el orden de solidificación. El cálculo del módulo se realiza utilizando información geométrica obtenida a través de dos métodos: el uso de modelos "Formas" y modelos CAD. Se observa que los resultados obtenidos mediante estos dos métodos pueden diferir, especialmente en el orden de solidificación. Esta diferencia es considerada un factor crítico en el diseño de los sistemas de llenado y alimentación. La discrepancia en los resultados se debe a las diferentes maneras de obtener las medidas geométricas, lo cual resalta la importancia de la precisión de los datos de entrada en la determinación del orden de solidificación, que a su vez es fundamental para la ubicación precisa de los canales de ataque y de las uniones del sistema de alimentación. El proceso de análisis considera los coeficientes correctivos de forma (W) especialmente para secciones con matachos, según se indica en SISCALCO (Jorge Osorio Z., 1989). La correcta determinación del módulo de enfriamiento impacta directamente en el diseño eficiente de los sistemas de alimentación y llenado, minimizando la probabilidad de defectos en la pieza fundida.

Para determinar las dimensiones de la mazarota, se aplica el método del mazarotado, el cual se basa en tres reglas principales. Antes de aplicar estas reglas, los módulos de las secciones de la pieza deben ordenarse de acuerdo a su orden de solidificación, del menor al mayor. El módulo de la última sección en solidificar, el mayor, se utiliza para determinar, a través de la regla del módulo de enfriamiento, el radio de acción y las contracciones, si el tamaño de la mazarota es el adecuado. El módulo de la primera sección en solidificar (menor) permite realizar los cálculos del sistema de llenado. La regla del radio de acción verifica que la ubicación de la mazarota permita alimentar todas las secciones de la pieza, considerando la distancia de alimentación que depende del tipo de aleación y del menor módulo. El método considera distintas configuraciones de llenado, como llenado en caída o en fuente, además de componentes divididos en dos cajas, empleando las ecuaciones correspondientes para cada caso. Estas reglas, en conjunto con el análisis de los módulos, permiten un diseño más preciso del sistema de alimentación, asegurando una correcta alimentación de la pieza y una reducción en los defectos de fundición.

Los resultados obtenidos a través de los métodos de cálculo (SISCALCO y el método basado en 'Non-Ferrous Foundryman’s' y 'Manufacturing Technology') fueron verificados utilizando el software SolidCast®. En las simulaciones realizadas con SolidCast®, se asignó prioridad 1 al componente, prioridad 2 al sistema de alimentación y prioridad 3 al sistema de llenado. Se utilizó Al 206 como material de fundición, con una temperatura inicial de 750°C (650°C de punto de fusión + 100°C de sobrecalentamiento), y arena de sílice (Silica Sand) como material del molde. El análisis de la simulación se centró en la distribución de temperatura y el tiempo de solidificación para corroborar el orden de solidificación calculado previamente. Adicionalmente, se analizó la densidad del material para identificar posibles rechupes (cavidades por contracción) y puntos calientes, zonas de mayor temperatura que pueden provocar discontinuidades. La comparación entre los resultados de la simulación y los cálculos permite validar la precisión de los métodos empleados y detectar posibles inconsistencias o áreas de mejora en el diseño de los sistemas de llenado y alimentación. Se observaron diferencias entre el orden de solidificación predicho y el simulado, especialmente en la sección C, lo que sugiere la necesidad de un ajuste en el diseño para optimizar el proceso.

El análisis de la densidad del material simulado, a través del software SolidCast®, fue crucial para evaluar la efectividad de los sistemas de alimentación diseñados. Zonas con densidad menor a uno, identificadas en color amarillo en las simulaciones, indican la presencia de rechupes (cavidades internas) en el componente. La aparición de rechupes es un indicador de deficiencias en el diseño, ya sea en el volumen o la ubicación de la mazarota, o en la sección de los canales del sistema de alimentación. Esto significa que el sistema no está cumpliendo adecuadamente su función de compensar la contracción volumétrica del material durante la solidificación. El análisis de la densidad permite identificar las áreas donde la contracción es mayor y dónde se requieren ajustes en el diseño para garantizar la integridad de la pieza. Este análisis ayuda a determinar si el tamaño y la ubicación de la mazarota son los óptimos y si las dimensiones de los canales son correctas para un adecuado flujo del material fundido. La identificación temprana de potenciales rechupes mediante la simulación permite realizar las correcciones de diseño necesarias antes de la fundición, minimizando el desperdicio de materiales y optimizando el proceso productivo.

Para una mejor evaluación de la calidad de los componentes fundidos, se realizaron ensayos no destructivos (END) utilizando tintas penetrantes, un método que permite la detección de discontinuidades superficiales. Este proceso consiste en aplicar una tinta penetrante, limpiar el componente, y luego aplicar una tinta reveladora para visualizar las discontinuidades, como microporos. El análisis de los resultados obtenidos por cada método (Formas y CAD) permitió identificar diferentes tipos de discontinuidades, tales como proyecciones metálicas, desprendimientos de arena, e incrustaciones de arena. Se identificaron discrepancias entre las simulaciones y las observaciones directas, en algunos casos atribuidas a limitaciones del software o a la falta de instrumentación en el laboratorio. Algunos defectos, como la incrustación de arena, fueron considerados críticos para la pieza, en especial en componentes de ensamblaje. La comparación de los resultados obtenidos por diferentes métodos reveló diferencias en el acabado superficial y la presencia de discontinuidades. Estas diferencias permiten comprender el impacto de las diferentes metodologías y la influencia del proceso de fabricación del molde en la calidad final de la pieza fundida. El análisis de la superficie mediante tintas penetrantes permitió complementar los resultados obtenidos con la simulación, proporcionando una visión más completa del comportamiento del proceso de fundición en arena.

El documento reconoce varias fuentes de incertidumbre asociadas al proceso de fundición y al desarrollo del trabajo de grado. En primer lugar, el proceso de moldeo fue totalmente manual, lo que introdujo variabilidad en las características y propiedades de los moldes. La presión de apisonado de la arena varió entre moldes, afectando la permeabilidad y, consecuentemente, la calidad de la pieza fundida. En segundo lugar, las condiciones de mezcla de la arena no fueron estrictamente controladas, afectando las propiedades del molde. Las proporciones de agua y arena no eran exactas, la humedad de la mezcla variaba, las altas temperaturas del laboratorio en los días de fundición y la reutilización de arena de prácticas anteriores introdujeron inconsistencias. En tercer lugar, la temperatura y la velocidad de vaciado del metal no fueron constantes en todos los componentes debido a la naturaleza manual del proceso. Estas variaciones afectaron la solidificación y el llenado, introduciendo más incertidumbre en los resultados. La inconsistencia en las variables del proceso impacta la reproducibilidad de los resultados, limitando la generalización de las conclusiones. Por último, se menciona que algunos defectos observados no fueron predichos por la simulación, debido a las limitaciones del software y la falta de instrumentación completa en el laboratorio empleado. El reconocimiento de estas incertidumbres es crucial para interpretar los resultados y para planificar trabajos futuros que busquen mitigar estos aspectos.

Como trabajos futuros, se propone realizar una medición experimental que permita verificar las temperaturas durante la fusión del material y el vaciado. Estas mediciones son importantes para validar las temperaturas de sobrecalentamiento utilizadas en el diseño de los sistemas de llenado y alimentación. Se propone, además, realizar una verificación de la composición química de la aleación empleada utilizando espectrometría por emisión óptica. Esta verificación permitirá asegurar la consistencia del material utilizado en todas las pruebas. La instrumentación del laboratorio es un punto clave para reducir las incertidumbres identificadas en el estudio actual. Mejorar el control de las variables del proceso de mezcla y preparación de la arena, asegurando parámetros específicos de humedad y granulometría, permitiría obtener resultados más reproducibles y confiables. La implementación de métodos de moldeo más precisos y controlados, en lugar del método manual utilizado en este estudio, reduciría la variabilidad entre los moldes y mejoraría la calidad de las piezas fundidas. En general, estas propuestas buscan mejorar la precisión y la reproducibilidad de los resultados, proporcionando una base más sólida para futuras investigaciones en la optimización de los procesos de fundición en arena.