INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Unidad Azcapotzalco
Sección de Estudios de Posgrado e Investigación
INGENIERÍA DE FABRICACIÓN PARA
AUTOPARTES, UTILIZANDO MOLDE
DESECHABLE EN IMPRESIÓN 3D, APLICANDO
TECNOLOGÍAS ASISTIDAS POR
COMPUTADORA.
T E S I S PARA OBTENER EL GRADO DE:
MAESTRO EN INGENIERÍA DE MANUFACTURA
PRESENTA:
ING. MOISES ESCOBAR
MARTINEZ
DIRECTORES DE TESIS: DR. IGNACIO ADRIÁN ROMERO DRA. OLIVIA GUEVARA GALINDO
Con todo cariño, para mi familia, novia, amigos, y
directores de tesis.
Índice
Contenido Página Resumen 1 Abstract 2 Capítulo 1 Introducción 3 1.1 Antecedentes 3 1.2 Justificación 8 1.3 Objetivos 12 1.4 Alcances 13 1.5 Metodología 141.6 Organización del trabajo propuesto 16
Capítulo 2 Estado del Arte 18
2.1 Procesos de Fundición para la fabricación de
autopartes.
18
2.1.1 Procesos de Fundición 18
2.2 Prototipado rápido para la fabricación de
autopartes
35
2.2.1 Método de prototipado rápido 35
2.2.2 Sistema de prototipado rápido basados en
líquidos
39
2.2.2.1 Sistema de Estereolitografía (SLA) 39
2.2.2.2 Fundiciones Rápidas (QuickCast) 41
2.2.2.3 Curado en tierra sólida (Solid Ground Curing) 42
2.2.3 Sistema de prototipado rápido basados en sólidos 44
2.2.3.1 Fabricación de objetos laminados (Laminated
Object Manufacturing LOM)
44
2.2.4 Sistemas de prototipado rápido basados en
polvos
46
2.2.4.1 Sinterización Selectiva por Laser (Selective Laser
Sintering SLS)
46
2.3 Herramientas rápidas para la fabricación de
autopartes
48
2.3.1 Herramientas rápidas 48
2.3.2 Fundición directa de producción por cascara.
(Direct Shell Production Casting DSPC)
2.3.3 Proceso de impresión 3D PROMETAL (Prometal 3D Printing Process)
52
2.3.4 Herramienta Rápida (RapidTool) 53
2.3.5 Herramientas de metal laminado (Laminated Metal
Tooling)
53
2.3.6 Direct AIM 53
2.3.7 SL composite tooling 54
2.3.8 3D Keltool 54
2.3.9 Direct Metal Laser Sintering (DMLS) 54
Capítulo 3 Especificaciones de diseño 56
3.1 Metodología QFD 56
3.1.1 Identificación del diseñador, cliente y usuario final 57
3.1.2 Proceso lineal de diseño 58
3.1.3 Identificación de las necesidades 59
3.1.3.1 Determinación de los requerimientos del cliente
“viva voz” 59
3.1.3.2 Clasificación de los requerimientos del cliente en
obligatorios, deseables, deseables de
competitividad
61
3.1.3.3 Ponderación de los requerimientos deseables de
competitividad
63
3.1.3.4 Estudio comparativo de mercado 64
3.1.3.5 Traducción de los requerimientos del cliente a términos de mesurables de ingeniería
66
3.1.3.6 Establecer Metas de diseño 67
3.1.3.7 Matriz QFD 67
Capítulo 4 Diseño conceptual 69
4.1 Árbol de funciones 70
4.2 Matriz Morfológica 71
4.3 Matriz de Pugh 72
4.4 Descripción textual del concepto 73
4.5 Modelado y primeros bosquejos del concepto 74
Capítulo 5 Diseño de detalle 77
5.1 Selección del material a trabajar 78
5.2 Diseño de las mazarotas 79
5.3 Diseño del bebedero, cálculo del tiempo de
llenado de la cavidad y el tiempo de solidificación
81
5.4 Modelado y generación de dibujos del modelo y
su sistema de alimentación
5.5 Herramientas rápidas para la creación del molde a partir del modelo
90
Capítulo 6 Validación del diseño 92
6.1 Simulación de fundición 93
6.1.1 SolidCast 8 93
6.1.2 FlowCast 93
6.2 Interfaz con SolidCast 8 93
6.3 Resultados de simulación del primer diseño del
sistema de alimentación con una mazarota
99
6.3.1 Simulación del tiempo de llenado de la cavidad 100
6.3.2 Simulación del tiempo de solificación 101
6.3.3 Simulación del nivel de integridad 102
6.4 Rediseño 103
6.4.1 Simulación del tiempo de llenado de la cavidad 104
6.4.2 Simulación del tiempo de solidificación 105
6.4.3 Simulación del nivel de integridad 106
6.5 Selección del diseño optimo 107
Capítulo 7 Análisis económico 108
7.1 Análisis de costos del proceso de fundición a la
cera perdida
108
7.2 Análisis de costos del proceso de fundición a la
espuma perdida
110
7.3 Análisis de costos del proceso de fundición con
molde permanente
112
7.4 Análisis de costos del proceso de fundición
utilizando molde desechable impreso en 3d
114
7.5 Resultados 115
Capítulo 8 Conclusiones 117
Lista de figuras, tablas, gráficas y ecuaciones
PáginaFigura 1.1 Línea de tiempo evolución de la fundición. 6
Figura 1.2 Indicadores clave en México, 2015. 9
Fígura 1.3 Metodología. 14
Figura 2.1 Molde, con un núcleo o corazón, coronas para soportar al corazón, una mazarota, y el bebedero.
19 Figura 2.2 Modelos: a) Modelo de resina bipartido, b) Modelo de madera, c)
Modelo virtual.
20 Figura 2.3 Molde abierto y molde cerrado, en el molde cerrado podemos
observar el núcleo, o corazón utilizado para generar una cavidad en la fundición a obtener.
20
Figura 2.4 Sistema de alimentación para una fundición 21
Figura 2.5 Procesos utilizados para la fundición de metales. 23
Figura 2.6 Secuencia típica de operación, para una pieza o prototipo, realizado por cualquier método de prototipado rápido.
36 Figura 2.7 El proceso de Estereolitografía (SLA). El líquido fotopolímero es
polimerizado por un rayo láser en las áreas que están marcadas en una rebanada horizontal de la pieza del prototipo que se realizará.
40
Figura 2.8 La secuencia del proceso de curado en tierra sólida. 43
Figura 2.9 Ilustración esquemática de la Fabricación de objetos laminados. (LOM
45
Figura 2.10 Esquemático del proceso SLS. 47
Figura 2.11 Secuencia de operación para la fabricación de “herramientas rápidas” de moldes metálicos para moldeo por inyección de plásticos.
50
Figura 2.12 Representación esquemática del Proceso DSPC, para fabricar moldes cerámicos utilizando técnicas de prototipado rápido.
52
Figura 3.1 Metodología, etapas de la tesis en este capítulo. 56
Figura 3.2 Ciclo para el diseño de un producto. 57
Figura 3.3. Proceso lineal de diseño. 58
Figura 3.4 Proceso para la identificación de las necesidades. 59
Figura 4.1 Metodología, etapa de la tesis en este capítulo. 69
Figura 4.2 Árbol de funciones, para el diseño conceptual 70
Figura 4.3 Bomba de agua de uso automotriz. 74
Figura 4.4 Vista isométrica del modelo 3D de la bomba de agua de uso automotriz
74
Figura 4.5 Vista Isométrica de los componentes que conforman el molde
del prototipo.
75
Figura 4.6 Vista isométrica de los componentes que conforman el molde
del prototipo
Figura 4.7 Partes del molde. 76
Figura 5.1 Metodología, etapa de la tesis en este capítulo. 77
Figura 5.2 Curva de enfriamiento del material AL206, base de datos del programa SOLIDCast.
78
Figura 5.3 Bomba de agua de uso automotriz, modelada y renderizada con
SolidWorks.
79 Figura 5.4 Adaptación de dimensiones para utilizar el método de factor de
forma.
80 Figura 5.5 Gráfica de factor de forma, para obtener la relación de volumen
mínima para la mazarota que se ocupará en la fundición con un factor de forma de 20 in.
80
Figura 5.6 Gráfica para obtener la altura de la mazarota. 81
Figura 5.7 Parámetros para el diseño de un bebedero para una fundición. 83
Figura 5.8 Modelo 3d de la pieza a fundir, con sistema de alimentación y doble mazarota
90 Figura 5.9 Creación de la cavidad del molde, y particiones del molde, a partir
del modelo y una caja rectangular.
90 Figura 5.10 Particiones y ensamble de los componentes del molde, a)
ensamble completo del molde, con las partes que conforman al molde, b) corte transversal del molde, donde se puede visualizar los corazones en color azul, c) corte transversal y longitudinal del molde, donde se puede visualizar el sistema de alimentación, la cavidad del modelo y corazones.
91
Figura 5.11 Renderizado del molde ensamblado, con varios cortes
transversales y horizontales.
91
Figura 6.1 Metodología, etapa de la tesis en este capítulo. 92
Figura 6.2 Interfaz de solidcast, acceder a File para cargar un nuevo modelo. 94
Figura 6.3 Agregar forma. 94
Figura 6.4 Lista de materiales, se muestra la gráfica del AL206. 95
Figura 6.5 Selección del punto de vaciado en solidcast. 96
Figura 6.6 Creación del mallado. 96
Figura 6.7 Corrida de mallado. 97
Figura 6.8 Start simulation, para iniciar la simulación del tiempo de llenado y el tiempo de solidificación.
97
Figura 6.9 Corrida de la simulación del tiempo de llenado. 98
Figura 6.10 Corrida de la simulación del tiempo de solidificación. 98
Figura 6.11 Modelo de la bomba de agua con sistema de alimentación con una mazarota, a utilizar en la simulación, para la validación del diseño.
99
Figura 6.12 Simulación del tiempo de llenado de la fundición con una mazarota
100 Figura 6.13 Simulación del tiempo de solidificación de la fundición con una
mazarota.
Figura 6.14 Simulación del nivel de integridad de la fundición con una mazarota.
102 Figura 6.15 Modelo de la bomba de agua con sistema de alimentación con
doble mazarota, a utilizar en la simulación, para la validación del diseño.
103
Figura 6.16 Simulación del tiempo de llenado de la fundición con doble mazarota.
104 Figura 6.17 Simulación del tiempo de solidificación de la fundición con una
mazarota.
105 Figura 6.18 Simulación del nivel de integridad de la fundición con doble
mazarota.
106
Tabla 2.1 Fundición utilizando molde de arena. 24
Tabla 2.2 Fundición utilizando molde de arena fabricado por prototipado rápido y herramientas rápidas
25
Tabla 2.3 Fundición a la espuma perdida. 27
Tabla 2.4 Fundición a la cera perdida. 29
Tabla 2.5 Fundición por moldeo en cascarón o concha. 31
Tabla 2.6 Fundición utilizando molde permanente. 33
Tabla 3.1 Quien es quien, en el ciclo para el diseño de un producto, servicio, ingeniería, etc.
57
Tabla 3.2 Determinación de los requerimientos del cliente “viva voz”. 59
Tabla 3.3 Clasificación de los requerimientos del cliente Obligatorio, Deseable y Deseable de competitividad.
61
Tabla 3.4 Etiquetas propuestas. 62
Tabla 3.5 Ponderación de los requerimientos deseables de competitividad. 63
Tabla 3.6 Jerarquías de los requerimientos deseables. 63
Tabla 3.7 Estudio comparativo de mercado, características sobre los procesos de fundición
64 Tabla 3.8 Estudio comparativo de mercado, características sobre los
procesos de fundición
65
Tabla 3.9 Comparativa del proceso de fundición 66
Tabla 3.10 Traducción de los requerimientos del cliente a términos mesurables de ingeniería.
66
Tabla 3.11 Metas de diseño 67
Tabla 4.1 Matriz morfológica del diseño conceptual del molde impreso en
3d.
71
Tabla 4.2 Concepto Z, del diseño conceptual del molde impreso en 3d. 72
Tabla 4.3 Matriz de pugh. 72
Tabla 5.1 Características del AL206, base de datos del programa
SOLIDCast.
78
Tabla 5.2 Propiedades físicas del modelo 79
Tabla 5.3 Diámetros y alturas para la mazarota a utilizar en el diseño de alimentación de la fundición a obtener.
Tabla 6.1 Resultados y conclusiones. 107 Tabla 7.1 Análisis de costos, infraestructura, e instalaciones y equipos,
todos los gastos están en pesos mexicanos.
108 Tabla 7.2 Análisis de costos, servicios básicos, personal de ingenería,
personal técnico, material de trabajo, diseño y fabricación de moldes, todos los gastos están en pesos mexicanos.
109
Tabla 7.3 Análisis de costos, infraestructura, instalaciones y equipos, servicios básicos, personal de ingenería, personal técnico, material de trabajo, diseño y fabricación de moldes, todos los gastos están en pesos mexicanos.
110
Tabla 7.4 Análisis de costos, infraestructura, instalaciones y equipos, servicios básicos, personal de ingenería, personal técnico, material de trabajo, diseño y fabricación de moldes, todos los gastos están en pesos mexicanos.
112
Tabla 7.5 Análisis de costos, infraestructura, instalaciones y equipos, servicios básicos, personal de ingenería, personal técnico, material de trabajo, diseño y fabricación de moldes, todos los gastos están en pesos mexicanos.
114
Gráfica 7.1 Comparativa de gastos por infraestructura, equipos e
instalaciones y servicios básicos.
115 Gráfica 7.2 Comparativa de gastos por personal de ingeniería, personal
técnico, material de trabajo y diseño y fabricación de moldes.
116
I Factor de forma 80
II Relación mínima de la mazarota 81
III Tiempo de llenado de una cavidad para fundición 82
IV Gasto caudal 83
V Ley de continuidad 83
VI Teorema de Bernoulli 84
VII Velocidad en el punto uno 84
VIII Velocidad en el punto dos 85
IX Tiempo de solidificación 86
1
Resumen
En este trabajo se plantea una solución para sustituir la producción de autopartes por fundición tradicional. Se realizó, una metodología para desarrollar la ingeniería de fabricación para autopartes utilizando tecnologías de prototipado rápido y tecnologías asistidas por computadora. Como es necesario primero conocer los requerimientos, que se ocupan para desarrollar un molde se realizó una matriz QFD, con las metas de diseño. Enseguida se muestra el diseño conceptual, en el que se realizó un árbol de funciones, una matriz morfológica, un primer concepto, una matriz de pugh, una descripción textual del concepto, así como unos bocetos del modelo 3D de la pieza que se desea obtener. A continuación, se muestra el diseño de detalle, donde se realizaron los cálculos para el diseño del sistema de alimentación de la pieza además los cálculos del tiempo de llenado y el tiempo de solidificación de la fundición. Por último, la validación del diseño se realizó con un simulador de fundición, que sirve para conocer el tiempo de llenado, el tiempo de solidificación y el nivel de integridad de la fundición. Los resultados que se obtuvieron en la simulación de fundición fueron los siguientes: Primera simulación. Con una mazarota: 12 segundos en tiempo de llenado y 6.75 minutos en tiempo de solidificación. Nivel de integridad 90% Valores calculados: 13.01 segundos en tiempo de llenado, y 5.11 minutos en tiempo de solidificación. La pieza no alcanza el 100% de integridad, por consiguiente, se tiene que rediseñar el sistema de alimentación, agregando una mazarota en el área donde no se está llenando completamente la fundición. Segunda simulación: Con doble mazarota: 13.03 segundos y 6.61 minutos en tiempo de solidificación. Nivel de integridad 100% Valores calculados: 14.86 segundos en tiempo de llenado y 6.24 minutos en tiempo de solidificación. Se seleccionó el modelo con doble mazarota, visto que, se pudo observar que las mazarotas se enfriaron y solidificaron, hasta el final, de manera que se asegura una pieza 100% integra. Por tanto, se puede aprobar el diseño del sistema de alimentación, y el molde queda autorizado para su fabricación en una impresora 3D de arena. Tambien se realizó un análisis financiero donde se compararón los gastos por infraestructura, instalaciones y equipos, servicios básicos, personal de ingeniería, personal técnico, material de trabajo, diseño y fabricación de moldes. Con el fin de comparar y análisar cual es proceso que más conviene para la fabricación de prototipos de autopartes que más ganancias puede generar, siendo el proceso de fundición utilizando molde desechable impreso en 3d de arena, como la mejor opción ya que es el proceso de fundición que menor inversión y gastos necesita para la fabricación de prototipos de autopartes.
2
Abstract
In this work, a solution is proposed to replace the production of auto parts by traditional casting. A methodology was developed to develop manufacturing engineering for auto parts using rapid prototyping technologies and computer-assisted technologies. As it is necessary to first know the requirements, which are used to develop a mold, a QFD matrix was made, with the design goals. Then the conceptual design is shown, in which a tree of functions, a morphological matrix, a first concept, a pugh matrix, a textual description of the concept were made, as well as some sketches of the 3D model of the piece to be obtained. Next, the detailed design is shown, where calculations were made for the design of the part's feed system, as well as the calculations of the filling time and the solidification time of the casting. Finally, the validation of the design was carried out with a casting simulator, which serves to know the filling time, the solidification time and the integrity level of the casting. The results that were obtained in the casting simulation were the following: First simulation. With a sprue: 12 seconds in filling time and 6.75 minutes in solidification time. Integrity level 90% Calculated values: 13.01 seconds in filling time, and 5.11 minutes in solidification time. The piece does not reach 100% integrity, therefore, it has to redesign the feeding system, adding a sprue in the area where the smelting is not being completely filled. Second simulation: With double riser: 13.03 seconds and 6.61 minutes in solidification time. 100% integrity level Calculated values: 14.86 seconds in filling time and 6.24 minutes in solidification time. The model with double sprue was selected, given that it was observed that the risers were cooled and solidified, until the end, in such a way that a 100% integral part is ensured. Therefore, the design of the feeding system can be approved, and the mold is authorized for its manufacture in a 3D sand printer. A financial analysis was also carried out, comparing expenses for infrastructure, facilities and equipment, basic services, engineering personnel, technical personnel, work material, design and mold manufacturing. In order to compare and analyze which process is most suitable for the manufacture of prototypes of auto parts that can generate more profits, being the casting process using disposable mold printed in sand 3d, as the best option since it is the process of foundry that requires less investment and expenses for the manufacture of auto parts prototypes.
3
Capítulo 1. Introducción
1.1 Antecedentes
Los primeros metales que el hombre utilizó fueron el oro, la plata o el cobre
que se encuentran con cierta facilidad en estado metálico puro (en forma de elementos
nativos). (…). El primer gran avance se produjo con el descubrimiento del bronce entre
3500 y 2000 a.C., al emplear mineral de cobre mezclado de manera más o menos
accidental con pequeñas cantidades de estaño, lo que permitía fundirlo con más
facilidad y que, una vez sólido fuese más tenaz. En este momento comenzó la Edad
del Bronce. (Sociedad de Investigación y Explotación Minera de Castilla y Leon, 2008,
pág. 5)
Fueron los Romanos los primeros en emplear en forma masiva la fundición de
bronce a la cera perdida, esto en la edad del bronce, hasta que llego la edad del hierro
en la que el bronce fue sustituido por este metal, debido a su abundancia en la
naturaleza y a sus excelentes propiedades. (Codina, 2002)
En el periodo 1000 a 1 a.C. Se desarrolla el hierro fundido y el acero, mientras
que la fundición del Zinc, y el acero se desarrolla en el periodo 1 a 1000 d.C., El alto
horno y la fundición de campanas, se desarrollan en el periodo 1000 a 1500 d.C., Los
primeros cañones de hierro fundido y la placa de estaño, se desarrollan durante los
años 1500 y 1600. La fundición utilizando molde permanente, el latón a partir de cobre
y zinc metálico, son desarrollados durante los años 1600 y 1700. En los años 1700 y
1800, se desarrolla el hierro fundido maleable, y también el acero de crisol para barras
y varillas de hierro. Durante los años 1800 y 1900 se desarrolló la fundición centrífuga,
el proceso de Bessemer, el aluminio electrolítico, las barras de níquel, acero
galvanizado, la metalurgia de polvos, y el acero de hogar abierto. Durante el periodo
1920 a 1940, se desarrolló el proceso de fundición a presión. También se desarrolló la
fundición y moldeo de plásticos, cloruro de polivinilo, acetato de celulosa, polietileno y
fibras de vidrio. En los años 1940 y 1950, se desarrolla el proceso a la cera perdida
para partes de ingeniería. Se desarrollo el molde cerámico, el hierro nodular,
semiconductores, y la fundición continua, durante los años 1950 y 1960. La fundición
4
por compresión, y los primeros alabes para turbinas de monocristales se desarrollan
en el periodo 1960 a 1970. Se desarrolla en los años 1970 y 1990, el grafito
compactado, la fundición al vacío, la arena aglutinada orgánicamente, la
automatización del moldeo y colado, solidificación rápida, trabajo de metales
semisólidos, metales amorfos, elaciones con memoria de forma (materiales
inteligentes), simulación en computadoras. Y en los años 1990 y 2000, se desarrolló
el diseño de moldes y matrices asistido por computadora, y el montaje rápido de
herramientas. (Serope Kalpakjian, 2008)
En México, la llegada de la tecnología del alto horno se produjo en 1807,
mediante la ferrería Guadalupe en Coalcomán, Michoacán. Dicho establecimiento
inicio operaciones con un reverbero y un alto horno de grandes proporciones y estuvo
en operaciones hasta que los conflictos político-militares del movimiento de
Independencia acabaron con ella. Al despuntar el siglo XX, las ferrerías fueron
relevadas por compañías siderúrgicas de mayor envergadura que iban surgiendo al
ritmo del desarrollo económico e industrial que estaba experimentando el país. La más
importante de ellas fue la Fundidora de Fierro y Acero de Monterrey, (FUMOSA)
empresa que modificará drásticamente la forma de fabricar acero en el territorio
nacional. Quedo constituida el 5 de mayo de 1900 con un capital de diez millones de
pesos y unos meses después dio inicio sus operaciones, la empresa tenía como
objetivo la adquisición y explotación de minas de hierro y carbón, así como la fundición
y el procesamiento del metal para la elaboración de objetos diversos. En 1942, se
funda Altos Hornos de México (AHMSA), en Monclova, Coahuila, y en 1944 inicia
operaciones con una capacidad de 140.000 toneladas de acero líquido por año. En
1960, la fundidora aumenta su capacidad a 2 millones de toneladas de acero líquido,
con esto se consolida como la empresa más grande del ramo en América Latina.
Actualmente opera a un ritmo de producción de 4 millones de toneladas anuales de
acero líquido, cuenta con una plantilla de 17.000 personas, incluyendo sus empresas
subsidiarias. Es líder nacional en producción y comercialización de productos planos:
lámina rolada en caliente, placa, lámina rolada en frío, hojalata y lámina cromada.
Fábrica además productos no planos: perfiles estructurales y perfiles ligeros. En 1943,
se funda la empresa Hojalata y Lámina (HYLSA), en 1957, puso en marcha el primer
5
proceso de reducción directa de mineral de hierro del mundo, mediante el cual se
eliminan los elementos residuales que afectan la calidad de los productos de acero, se
llama Tecnología HYL. (Felipe Díaz del Castillo Rodriguez, 2008)
El 23 de septiembre de 1935, se constituye oficialmente General Motors de
México e inicia operaciones con 36 empleados en sus oficinas ubicadas en la calle
Uruguay, en el centro de la Ciudad de México. En 1963, General Motos de México,
comienza la construcción del Complejo GM Toluca, con una planta de motores y una
de fundición, a fin de cumplir con el Plan de Integración Nacional de la industria
Automotriz en el que se estableció que el 60% de los componentes de las unidades
debían ser producidos localmente. En 1965, inician producción las plantas de motores
y fundición en Toluca, Estado de México. En 1978, General Motors inicia la producción
de partes y componentes para la industria automotriz. (GENERAL MOTORS DE
MÉXICO, 2015)
En 1967, Bocar Group se establece en la Ciudad de México, originalmente
como un fabricante de bombas y carburadores. El enfoque de Bocar es la manufactura
de partes de plástico, aluminio de alta calidad y precisión, así como ensambles
complejos para aplicaciones automotrices. (BOCAR GROUP 60 AÑOS, 2018)
Según datos de la Sociedad de Mexicana de Fundidores, en el 2012,
existían poco más de 800 empresas dedicadas a la fundición, de las cuales, alrededor
del 90 % son PYMES. En este sector, los productos que más se trabajan son el cobre,
el hierro y el acero (aleación). La industria fundidora produce productos para diferentes
aplicaciones siendo la distribución de la siguiente manera: 78% industria automotriz,
9.8% maquinaria y accesorios metálicos no agrícolas, 8.3% maquinaria agrícola, 3.9%
industria en general. (TU INTERFAZ DE NEGOCIO, 2018)
6
Figura 1.1 Línea de tiempo evolución de la fundición. Fuente elaboración propia, a partir de la información consultada.
3500 a. C.
2000 a. C.
1000 a. C.
1 d. C.
1000 d. C.
1900 d. C.
1800 d. C.
1700 d. C.
1600 d. C.
1500 d. C.
1920 d. C.
1930 d. C.
1940 d. C.
1950 d. C.
1960 d. C.
2000 d. C.
1990 d. C.
1980 d. C.
1970 d. C.
4° Revolución Industrial
7
Referencias
AFS Technical Department. (s.f.). Timeline of Casting Technology. JOM.
BOCAR GROUP 60 AÑOS. (2018). BOCAR GROUP 60 AÑOS. Obtenido de BOCAR
GROUP 60 AÑOS: http://www.bocar.com.mx/es-es/home/nosotros/intro.aspx.
Consultado el 2 de julio 2017
Codina, M. y. (2002). La fundición a la cera perdida. En F. J. Turriano, Artifex. Ministerio
de Educación Cultura y Deporte.
Cortés, R. O. (2014). La Cuarta Revolución Industrial, un relato desde el materialismo .
URBS. Revista de Estudios Urbanos y Ciencias Sociales, 101.
Felipe Díaz del Castillo Rodriguez, E. C. (2008). La industria del Acero en México, los
últimos 100 años. Congreso Cientifico Tecnológico.
GENERAL MOTORS DE MÉXICO. (2015). GM 80 años con México. En Forma México
S.A de C.V. .
Serope Kalpakjian, S. R. (2008). Manufactura, ingeniería y tecnología. México:
PEARSON EDUCACIÓN.
Sociedad de Investigación y Explotación Minera de Castilla y Leon. (2008). Los Metales
en Castilla y Leon. Domènech e-learning multimedia, S.A.
TU INTERFAZ DE NEGOCIO. (2018). TU INTERFAZ DE NEGOCIO. Obtenido de TU
INTERFAZ DE NEGOCIO:
https://tuinterfaz.mx/articulos/20/152/la-industria-fundidora-en-mexico/. Consultado el 2 de julio 2017
8
1.2 Justificación
A finales del siglo XVIII y principios del XIX, la Primera Revolución Industrial transformó el mundo como ningún otro fenómeno histórico lo había hecho desde el Neolítico. Se pasó de una economía rural basada en la agricultura y el comercio, a una economía urbana, industrial y mecanizada, que cabalgaba sobre la máquina de vapor. En la segunda, la electricidad y los combustibles fósiles darían energía a miles de fábricas que crecieron en tecnificación y tamaño, precipitando una división del trabajo sin precedentes. En la tercera, la industria se informatizó y se automatizó a una velocidad exponencial desde la década de los setenta hasta nuestros días, en la que millones de ciudadanos vivimos conectados a través de nuestros teléfonos inteligentes. Estas tres oleadas de cambios han transformado la humanidad mucho más en 200 años que en 10 000, pero nada parece indicar que el proceso haya finalizado, o ni siquiera, que se haya ralentizado un poco. Todo lo contrario. El éxodo rural continua, y en el 2050 más de dos tercios de la población mundial vivirá en las ciudades. Paralelamente, ya hay expertos que identifican señales evidentes de una Cuarta Revolución Industrial en ciernes, basada en la hiper-conectividad y los sistemas ciberfísicos -el internet de las cosas-, o la micro-fabricación representada por el movimiento maker, gracias a la popularización de las impresoras 3D y la economía a través de plataformas financiación colectiva como Kickstarter. (Cortés, 2014)
Es imposible no reconocer la relevancia de la industria automotriz como motor del crecimiento de la economía del país. El sector aporta más de 3% del Producto Interno Bruto (PIB) nacional y 18% del PIB manufacturero, genera divisas por más de 52,000 millones de dólares al año y es responsable de alrededor de 900,000 empleos directos, en todo el país. Con estos indicadores, México es el séptimo productor y el cuarto exportador de vehículos ligeros a nivel global. (Solís, 2016)
Durante 2015, México consolidó su papel protagónico en la industria mundial de vehículos pesados, el país exportó 92,985 tractocamiones quinta rueda, con un valor total de más de 8,500 millones de dólares, con lo que se convirtió en el mayor exportador de vehículos de este tipo a nivel mundial. (Lizarraga, 2016)
La industria de autopartes en México mantiene una tendencia de crecimiento sostenido. En los últimos cinco años, el sector ha alcanzado cifras récord tanto en producción (82,000 millones de dólares anuales) como en exportaciones (65,000 millones de dólares anuales). Actualmente, México es el sexto productor más grande del mundo y la expectativa es que los
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próximos años el país avanzará varias posiciones. Este crecimiento es resultado de una combinación de factores, entre los que están la apertura de nuevas plantas de manufactura, la localización geográfica del país y el crecimiento de la industria en Estados Unidos, el principal destino de las exportaciones mexicanas de autopartes. (Albín, 2016)
Figura 1.2 Indicadores clave en México, 2015. Fuente (PROMÉXICO, 2014)
Las autopartes que mayormente se importan al país son los motores para vehículos, cajas de cambio y sus partes, partes de asientos, neumáticos para autobuses de diámetro superior a 44.45 cm, cajas de velocidades automáticas y el resto de las autopartes. Y las autopartes que mayormente se exportan son los arneses para uso automotriz, partes de asientos, bolsas de aire, receptores de radio AM-FM, conjunto diferencial integral compuesto de caja de velocidades y el resto de las autopartes. (Gobierno de México, 2018)
Gran porcentaje de estas autopartes son producidas por fundición, en la que, los procesos suelen ser por fundición en moldes de arena verde, fundición a la cera perdida, fundición a la espuma perdida, fundición por presión, y fundición por gravedad. Estos procesos de fundición han sido empleados por décadas en la industria automotriz, pero gracias a las nuevas tecnologías de la cuarta revolución industrial estos procesos de fundición también evolucionarán. La impresión 3d, será una de las tecnologías de la cuarta revolución industrial que comenzará a introducirse en los procesos de fundición, para la fabricación de prototipos de autopartes, componentes industriales,
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moldes permanentes, moldes desechables, entre otras más aplicaciones, que ahorrarán tiempo en la fabricación de prototipos y componentes industriales, además, los productos serán más económicos de producir, también, gracias a las tecnologías asistidas por computadoras, se podrán realizar los diseños, simulación de comportamientos, y simulación de fabricación, que nos permitirá tomar decisiones para rediseños o para aprobar un diseño y fabricación de este. Los procesos de fundición más utilizados en la industria automotriz, son el proceso de fundición a la espuma perdida, fundición a la cera perdida, y fundición utilizando molde permanente, los primeros dos procesos de fundición, ocupan de un modelo físico sacrificable, ya que este modelo se va a sacrificar para generar la cavidad y poder realizar el vaciado del metal dentro de esta cavidad, de manera que para fabricar los modelos desechables, es necesario contar con moldes permanentes para la fabricación de estos modelos desechables, lo que significa que se ocupa de ingeniería, técnicos, instalaciones e infraestructura para poder fabricar los moldes permanentes que se utilizarán en la fabricación de los modelos desechables, además, se deben considerar ángulos de salida lo que limita los diseños, a que sean formas más sencillas ya que las formas complejas e irregulares, difícilmente se podrían trabajar, lo que hace, que el querer ocupar estos procesos de fundición tradicionales, para la fabricación de prototipos de autopartes, el precio sea demasiado elevado, la impresión 3d sería la solución a este problema, ya que para fabricar prototipos de autopartes, solo se ocuparía de tener el modelo virtual en 3d del prototipo que se quiere obtener, y a partir de este generar las partes que conformen el molde de arena desechable que tendrá la cavidad de la forma deseada, para que finalmente se realice directamente el vaciado del metal y se obtenga el prototipo de manera más rápida y económica, generando mejores ganancias al fabricante y un mejor precio al consumidor.
Por lo que hace falta información sobre la ingeniería de fabricación de prototipos ya sea para uso automotriz, o industrial, a partir del uso y aplicación de las tecnologías asistidas por computadora, así como el uso de las nuevas tecnologías como es la impresión 3d, para la fabricación de moldes desechables de arena.
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Referencias
Albín, O. R. (2016). Presentación. La industria automotriz mexicana , 11.
Gobierno de México. (04 de 09 de 2018). gob.mx. Obtenido de Industria
Automotriz-Situación
macroeconómica:
https://www.gob.mx/cms/uploads/attachment/file/119066/Sector_Industria_Autom
otriz.pdf. Consultado el 1 de septiembre 2018.
Lizarraga, M. H. (2016). Presentación. La industria automotriz mexicana, 10.
PROMÉXICO. (2014). Industria Automotriz. Ciudad de México.
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1.3 Objetivos
Objetivo generalDesarrollar ingeniería de manufactura en la fabricación de autopartes, utilizando molde desechable impreso en 3D, aplicando tecnologías asistidas por computadora, proponiendo tecnología bajo el concepto de Industria 4.0.
Objetivos particulares
1. Investigar y comprender los procesos de fundición para la fabricación de partes automotrices.
2. Aplicar la metodología QFD, al proceso de fundición de piezas para conocer las especificaciones de diseño, en el desarrollo de un molde impreso en 3D.
3. Utilizar las tecnologías asistidas por computadora, en el diseño conceptual, del molde para una parte automotriz.
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1.4 Alcances
1. Aplicar la metodología QFD, al proceso de fundición para la fabricación de partes automotrices.
2. Realizar la simulación de llenado de la cavidad del molde de fundición de una pieza automotriz, utilizada en este trabajo, mediante tecnología asistida por computadora.
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1.5 Metodología
En este trabajo, se ha dividido el proyecto en etapas, como se muestra en la Figura 3. Metodología. Con el fin de conocer los resultados en cada etapa, para que sean evaluados y validados, buscando avanzar a la siguiente etapa.
Figura 1.3 Metodología
Etapa 1. Identificación de las necesidades.
Al conocer el proceso de fundición y su aplicación, dentro de la industria, en esta primera etapa del proyecto, lo que se busca es conocer las necesidades del cliente con el fin de que obtenga un beneficio, mediante el producto o servicio. Con lo anterior se busca interpretar y definir las especificaciones en la siguiente etapa.
Etapas de la tesis Etapa 1 Identificación de las necesidades Etapa 2 Definición de especificaciones Etapa 3 Diseño conceptual Etapa 4 Diseño de detalle Etapa 5 Validación del diseño
Definición de
especificaciones
Diseño
conceptual
Diseño detallado y generación de partesModelo
virtual
Análisis y
verificación
Verificación
Capítulo 3
Capítulo 4
Capítulo 5
Capítulo 6
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Etapa 2. Especificaciones de diseño.
Se aplicará la metodología QFD, para establecer metas de diseño, por lo que se realizarán las siguientes actividades: Determinación de los requerimientos del cliente “viva voz”, interpretación de los requerimientos del cliente, clasificación de los requerimientos del cliente, ponderación de los requerimientos deseables de competitividad, estudio comparativo de mercado, traducción de los requerimientos del cliente a términos mesurables de ingeniería, con el fin de establecer las metas del diseño.
Etapa 3. Diseño conceptual
En esta etapa se realizarán las siguientes actividades: Árbol de Funciones, matriz Morfológica, matriz de Pugh, filtros de evaluación, descripción textual del concepto obtenido, bosquejos o dibujos preliminares del producto o servicio.
Etapa 4. Diseño de detalle
En esta etapa se realizarán las siguientes actividades: Dibujar el plano de conjuntos (2D), dibujar los planos de construcción (dimensiones y tolerancias), y los cálculos para verificar el diseño.
Etapa 5. Validación del diseño
Realizar simulaciones y/o experimentaciones, mediante SolidCast, un software para realizar simulaciones de fundición.
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1.6 Organización del trabajo propuesto
Capítulo 1. Introducción.Se establecen los antecedentes del proceso de fundición para fabricar autopartes, se muestran: la introducción, la justificación, los objetivos, general y específicos, el alcance y la metodología a seguir en este trabajo. Con lo anterior se busca tener orden en la investigación y establecer las directrices para la tesis.
Capítulo 2. Estado del arte
Se realiza una investigación sobre la situación actual de los procesos de fundición para la fabricación de partes automotrices y las nuevas tecnologías para la fundición de autopartes.
Capítulo 3. Especificaciones de diseño
Se aplicará la metodología QFD al proceso de fundición para fabricar piezas automotrices, con el fin de obtener metas de diseño para el desarrollo de un molde impreso en 3D y fabricar autopartes.
Capítulo 4. Diseño conceptual
Como consecuencia de las especificaciones, en este capítulo se obtendrán, los primeros diseños y conceptos para el desarrollo de un molde impreso en 3D, para fabricación de autopartes. Al tener un diseño conceptual final se realizará el diseño de detalle.
Capítulo 5. Diseño de detalle
Se realizan los cálculos, los planos de conjunto y los planos de construcción de un molde impreso en 3D, con Solidworks.
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Capítulo 6. Validación del diseño
Se realizará una simulación de fabricación, con ayuda de las tecnologías asistidas por computadora.
Capítulo 7. Análisis económico
Se realiza una comparativa en costos de producción, del nuevo procedimiento de fabricación contra los procesos clásicos de fabricación de autopartes.
Capítulo 8. Conclusiones
Se realiza un reporte con los resultados obtenidos y las conclusiones que se obtuvieron de este trabajo.
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2. Estado del arte
2.1. Procesos de fundición para la fabricación de
autopartes.
El proceso de fundición permite la creación de partes automotrices, ya sea para la fabricación de monoblocks y cabezas de aluminio, para motores, utilizando el proceso de fundición a la espuma perdida, o para la fabricación de transmisiones, componentes estructurales, carcasas de alternador, tapas de punterías, cubiertas frontales, bombas de agua, etc., utilizando el proceso de fundición por presión de aluminio, así como fundición por gravedad.
2.1.1 Procesos de Fundición
Los procesos de fundición consisten en hacer los moldes, preparar y fundir el metal, vaciar el metal en el molde, limpiar las piezas fundidas y recuperar la arena para volver a usarla. (Amstead, Ostwald, & Begeman, 2013)
La fundición es un proceso en el que el metal derretido fluye por gravedad u otra fuerza hacia un molde en el que se solidifica con la forma de la cavidad de éste. (P. Groover, 2007)
¿Qué es un molde?
El molde contiene una cavidad cuya configuración geométrica determina la forma de la pieza fundida. El tamaño y forma reales de la cavidad deben sobredimensionarse un poco para permitir la contracción de metal que ocurre durante la solidificación y enfriamiento. A metales diferentes corresponden cantidades distintos de contracción, por lo que la cavidad del molde debe diseñarse para el metal en particular que va a fundir, si la exactitud dimensional es de importancia crítica. Los moldes están hechos de varios materiales, que incluyen la arena, yeso, cerámica y metal. (P. Groover, 2007)
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Figura 2.1. Molde, con un núcleo o corazón, coronas para soportar al corazón, una mazarota, y el bebedero. Fuente: (P. Groover, 2007)
¿Qué es un modelo?
Un patrón de tamaño real de la pieza, aunque más grande para que se tome en cuenta las tolerancias por contracción y maquinado en el fundido final. Los materiales que se usan para fabricar modelos incluyen madera, plásticos y metales. La madera es un material común para hacer moldes debido a la facilidad para darle forma. Sus desventajas son que tiende a deformarse y la arena que se compacta alrededor de ella la erosiona, lo que limita el número de veces que puede volver a utilizarse. Los modelos de metal son más caros, pero duran mucho más. Los plásticos representan un acomodo entre la madera y el metal. Hay varios tipos de modelos. El más simple está hecho de una sola pieza y recibe el nombre de modelo sólido, tiene la misma forma que el fundido y su tamaño está ajustado para la contracción y el maquinado. Modelo deslizante, consisten en dos piezas que dividen la parte a lo largo de un plano que coincide con la línea divisoria del molde. También existen los modelos de placas ajustadas, las dos piezas del modelo deslizante están sujetas a los lados opuestos de una placa de madera o metal. Los agujeros permiten que los marcos superior e inferior, del molde se alineen en forma adecuada. Moldes de capucha y base, son similares a los de placas ajustadas, excepto porque las mitades que se separan están ajustadas a placas diferentes, de modo que las secciones de la capucha y base del molde se fabrican de manera independiente en lugar de usar las mismas herramientas para ambos. (P. Groover, 2007) Los modelos pueden ser, removibles o desechables y virtuales.
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Figura 2.2. Modelos: a) Modelo de resina bipartido, b) Modelo de madera, c) Modelo virtual
¿Qué son los corazones?
Cuando una pieza de fundición debe tener una cavidad o hueco, tal y como un agujero para un tornillo, debe introducirse en el molde alguna forma de corazón. Un corazón se define algunas veces como cualquier proyección de arena dentro del molde. Esta proyección puede quedar formada por el molde mismo o puede ser hecha en otra parte e introducido en el molde después de extraer el modelo. Se pueden formar superficies tanto internas como externas en una pieza de fundición mediante corazones. Los corazones se clasifican como corazones de arena verde y corazones de arena seca. Los de arena verde, son aquellos formados por el mismo modelo y se hacen de la misma arena que el resto del molde. Los corazones de arena seca son los que se forman separadamente, para insertarse después que se ha retirado el modelo y antes de cerrar el molde. Estos corazones se hacen de arena de rio, la cual se mezcla con algún aglutinante y se hornea para darle la resistencia deseada, la caja en la cual se forma se llama caja de corazones. (Amstead, Ostwald, & Begeman, 2013)
Figura 2.3 Molde abierto y molde cerrado, en el molde cerrado podemos observar el núcleo, o corazón utilizado para generar una cavidad en la fundición a obtener. (P. Groover, 2007)
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Sistema de alimentación para una fundición
Son los conductos que llevan el metal vaciado a la cavidad del molde, usualmente constituido por una vasija de vaciado, comunicado a un canal de bajada o conducto vertical conocido como bebedero, y a un canal a través del cual el metal fluye desde la base del bebedero a la cavidad del molde.
Figura 2.4 Sistema de alimentación para una fundición
El diseño del sistema de alimentación es importante e involucra un número de factores.
* El metal debe entrar a la cavidad con el mínimo de turbulencias como sea posible, y cerca del fondo de la cavidad del molde en el caso de fundiciones pequeñas.
* La erosión de los conductos o superficies de la cavidad deben ser evitadas por regulación apropiada del flujo del metal, o por el uso de arena seca de corazones. Las entradas y corredores formados resisten mejor la erosión que aquellos que están cortados.
* El metal debe entrar en la cavidad, así como proporcionar una solidificación direccional si es posible. La solidificación debe progresar desde la superficie del molde a la parte de metal más caliente de modo que allí es donde el metal caliente abastece para compensar la contracción. * Se debe prever que no entre la escoria u otras partículas extrañas a la cavidad del molde.
Una vasija de vaciado, próximo a la parte a superior del agujero del bebedero, se obtiene para prever en los moldes grandes y facilitar el vaciado y eliminar la escoria para que no entre al molde.
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El metal debe ser vaciado de tal manera que la vasija de vaciado y el agujero del bebedero estén llenos todo el tiempo. Los rebosaderos proporcionan en los moldes la alimentación del metal líquido a la cavidad principal de la pieza para compensar las contracciones.
La contracción volumétrica usualmente ocurre cuando el metal se solidifica resultando una cavidad debido a la contracción si la solidificación no es dirigida, de modo que algunos huecos causados por la contracción toman lugar en el canal, rebosadero o bebedero. La contracción ocurre en el área donde el metal vaciado tiene gran estancia. En cada caso los huecos de contracción causados pueden ocurrir en las áreas de mayor temperatura, y el diseño del molde debe ser modificado, así como cambiar esta tendencia si dicho hueco es perjudicial para la pieza fundida. Los insertos metálicos llamados enfriadores son algunas veces usados para controlar la solidificación llevando el calor lejos del metal que se está solidificando a una rapidez mayor. (Amstead, Ostwald, & Begeman, 2013)
A continuación, se presenta la figura 2.5, que contiene la clasificación del proceso de fundición utilizado en este estado del arte.
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Proceso de fundición Molde desechable Utilizando Modelo para hacer la cavidad Fundición utilizando molde de arenaFundición utilizando molde de arena fabricado por prototipado
rápido y herramientas rápidas Fundición utilizando molde especial Fundición utilizando molde de CO2 Por Modelo sacrificado Fundición a la espuma perdida Fundición a la cera perdida Utilizando molde de acero del modelo, para crear una
cascara. Moldeo en cascaron o concha Molde permanente Fundición en hueco Fundición a baja presión Fundición al vacio con molde permanente Fundición con troquel Sistemas especiales Fundición centrifuga
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A continuación, se presentan las siguientes tablas con la descripción, imágenes del proceso, ventajas y desventajas de los diferentes procesos de fundición.
Tabla 2.1 Fundición utilizando molde de arena.
Descripción del Proceso de
Fundición utilizando molde de
arena
Imagen del proceso de fundición
Ventajas
1. El proceso comienza, con la
fabricación del modelo, de
madera, plástico, o metal.
2. Selección de la arena y
preparación de esta.
3. Diseño,
fabricación
y
ensamble del molde.
4. Fabricación del núcleo o
corazón en caso de ocupar.
5. Selección del metal, fundición
del metal.
6. Vertido del metal en la vasija
de vaciado del molde de
arena.
7. Solidificación y enfriamiento
del fundido.
8. Remoción del molde de arena.
9. Limpieza e inspección
10. Fundido terminado
Se puede emplear con materiales
con altas temperaturas de fusión,
como son el acero, níquel y
titanio. Se puede usar para hacer
piezas pequeñas o de grandes
dimensiones.
Es el proceso de fundición más
económico, sencillo de realizar,
y se puede automatizar.
Desventajas
Se tiene que sacrificar el molde de arena, y por lo tanto se tiene que hacer un nuevo molde por cada parte a producir. Velocidad de producción limitado, a causa del tiempo para hacer el molde.
Se necesita de un modelo físico para la fabricación del molde, por lo que fabricar el modelo genera gastos por el diseño, fabricación y almacenaje de este. Las formas de las fundiciones a obtener deben ser sencillas y se debe considerar ángulos de salida.
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Tabla 2.2 Fundición utilizando molde de arena fabricado por prototipado rápido y herramientas rápidas.
Descripción del Proceso de
Fundición utilizando molde de
arena fabricado por prototipado
rápido y herramientas rápidas
Imagen del proceso de fundición
Ventajas
1. Diseñar en 3d, el modelo,
considerando
la
contracción del material a
utilizar.
2. Diseñar el sistema de
alimentación del modelo a
utilizar.
3. Generar las partes que
conformen al molde y su
cavidad, a partir del
modelo y su sistema de
alimentación,
para
generar archivos en 3d.
4. Convertir los archivos 3d,
de las partes del molde, en
formatos STL.
5. Generar códigos para la
impresora 3d.
6. Imprimir las partes en la
impresora 3d.
7. Limpieza y ensamble del
molde
8. Vaciado del metal fundido
en el molde
9. Solidificación
y
enfriamiento del fundido.
Se tiene que sacrificar el molde
de arena, y por lo tanto se tiene
que hacer un nuevo molde por
cada parte a producir. Los
tamaños de los componentes
están limitados por el tamaño de
la impresora.
Costo elevado de la impresora.
Desventajas
Piezas de gran exactitud y de
cualquier
material.
No
se
necesita fabricar un modelo, ya
que el modelo solo se ocupa de
forma virtual para hacer los
moldes. Se puede reciclar la
arena. No se ocupa personal para
realizar los moldes. Se puede
automatizar. Se pueden imprimir
varios moldes de acuerdo con las
dimensiones de la impresora 3D.
Solo se ocupa de las tecnologías
asistidas por computadora para el
diseño, análisis y modelado de
los moldes, una impresora 3D y
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10. Remoción del molde de
arena.
11. Limpieza e inspección.
12. Fundido terminado.
un equipo de limpieza para dejar
los moldes en condiciones
óptimas para realizar el vaciado
del metal. Poco personal para
realizar las operaciones.
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Tabla 2.3 Fundición a la espuma perdida.
Descripción del Proceso de
Fundición a la espuma perdida
Imagen del proceso de fundición
Ventajas
1. Diseñar
el
modelo
considerando
la
contracción del material a
utilizar.
2. Diseñar el sistema de
alimentación.
3. Fabricar
los
moldes
permanentes a partir del
modelo,
considerando
ángulos de ataque para
después retirar el modelo
de los moldes.
4. Fabricar los modelos de
poliestireno
expandido,
inyectando poliestireno en
los moldes permanentes.
5. El modelo de poliestireno
se
recubre
con
un
compuesto refractario
6. El modelo se coloca en la
caja
del
molde,
y
alrededor
de
él
se
compacta arena
7. Se vierte el metal fundido
en la porción del patrón
que constituye el embudo
y el bebedero del vertido.
Conforme el metal ingresa
al molde, la espuma de
Una ventaja significativa de este
proceso es que el modelo no
necesita removerse del molde,
esto simplifica y facilita la
fabricación
del
molde.
Se
obtienen buenos acabados y un
gran detalle.
Se puede automatizar.
Desventajas
La desventaja del método es que
se necesita un nuevo patrón o
modelo para cada fundición.
Para la fabricación de los
modelos, se necesita de la
fabricación
de
moldes
permanentes con la forma del
modelo, lo que genera gastos en
la ingeniería de fabricación de
estos.
Contar con la infraestructura,
instalaciones
y
personal
calificado para la fabricación de
modelos de poliestireno, o contar
con proveedores de modelos de
poliestireno.
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poliestireno se vaporiza al
contacto con el líquido, lo
que permite que se llene la
cavidad del molde.
En los diseños de lo modelos,
debe considerarse los ángulos de
ataque, que aseguren que los
modelos se puedan retirar del
molde permanente.
La justificación económica del
proceso
de
poliestireno
expandido depende del costo de
producción de los modelos.
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Tabla 2.4 Fundición a la cera perdida.
Descripción del Proceso de
Fundición a la cera perdida
Imagen del proceso de fundición
Ventajas
1. Diseñar
el
modelo
considerando
la
contracción del material a
utilizar.
2. Fabricar
los
moldes
permanentes a partir del
modelo,
considerando
ángulos de ataque para
después retirar el modelo
de los moldes
3. Fabricar los modelos de
cera, inyectando a presión
la cera fundida en la
cavidad
del
molde
permanente.
4. Unir varios modelos de
cera a un bebedero para
formar un árbol.
5. El árbol de modelos se
recubre con una capa de
material refractario
6. Se forma el molde con el
árbol
recubierto
con
material
refractario
suficiente para volverlo
rígido
7. Se mantiene el molde en
posición invertida y se
calienta para fundir la cera
La cavidad del molde resultante
de la fundición del modelo de
cera contiene todos los detalles
complicados de la forma original
del modelo, por lo que se puede
ocupar este proceso, para realizar
piezas con formas complicadas.
Se puede automatizar el proceso
de fabricación de modelos de
cera. Excelente para grandes
producciones
Desventajas
Para la fabricación de los
modelos, se necesita de la
fabricación
de
moldes
permanentes con la forma del
modelo, lo que genera gastos en
la ingeniería de fabricación de
estos.
Contar con la infraestructura,
instalaciones
y
personal
calificado para la fabricación de
modelos de cera, o contar con
proveedores de modelos de cera.
30
y permitir que salga de la
cavidad
8. El molde se precalienta a
temperatura elevada, lo
que garantiza que todos
los
contaminantes
del
molde se eliminen; eso
también permite que el
metal líquido fluya con
más facilidad dentro de la
cavidad
detallada;
se
vierte el metal fundido; se
solidifica.
9. se rompe el molde del
fundido terminado. Se
separan las partes del
bebedero.
Se pierde el modelo, al fundirse y
también se pierde el molde al
sacar la pieza, por lo que para
realizar
nuevas
piezas
es
necesario, volver hacer el modelo
y el molde, con todas sus partes
para realizar el colado y obtener
las piezas deseadas.
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Tabla 2.5 Fundición por moldeo en cascarón o concha.
Descripción del Proceso de
Fundición por moldeo en
cascaron o concha
Imagen del proceso de fundición
Ventajas
1. Diseñar
el
modelo
considerando
la
contracción del material a
utilizar.
2. Diseñar el sistema de
alimentación
3. Fabricar las placas (de
ajuste o de capucha y
base) que contienen la
forma
del
modelo,
considerando ángulos de
ataque para después retirar
la cascara refractaria que
contiene la cavidad con la
forma del modelo.
4. Calentar la placa de ajuste
o de capucha y base, y se
coloca sobre una caja que
contiene arena mezclada
con
alguna
resina
termofija.
5. Se invierte la caja de modo
que la arena y la resina
caigan sobre el modelo
caliente, lo que ocasiona
que una capa de la mezcla
se cure parcialmente sobre
Piezas de gran exactitud. Bajo
costo de limpieza. Superficies
tersas. Fácilmente se puede
automatizar.
Desventajas
Se
requiere
de
modelos
metálicos, por lo que se necesita
de la fabricación de placas
permanentes con la forma del
modelo, lo que genera gastos en
la ingeniería de fabricación de
estas placas, además de, equipo
totalmente costoso para hacer y
calentar los moldes o placas.
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la superficie y forme una
concha dura.
6. La caja vuelve a su
posición original de modo
que caigan las partículas
sueltas que no resultaron
curadas.
7. El cascarón de arena se
calienta en un horno
durante varios minutos, a
fin de completar el curado.
8. El modelo en cascarón se
separa del modelo.
9. Se ensamblan dos mitades
del molde en cascarón,
apoyadas en dosis de
arena o metal en el interior
de una caja; y se realiza el
vertido.
10. Se
retira
el
fundido
terminado,
con
el
bebedero removido.
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Tabla 2.6 Fundición utilizando molde permanente. (P. Groover, 2007)
