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SIMULACIÓN DEL PROCESO LOST FOAM CASTING PARA LA
PREDICCIÓN DE DEFECTOS Y AUMENTOS DE EFICIENCIAS DE MOLDEO
ANDRÉS FELIPE DUQUE MESA
UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA ESCUELA DE INGENIERÍAS
MAESTRÍA EN INGENIERÍA ÉNFASIS EN NUEVOS MATERIALES MEDELLÍN
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SIMULACIÓN DEL PROCESO LOST FOAM CASTING PARA LA
PREDICCIÓN DE DEFECTOS Y AUMENTOS DE EFICIENCIAS DE MOLDEO
ANDRÉS FELIPE DUQUE
Trabajo de grado para optar al título de Magíster en Ingeniería énfasis en Nuevos Materiales
Director
HADER VLADIMIR MARTÍNEZ Doctor en Energía y Termodinámica
UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA ESCUELA DE INGENIERÍAS
MAESTRÍA EN INGENIERÍA ÉNFASIS EN NUEVOS MATERIALES MEDELLÍN
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Nota de aceptación
Firma Nombre:
Presidente del jurado
Firma Nombre: Jurado Firma Nombre: Jurado Medellín, Abril de 2010
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AGRADECIMIENTOS
El autor expresa sus agradecimientos a:
El Doctor Hader Vladimir Martínez, Director de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Pontificia Bolivariana, por sus acertados consejos y enseñanzas durante el tiempo de trabajo.
Marco Fidel Valencia, Investigador de la Escuela de Ingeniería de Antioquia, por estar siempre dispuesto a solucionar cualquier duda de un compañero de trabajo.
Patricia Fernández, Investigadora del GINUMA Universidad Pontificia Bolivariana, por su apoyo técnico e incondicional compañerismo.
Mis socios Laura y Alejo por su paciencia y ayuda en todo momento.
COLCIENCIAS el financiamiento del proyecto CIDI-854-02/06-18, del cual hizo parte este trabajo. Igualmente a la Universidad Pontificia Bolivariana por el financiamiento para la divulgación de resultados del mismo.
6 CONTENIDO Pág. INTRODUCCIÓN 19 OBJETIVOS 22 OBJETIVOS GENERAL 22 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 22
1. ANTECEDENTES Y ESTADO DEL ARTE 23
1.1 PROCESO LOST FOAM CASTING O FUNDICIÓN A LA ESPUMA
PERDIDA (LFC) 23
1.1.1 Descripción del proceso 24
1.1.2 Generalidades y Beneficios LFC 26
1.1.3 Beneficios del proceso LFC 26
1.1.4 Requerimientos Producción de piezas por LFC 28
1.1.5 Variables del proceso LFC 30
1.2 DEFECTOLOGÍA Y CONDICIONES A MEJORAR CON LA
SIMULACIÓN 36
2. FUNDAMENTOS Y BASES TEÓRICAS DE LA SIMULACIÓN CON CFD 40
2.1.1 FLow 3D 44
2.1.2 CastCae 46
2.1.3 PAM-quik cast 47
2.2 FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA PARA LA SIMULACIÓN 48
2.2.1 Generalidades de los Modelos matemáticos usados en CFD 48
2.2.2 Ecuaciones Gobernantes en Flow 3D 53
2.2.3 Métodos para las aproximaciones numéricas 60
2.2.3.1 Método de las diferencias finitas y los volúmenes finitos 61
2.2.4 Métodos usados por Flow 3D 63
3. DESCRIPCIÓN METODOLOGÍA DE SIMULACIÓN CON FLOW 3D 76
3.1 ESTUDIO PREVIO DEL PROCESO DE FUNDICIÓN 76
3.1.1 Materias primas 76
3.1.2 Fusión, vaciado y solidificación 80
3.2 METODOLOGÍA PROPUESTA PARA EL DESARROLLO DE LA
SIMULACIÓN 81
3.3 VARIABLES ESTABLECIDAS PARA LA PARAMETRIZACIÓN DEL
SOFTWARE 82
3.4 PROCEDIMIENTO DE AJUSTE Y PUESTA A PUNTO DE LA
SIMULACIÓN 83 3.4.1 Ajuste Global 84 3.4.2 Modelos Físico 84 3.4.3 Fluido 88 3.4.4 Mallado 89 3.4.5 Condiciones de frontera 91
7
3.4.6 Condiciones Iníciales 92
3.4.7 Resultados requeridos 92
3.4.8 Método Numérico 93
3.4.9 Simulación 93
4. ANÁLISIS MEDIANTE SIMULACIÓN DEL PROCESO LFC 95
4.1 PIEZAS DE ESTUDIO 95 4.2 SISTEMAS ANALIZADOS 98 4.3 RESULTADOS SIMULACIÓN 98 4.3.1 LFC1 99 4.3.2 Pieza LFC2 105 4.3.3 Estudio de piezas LFC3 y LFC4 109
5. EXPERIMENTACIÓN EN PLANTA Y PRUEBAS DE
CARACTERIZACIÓN 114
5.1 ENSAYOS DE PRODUCCIÓN DE VACIADO DEL METAL EN PIEZAS
TIPO LFC1 114
5.2 CARACTERIZACIÓN DE DEFECTOS Y CONTROLES SOBRE LAS
PIEZAS METÁLICAS 116
6. IMPLEMENTACIÓN DE LOS RESULTADOS ARROJADOS POR LA SIMULACIÓN DENTRO DEL PROCESO PRODUCTIVO EN LA PLANTA DE LFC Y RECOMENDACIONES PARA LA OPTIMIZACIÓN DEL
PROCESO BASADAS EN LA SIMULACIÓN DEL PROCESO LFC 126
6.1 CAMBIOS EN EL SISTEMA DE MOLDEO 126
6.2 RRECUBRIMIENTO REFRACTARIO 130
6.2.1 Análisis de información de pintura refractaria importada y estudio
de componentes de la pintura refractaria existente 130 6.2.2 Estudio de propiedades de la pintura refractaria existente 132 6.2.3 Formulación preliminar y ensayos del recubrimiento formulado 136 6.3 CAMBIOS EN LA CONFIGURACIÓN PRODUCTIVA DEL PROCESO
LFC 139
7. CONCLUSIONES 146
8. SOCIALIZACIÓN DE LOS RESULTADOS 149
8
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Ensamble de árbol de modelos en PS 24
Figura 2. Aplicación y secado del recubrimiento refractario a. Recubrimiento
de modelo de espuma por inmersión y b. Secado en horno
de convección forzada de los modelos de espuma 24
Figura 3. Preparación del recipiente metálico y apisonado de la arena en
el proceso LFC 25
Figura 4. Simulación del proceso de fundición mediante con el programa
FLOW 3D 45
Figura 5. Imagen obtenida para la simulación del proceso de fundición con
FLOW3D 46
Figura 6. Simulación es CastCae 47
Figura 7. Simulación de la solidificación de un bloque de motor con el
programa PAM-QUIKCAST 47
Figura 8. Ilustración del proceso de degradación de la espuma en el
proceso LFC 49
Figura 9. Ilustración sobre el fenómeno termodinámico en el proceso LFC 52 Figura 10. Mallas en Flow 3D. a. malla en coordenadas rectangulares y
b. malla en coordenadas cilíndricas 53
Figura 11. Ejemplo Energía vs. Temperatura que muestra el cambio de
fase 58
Figura 12. Ilustración de la celda y el volumen de control de diferencias
finitas 61
Figura 13. Ilustración método VOF 62
Figura 14. Representación de la geometría de elementos en una malla por
la herramienta FAVOR 65
Figura 15. Mapa de distribución de defectos en una pieza procesado
por inyección de aluminio HPDC 70
Figura 16. Carcasa de la cubierta del motor del avión A380 analizada con
el modelo de aire atrapado 74
Figura 17. Variación de la conductividad térmica con la temperatura a Sílice
con contenido de aglutinantes b. 4 tipos de arena comercial
con contenidos de aglutinante 78
Figura 18. Modulo de ajuste global en Flow 3D 84
Figura 19. Modulo de ajuste de los modelos físicos disponibles 85
Figura 20. Modulo parametrización de la opción de identificación de
defectos 85
Figura 21. Modulo parametrización de la opción de transferencia de calor 86
Figura 22. Modulo parametrización de la opción de solidificación 87
Figura 23. Modulo parametrización de la opción de viscosidad y turbulencia 88
9
Figura 25. Árbol de hidrantes configurado de tres formas diferentes:
a. Un hidrante por árbol, b. Dos hidrantes por árbol, c. tres hidrantes por árbol, d. 4 hidrantes por árbol, e. Collar de derivación y f. árbol de collares, pueden ser
vistas las diferentes secciones de EPS dentro del modelo 90
Figura 26. Método FAVOR para modelo de 4 hidrantes por modelo:
a. Sólido creado digitalmente por la definición de malla en
Flow-3D y (b) Modelo de espuma real 91
Figura 27. Diseño de fronteras del sistema 91
Figura 28. Modulo para el ajuste de las condiciones iníciales en Flow 3D 92
Figura 29. Modulo para el análisis de la estabilidad en Flow 3D 94
Figura 30. Detalle del hidrante Mega 6 producido por Cobral Ltda 96
Figura 31. Geometrías Collares de derivación de fluido. a. Tipos mariposa
y b. Tipo barril 97
Figura 32. Distribución de temperatura durante el procesamiento de
hidrantes por LFC 100
Figura 33. Simulación del llenado para el modelo de 2 hidrantes 100
Figura 34. Simulación y producción de hidrantes con modelos de 3 piezas.
a. simulación numérica, b. ensayo en planta y c. detalle de
porosidad generada en la salida de agua principal del hidrante 101
Figura 35. Comparativo simulación vs. producción de 4 hidrantes por LFC:
a. Concentración de defectos en la superficie del modelo (Flow-3D) y (b) Defecto de carbono brillante encontrado en la
pieza fundida 102
Figura 36. Comparativo simulación vs. producción de hidrantes por LFC:
(a). Pérdida de la continuidad en el flujo de metal por excesiva presión durante el llenado, (b) Presión excesiva durante la simulación en Flow-3D del modelo de 4 hidrantes y (c) Barril formado durante el vaciado en la producción de hidrantes 103
Figura 37. Tiempo de solidificación para el modelo de 4 hidrantes 104
Figura 38. Análisis mediante Flow 3D de el modelo de collares de
derivación propuesto por Cobral ltda 105
Figura 39. Irregularidades del flujo de metal en el modelo de collares
propuesto por Cobral ltda 106
Figura 40. Identificación de los diferentes frentes de metal en el modelo
de collares 107
Figura 41. Análisis de concentración de defectos mediante Flow 3d en
modelo de collares 107
Figura 42. Análisis del tiempo de residencia del metal en el molde para el
modelo de collares 108
Figura 43. Configuración de los árboles de moldeo para discos y campanas
de freno 109
Figura 44. Distribución de temperatura durante el procesamiento de
discos logan por LFC 110
Figura 45. Detalle de los estabilizadores de flujo de metal 110
Figura 46. Análisis de concentración de defectos en discos de freno 111
10
Figura 48. Tiempo de solidificación para el modelo de 12 piezas tipo LFC3 113 Figura 49. Ensayos de preproducción con modelos de espuma.
a. Armado árboles, b. Recubrimiento refractario, c. Secado
recubrimiento, d. Moldeo en arena y e. Fusión y desmoldeo 115
Figura 50. Micrografía óptica del hierro nodular producido por Cobral ltda 116 Figura 51. Estadística de composición por elemento para el hierro nodular
en hidrantes y collares 117
Figura 52. Reportes mes a mes de las propiedades mecánicas
encontradas en el hierro nodular utilizado en la producción
de hidrantes y collares 118
Figura 53. Evaluación por SEM de la defectología. a. muestra de pieza
enviada con defecto marcado, b. Imagen SEM (contraste topográfico) a 150x y c. Imagen SEM Backscatter Electron
(contraste composicional) a 150x 119
Figura 54. EDS realizado sobre el área del metal analizada 120
Figura 55. EDS realizado sobre defecto presente en sección analizada 120
Figura 56. Secciones del hidrante para el ensayo de rayos X 122
Figura 57. Sistema de alimentación para la fabricación de piezas tipo
LFC1 127
Figura 58. Rechazos en la producción de piezas por fundición tradicional
en arena verde 128
Figura 59. Porcentaje de rechazos mes a mes para las piezas producidas
por LFC en una planta de producción Colombiana 129
Figura 60. Modelo de 6 piezas por árbol para la producción 130
Figura 61. Ficha técnica de la pintura refractaria usada por Cobral Ltda 132
Figura 62. Ensayo sobre recubrimiento refractario formulado, a. Secado de
la pintura refractaria FCI y Bach, b. arol finalizado y
c. Ensamble con pintura FCI 139
Figura 63. Mejoras en la iluminación de la planta, a. antes de la reforma
y b. luego de la reforma 140
Figura 64. Reorganización zona almacenamiento de espuma, a. Guacales
ubicados en medio de la zona de moldeo antes de la remodelación y b. nuevo mezanine de almacenamiento de
blancos 140
Figura 65. Defecto de carbono brillante. a. pieza con el defecto y
b. pieza sin el defecto 141
Figura 66. Defecto de sinterización de arena en entradas de metal 142
Figura 67. Modificación del sistema de agitación del recubrimiento 142
Figura 68. Ficha para el control de granulometría en arenas 143
Figura 69. Masas vibratorias ubicadas en las volantes de las mesas
vibratorias 144
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LISTA DE TABLAS
Pág. Tabla 1. Tolerancias estimadas en un proceso de fundición a la
espuma perdida comparadas con tolerancias alcanzadas con otros
procesos de fundición 28
Tabla 2. Resumen de las variables en el proceso LFC, divididas por etapas
de proceso 35
Tabla 3. Defectos Característicos del proceso LFC 37
Tabla 4. Análisis del llenado y solidificación durante los procesos de
transformación de metal mediante fundición 40
Tabla 5. Variables del proceso y requeridas para la simulación del proceso
LFC 49
Tabla 6. Características de la Pintura Refractaria Polyshield P2350 77
Tabla 7. Datos Técnicos del Poliestireno Styropor CHF 416 79
Tabla 8. Niveles óptimos de densidad para el EPS según el tipo de material
a fundir 80
Tabla 9. Mezcla de materias primas para 500 Kg. de hierro gris 80
Tabla 10. Parámetros y propiedades alimentados al software de simulación 83 Tabla 11. Resultados esperados de la simulación con Flow 3D 93
Tabla 12. Descripción de las eficiencias de moldeo y geometrías de los
árboles objetivo de análisis 98
Tabla 13. Resumen de resultados ensayos de rayos x en piezas Tipo LFC1 124 Tabla 14. Modificaciones realizadas sobre los árboles de Cobral Ltda 126
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LISTA DE CUADROS
Pág. Cuadro 1. Descripción del modelo de Aire atrapado de Flow 3D 73
Cuadro 2. Metodología utilizada en la planta de fundición para la
implementación de la técnica LFC: a. Simulación numérica, b. Modificación sobre árboles y modelos, c. Ensayo en planta, d. Caracterización de defectos y e. producción en
13 GLOSARIO
ADVECCIÓN: es variación de un escalar en un punto dado, por efecto de un
campo vectorial. Por ejemplo: el transporte de una sustancia contaminante por la corriente de un río; en meteorología, el proceso de transporte de una propiedad atmosférica, como el calor o la humedad, por efecto del viento; en oceanografía, el transporte de ciertas propiedades, como la salinidad, por las corrientes marinas. Tales propiedades tienen una distribución espacial.
AFS: Sociedad Americana de Fundición.
AGENTE DE EXPANSIÓN: componente del los polímeros que permite que
sean espumados mediante un proceso de expansión. El agente de expansión utilizado para espumar el PS (poliestireno) es el pentano.
ÁRBOL: arreglo de modelos en EPS que contienen ensamblados el sistema de
alimentación de metal y el vaciadero en cascarilla cerámica.
BAJANTE: elemento por donde es vertido el metal fundido en el momento del
vaciado del metal.
CÁMARA DE MOLDEO: Cavidad del molde donde se genera el
reblandecimiento y fusión de la perlas de PS , la cual tiene la forma de la pieza a producir.
CANALES DE DISTRIBUCIÓN: son los encargados de distribuir el flujo de
colada hacia cada uno de los modelos.
CASCARILLA CERÁMICA: Material de fibras cerámicas con el cual es
fabricado el bajante para los árboles.
COLADA: metal fundido
COMPACTACIÓN: proceso de aglomeración o densificación de la arena que
rodea al modelo antes del vaciado del metal. Se realiza con ayuda de mesas vibratorias.
CONSOLIDACIÓN: Fabricación, formación
ENSAMBLAR: proceso de unión de las secciones de EPS para formar el
modelo a fundir, es realizado con una pega especial para este material.
EPS: Material termoplástico espumado, de origen hidrocarburo con el cual se
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EPSI: es el criterio de convergencia usado para determinar en qué punto las
interacciones de presión tienen convergencia. Este valor es calculado automáticamente por flow3D y debe ser menor al incremento en el paso de tiempo.
ESTABILIZACIÓN DEL MODELO DE ESPUMA: proceso de contracción y
expansión que sufre el modelo de espuma al salir de la cavidad del molde.
EXPANSIÓN: Fenómeno presente en las perlas de poliestireno que son
sometidas a procesos de calentamiento, se realiza la expansión del poliestireno para lograr la disminución de la densidad, con lo cual se obtiene el EPS.
ENVEJECIMIENTO: Etapa del proceso LFC, necesaria para dar estabilidad
dimensional al modelo de espuma
FAVOR: es un método exclusivo de FLOW-3D que diagnostica la
representación geométrica y permite eliminar las escalas o faltas de material que la malla genera al leer la geometría implementada para el problema. También consiste en la agrupación de una serie de algoritmos especiales para computar las áreas interfaciales, evaluar los esfuerzos en las paredes, aumentar la estabilidad numérica y computar la advección a lo largo de las fronteras solidas.
FUNDICIÓN: nombre dado a las empresas que producen piezas mediante
proceso de fusión de metal, también es utilizada esta palabra para referirse a las piezas fabricadas por este método
FUSIÓN: derretir, fundir tanto el metal como cualquier material
INTERACCIÓN METAL/RECUBRIMIENTO/ESPUMA: reacciones químicas y
térmicas que ocurren durante el proceso de vaciado y solidificación.
LFC: sigla en Ingles Fundición a la Espuma Perdida. Proceso de fundición que
utiliza modelos de EPS (poliestireno expandido) para generar la cavidad de la pieza a fundir.
MATRIZ: término que describe la cavidad o cavidades usadas para producir
un modelo de espuma.
MÁQUINA DE MOLDEO: equipo donde son fabricadas las secciones del
modelo de espuma, la cual utiliza diferentes moldes para este fin. Es similar a una maquina de inyección de plástico pero con la diferencia de que el material es dosificado con la ayuda de aire a presión en vez de un tornillo de extrusión.
MEDICIÓN GRANULOMÉTRICA: ensayos realizados sobre la arena y las
perlas de PS, para determinar el tamaño de grano.
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MODELO DE ESPUMA: Pieza de EPS que es destinada al ensamble del árbol
de piezas en poliestireno expandido, que han sido moldeadas en forma exacta a la pieza que se desea reproducir en metal.
MOLDEO: es el proceso que se lleva a cabo para producir los modelos de
espuma a partir de las perlas de EPS preexpandidas. El moldeo de los modelos es realizado en una prensa hidráulica usando un molde de aluminio
MOJABILIDAD: fenómeno fisco que se refiere a la dificulta que tienen los
líquidos para mojar una superficie sólida.
PARÁMETROS DE PROCESO: algunas variables que representan un grado
de importancia significativo en el proceso.
PENTANO: hidrocarburo incluido en la composición del PS que sirve como
agente expansor durante la producción del EPS
PERLAS: glóbulos pequeños de EPS que conforman la espuma. PERLAS CRUDAS: perlas de EPS sin expandir.
PERLAS QUEMADAS: perlas en las cuales se excedieron los tiempos y/o
temperaturas de prensado en la máquina de moldeo.
PERLAS PREEXPANDIDAS: perlas que pasaron por un proceso previo de
expansión antes de ser formadas en la prensa del moldeo.
PERMEABILIDAD: una medida de la facilidad de transmisión de un gas a
través de un medio particulado.
PRE PROCESADOR: es una herramienta del software de simulación para
evaluar la estabilidad de la malla y las condiciones iniciales basándose en la programación del archivo de entrada. Antes de correr la solución debe ser diagnosticado el problema mediante el preprocesador buscando irregularidades en las variables de entrada y en la representación geométrica del problema a analizar.
PRESIÓN DE EXPANSIÓN: en la presión generada dentro del molde para
poder generar el fenómeno de expansión.
PRESIÓN HIDROSTÁTICA: es la presión generada por la distancia vertical
entre la boca del vaciadero el punto más bajo del árbol.
PRESIÓN DE LLENADO: es la presión de dosificación entregada por el
compresor para que el molde de EPS que completamente lleno de perlas antes del prensado.
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PROPIEDADES DEL ÁRBOL: particulares necesarias en el ensamble del
árbol de modelos entre la cuales están: diseño de los canales de alimentación, altura del vaciadero, numero de piezas por árbol, etc..
RECIPIENTE METÁLICO: contenedor donde es puesto el modelo antes de
realizar la adición de arena.
REVESTIMIENTO: aplicación de una película refractaria al modelo ensamblado
por aspersión.
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE METAL: Conjunto de vertederos y
correderas que sirven para conducir el metal fundido hacia los modelos de espuma.
TAMIZ: malla metálica que se usa para seleccionar el tipo de arena según su
tamaño. Se utiliza en el ensayo de granulometría.
VACIADERO: parte del árbol en la cual se vierte directamente el metal fundido
en el momento del vaciado.
17 RESUMEN
El proceso Lost Foam Casting (LFC) tiene una serie de cualidades con las que otros procesos de fundición no cuentan como: Excelente acabado superficial, buenas tolerancias dimensionales, logra espesores muy delgados, disminuye operaciones de mecanizado en las piezas terminadas, se logran geometrías muy complejas, entre otras. Además el proceso permite automatización en algunas etapas. No obstante, la gran cantidad de cualidades que pueda tener se ven opacadas por una serie de problemas que se presentan al introducir nuevas geometrías o piezas al moldeo, por tanto llegar a un punto óptimo de operación, donde se obtienen los porcentajes de rechazo mínimos para una nueva pieza, es difícil pues se incurren en errores de diseño y las variables de fundición se desconocen. Lo anterior se presenta debido a un sin número de defectos en las piezas fundidas provenientes de errores en el diseño de las piezas (canales de alimentación de colada estrechos, generación de puntos calientes, resistencia inadecuada, etc.), lo que obliga a practicar varias pruebas y ensayos para obtener un diseño óptimo que no presente complicaciones en las etapas de moldeo.
En la actualidad Cobral Ltda. es la única empresa en Colombia que fabrica piezas por LFC, al iniciar el trabajo de investigación los defectos que se presentaban en las piezas fundidas se analizan en el laboratorio buscando su origen dentro del proceso, casi siempre al aparecer un nuevo defecto se debía comenzar con un seguimiento a todas las variables del proceso para poder detectar el origen del mismo. Además se practicaban pruebas de ensayo error cuando, al introducir una pieza, no se obtenía el punto óptimo de operación. Este método de ensayo era costoso, pues se generaban gastos de materia prima, tiempo perdido de los operarios, energía, etc.
La técnica de LFC (Lost Foam Casting) posee hoy día gran interés a nivel industrial para la producción de piezas de geometría compleja y excelentes acabados, con tolerancias dimensionales muy precisas. Sin embargo, la puesta a punto de dicho proceso y su optimización son realizadas en muchos casos mediante ensayo – error como en Cobral, encontrando muy pocos casos en los cuales se hace uso de la modelización matemática para la predicción de defectos en piezas fundidas. En el trabajo que se muestra a continuación es reportada la simulación numérica mediante herramientas computacionales de diversos fenómenos térmicos que dan lugar a la defectología de partes fundidas por LFC. Para la misma, se han considerado mallas simples y de bloques múltiples, buscando la mayor precisión en los modelos. En particular, el calor transferido desde el metal hasta la espuma es usado para calcular el volumen de espuma que se degrada, la velocidad y el tiempo de llenado de los moldes. Finalmente, la simulación asociada del proceso de solidificación permitió encontrar los puntos de mayor contracción y concentración de defectos, lo cual facilitó la implementación y la optimización de parámetros de proceso para la fundición por LFC de hidrantes en Cobral Ltda.
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Del trabajo desarrollado se identifica como principal aporte al conocimiento la metodología desarrollada para facilitar la implementación de una nueva referencia en el proceso LFC, la cual disminuye el tiempo de ajuste, número de ensayos y nivel de defectos asociados al proceso que se presentan en la búsqueda de una eficiencia adecuada para una nueva pieza que se pretenda fabricar por LFC. Asimismo, la investigación presentó una innovación tecnológica alta, puesto que por primera vez en Colombia se implementaron técnicas CFD para la optimización y predicción de la calidad del proceso LFC Además, El impacto tecnológico repercutió positivamente en la comunidad empresarial debido a que la información extraída de los resultados de la simulación permitió intervenir el proceso productivo de Cobral Ltda., modificando los sistemas de alimentación de metal, ubicación de las piezas y eficiencias de moldeo y de fundición. Igualmente se realizaron estudios sobre el recubrimiento refractario para lograr que el mismo mantuviera una permeabilidad adecuada para la producción de Hidrantes y collares de derivación.
Durante el desarrollo del presente trabajo fueron realizadas varias publicaciones con el objetivo de dar a conocer los conocimientos adquiridos en el tema de modelación numérica de procesos de fundición, además, con el fin de exponer a la comunidad académica los adelantos y posibles mejoras que pueden ser tenidas en cuenta para el proceso LFC.
PALABRAS CLAVES: Lost Foam Casting, simulación numérica, defectología fundición, fundición a la espuma perdida, Flow 3D.
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INTRODUCCIÓN
Con el pasar del tiempo y el incremento de herramientas computacionales, se ha facilitado la posibilidad de simular los procesos de fundición de metales. Esta brecha científica, tuvo su origen en los años cuarenta con la modelación de la transferencia de calor en modelos de fundición. La aplicación principal, durante esta época, fue la obtención de isotermas en el momento del vaciado del metal, accediendo así la predicción de puntos calientes en los moldes de fundición. Sarjant y Slack, calcularon posteriormente la distribución interna de temperatura en lingotes de acero, usando métodos numéricos para modelar el flujo de calor por conducción. Ya en los 60’s, la primera aplicación utilizando computadoras digitales fue realizada por Fursund en Dinamarca, encontrando que la difusión de calor, en el proceso de fundición en arena, afectaba el acabado superficial del acero fundido.
La dinámica de fluidos computacional (CFD) es un método para simular un proceso de flujo de metal en el cual las ecuaciones de flujo de fluidos como la de Navier-Stokes y la ecuación de continuidad son discretizadas y resueltas para cada elemento de una malla computacional, que es creada para dividir el volumen de control en pequeñas secciones. El uso de Software CFD es algo similar a realizar experimentación en laboratorio. Si la prueba de laboratorio no se ajusta correctamente para simular una situación de la vida real, los resultados no reflejarán la realidad del fenómeno. De la misma manera, si el modelo numérico no es ajustado de la manera correcta, los resultados no reflejará el fenómeno acorde a la realidad. En tal caso el ingeniero que analiza proceso con la ayuda de CFD debe decidir qué cosas son importantes y cómo deben ser representadas. Algunas preguntas que se plantearon para el planteamiento y solución de la simulación de la técnica LFC fueron:
• ¿Qué quiero aprender del cálculo?
• ¿Cuál es la escala y cómo debe ser diseñada la malla para capturar los fenómenos importantes?
• ¿Qué tipo de condiciones de frontera son las adecuadas para representan el fenómeno real?
• ¿Cuáles propiedades del fluido son importantes y deben ser usadas para la simulación?
• ¿Cuáles fenómenos físicos son importantes en la simulación (transferencia de calor y de masa, la presión, la temperatura)?
• ¿Cuál es el estado inicial del fluido y de la atmósfera circundante?
• ¿Cuál sistema de unidades debe ser utilizado?
De otro lado, el proceso de Fundición a la Espuma Perdida (FEP) o Lost foam Casting (LFC) ha sido utilizado en los últimos años para la fabricación de un sin número de partes de diferentes complejidades y requerimientos, incluyendo piezas automotrices, aeronáuticas y de transporte de fluidos, para las cuales se requiere alta calidad y desempeño, y por lo tanto, con cero rechazos durante su
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manufactura. Es así como para dicha tecnología de fundición, se han venido desarrollando igualmente diferentes herramientas de simulación, que permitan predecir defectos e irregularidades durante el llenado y la solidificación de piezas.
En el proceso LFC se utiliza espuma de poliestireno (EPS) con la forma de la pieza a producir, a la cual se adicionan solidariamente un sistema de alimentación y bajante. Este modelo en conjunto, es recubierto con pintura refractaria y luego colocado en un recipiente metálico donde se cubre con arena. Posteriormente, el modelo de espuma es fundido y degradado químicamente al contacto con el metal líquido.
Durante mucho tiempo, las mejoras en la calidad de productos fabricados por LFC, se han fundamentado en conocimientos empíricos, obtenidos con metodologías de ensayo error dentro de las empresas productoras. La modelación numérica del proceso LFC es por lo tanto una metodología reciente, que se basa en los fenómenos de descomposición y degradación del modelo de espuma1.
La problemática de mayor impacto identificada para el proceso LFC se establece en la dificultad de introducir una nueva referencia sin que se presenten defectos de calidad, debidos en gran medida a diseños de sistemas de alimentación de baja eficiencia y parámetros de proceso mal seleccionados. Para el caso que fue de interés en esta investigación, se realizaron una serie de simulaciones del proceso LFC con técnicas de simulación CFD (computational Fluid Dynamics), en las cuales se utilizó el método VOF Free-surface Tracking Method de Hirt 23.
Se ilustra el estudio de las zonas de concentración de defectos y los problemas debidos al llenado y solidificación de moldes para la producción de autopartes y accesorios para el transporte de fluidos (Hidrantes y collares) en la empresa colombiana Cobral Ltda. Uno de los aspectos fundamentales que se contemplaron para el desarrollo del presente trabajo fue el seguimiento de una metodología de trabajo diseñada, la cual genero un conocimiento que permitió mejorar la calidad de los productos manufacturados a nivel nacional por la técnica LFC. En tal sentido el trabajo desarrollado muestra como los productos denominados de base tecnológica, poseen un fuerte soporte desde el conocimiento de los fenómenos asociados a su producción, manufactura y síntesis.
El uso se herramientas de simulación de procesos, sumado a técnicas de caracterización especializadas son la base de los excelente resultados que se
1 MARTÍNEZ, H. V ; FERNÁNDEZ, G.P. CRUZ, L.J. y DUQUE, A.F. Desarrollo de hidrantes y collares en hierro nodular, mediante la técnica de fundición a la espuma perdida. En: Reporte proyecto. Programa Nacional de Desarrollo Tecnológico, Industrial y calidad de Colciencias, Medellín: Colciencias, 2007.
2
HIRT, C.W. y BARKHUDAROV, M.R. Casting Simulation Mol Filling and Solidification Benchmark Calculation Using Flow-3D. En: Modeling of Casting, Welding, and Advanced Solidification Processes; p. 935-946
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lograron para la técnica LFC En sus inicios Cobral Ltda fabricaba su producción mediante técnicas de fundición tradicional, las cuales no lograban la productividad adecuada para piezas como Hidrantes y collares de derivación, asimismo presentaba un alto nivel de defectos haciendo que la calidad general de la planta fuera baja y tuviera que ser reprocesada una alta cantidad de metal, incurriendo en costos por sobre proceso.
Lo anterior sucedía con referencias fabricadas por fundición tradicional en general. A pesar de que Cobral ya tenía implementado el proceso LFC para algunas referencias de la línea automotriz, que en su mayoría presentaban altas eficiencias de moldeo y excelentes niveles de calidad, algunas piezas como los discos y campanas de freno Logan presentaban todavía un bajo nivel en la eficiencia de moldeo. Por tales motivos las piezas fabricadas por fundición tradicional debían ser evolucionadas a la técnica LFC para que siguieran siendo competitivas en el mercado internacional. Igualmente sobre las piezas ya fabricadas por LFC tenían que mejorarse las eficiencias de moldeo en búsqueda de obtener la mayor productividad.
Para lograr el anterior propósito se uso la técnica CFD en búsqueda de optimizar la eficiencia en las piezas producidas ya por LFC y para implementar la técnica sobre las piezas fabricadas por fundición tradicional. Se realizaron varias simulaciones en software CFD para la identificación de las características del flujo de metal y defectología asociada a las piezas fundidas por LFC. Para la simulación, se consideraron diferentes geometrías de árboles de moldeo y sistemas de alimentación, permitiendo evaluar las mejores eficiencias de moldeo y las características geométricas que entregan mejor calidad en las piezas fundidas.
El primer trabajo de simulación fue realizado con ayuda de la empresa Flow Science ubicada en Santa Fe (New Mexico, USA), se viajo en el mes de febrero de 2007 a esta ciudad para trabajar en conjunto con los ingenieros de esta empresa. Con el trabajo en simulación sobre las geometrías básicas de los modelos, se pretendía evaluar el actual sistema de vaciado, canales de alimentación de metal y la presencia de defectos. Dicho trabajo conjunto con la empresa norteamericana permitió fortalecer las bases de simulación del equipo de ingeniería del GINUMA con la finalidad de iniciar la intervención de los diseños de sistemas de alimentación actualmente utilizados en COBRAL Ltda., buscando disminuir el porcentaje de defectos presente en la planta.
22 OBJETIVOS
OBJETIVOS GENERAL
Caracterizar e identificar mediante herramientas CFD la defectológia asociada a piezas tipo automotriz y para el transporte de fluidos producidas por Fundición a la Espuma Perdida (LFC) en búsqueda de optimizar su calidad estructural, desempeño y eficiencia de producción.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Simular el proceso Lost Foam Casting (LFC) usado por Cobral Ltda, para la producción de autopartes y accesorios para el transporte de fluidos, mediante FLOW 3D con el fin predecir la formación de defectos que se presentan en la etapa de vaciado del metal y optimizar los sistemas de alimentación de metal en búsqueda de mejorar la calidad de las piezas fundidas producidas por esta empresa
• Realizar una revisión bibliográfica del tema de modelación y simulación del proceso de fundición tradicional y del proceso LFC, para indagar acerca de los modelos matemáticos de mayor eficiencia desarrollados para la simulación
• Evaluar que programas existen en el mercado para la simulación del proceso LFC y mirar cuales son los más utilizados en aplicaciones industriales
• Elaborar un diagnostico sobre el proceso LFC dentro de la planta de Cobral Ltda. con la finalidad de extraer los valores y variables requeridos para parametrizar la simulación en Flow 3D.
• Relacionar los defectos presentes en las piezas fundidas por LFC con las variables que gobiernan la etapa de vaciado y solidificación durante el proceso.
• Utilizar técnicas de CFD (computacional fluids dynamic) para la modelación del vaciado y solidificación del metal en LFC
• Diagnosticar la valides de la simulación elaborando pruebas mecánicas, químicas y morfológicas sobre las piezas producidas en ensayos para identificar el origen de las defectologías.
• Establecer las variables a modificar en el proceso productivo arrojadas por la simulación.
• Implementar los resultados arrojados por la simulación dentro del proceso productivo en la planta de LFC
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1. ANTECEDENTES Y ESTADO DEL ARTE
Se muestran a continuación las bases teóricas del proceso LFC, haciendo hincapié en los aspectos fenomenológicos básicos que influyen en la defectologia de las piezas fundidas por LFC. Igualmente se muestra
1.1 PROCESO LOST FOAM CASTING O FUNDICIÓN A LA ESPUMA PERDIDA (LFC)
El proceso LFC generalmente es utilizado para la producción de piezas que requieren buenos acabados y tolerancias muy estrechas, también es usado cuando se quiere implementar una producción en línea dentro de una empresa de fundición porque trae grandes beneficios para tirajes de producción largos donde se producen las mismas piezas o de similares cualidades.
A pesar de que el uso de modelos de espuma fue patentado el 15 de abril de 1958 por H. F. Shroyer, su desarrollo a nivel comercial se llevó a cabo por Merton C. Flemings en 1962. Este proceso de fundición, donde son usados moldes de arena sin aglutinantes, se clasifica dentro de las vías alternativas a las de moldeo con arenas verdes45. El proceso ha comenzado a adquirir importancia debido a que ofrece buenos acabados en la fabricación de partes complejas y permite tolerancias estrechas. Solo alrededor de 32 (censo 2005) plantas de fundición a nivel mundial tienen implementado este proceso de manera eficiente, en países como Francia, Japón Canadá y Estados Unidos6. Actualmente la técnica LFC se encuentra en crecimiento y está siendo aceptada en muchas más empresas por las ventajas productivas que trae como7:
• Disminución del consumo de arena: casi el 100% de ésta puede ser reutilizado al no tener aglutinantes ni humedad
• Disminución del costo por manejos de residuos sólidos y líquidos
• Disminución de tiempos de mecanizado por las altas tolerancias logradas en el proceso
• Mayores eficiencias en la etapa de moldeo.
4 RAYMOND W., Monroe. Expendable pattern casting. Illinois. Estados Unidos: American
Foundrymen’s Society, 1992.
5 PIWONKA S., Thomas. Unbonded sand molds. Molding and Casting Processes. Alabama: Editorial,
1990.
6 CARTAGENA PALACIO, Andrés Mauricio y CHAMORRO ARROYAVE, Juan Camilo. Fundición a la espuma perdida (LFC). Medellín, 2003, Trabajo de grado. (Ingeniero Informático) Escuela de Ingenierías. Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad Pontificia Bolivariana.
7 DUQUE, A.F. Disminución del porcentaje de defectos en piezas fundidas por lost foam casting para una planta de producción de autopartes en hierro gris. Grupo de investigación sobre Nuevos Materiales, Línea de Nuevos metales. Medellín: Universidad Pontificia Bolivariana, 2006.
Buscando una explicación
de los pasos y conceptos básicos descripción las bases
1.1.1 Descripción del proceso.
o Lost Foam Casting (LFC)
con la geometría de la pieza a fundir. Estos modelos se ensamblan al sistema de alimentación de metal
cual, dependiendo del tam
una sola colada. Esta etapa puede ser vista en la figura Figura 1. Ensamble de
Cortesía: COBRAL Ltda.
Dependiendo del metal a fundir, es una pintura refractaria a base de
aluminio. Para las fundiciones de hierro es estrictamente necesario la aplicación del recubrimiento refractario, en
cobre, latón) es posible remplazado por una buena
Para aplicar el recubrimiento, la pintura es modelos de espuma
de pintar el modelo
durante un periodo superior a 2 horas
Figura 2. Aplicación y secado del recubrimiento refractario a. modelo de espuma por inmersión y b. Secado en horno de de los modelos de espuma
Cortesía: COBRAL Ltda.
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Buscando una explicación completa del proceso LFC, se da conceptos básicos de ésta técnica, luego se descripción las bases teóricas usadas en la simulación del mismo.
1.1.1 Descripción del proceso. El proceso de Fundición con Espuma Perdida
Lost Foam Casting (LFC) se basa en la fabricación de modelos de espuma con la geometría de la pieza a fundir. Estos modelos se ensamblan al sistema de alimentación de metal para configurar un modelo denominado “Árbol”, el cual, dependiendo del tamaño de la pieza a fabricar, permite fundir varias en
Esta etapa puede ser vista en la figura 1. Ensamble de árbol de modelos en PS
COBRAL Ltda.
Dependiendo del metal a fundir, es una buena práctica recubrir
una pintura refractaria a base de cerámicos como: Sílice, Mica y Oxido de Para las fundiciones de hierro es estrictamente necesario la aplicación del recubrimiento refractario, en fundición metales livianos (aluminio, ) es posible obviar el paso de pintado de los modelos, éste es
por una buena compactación de la arena alrededor Para aplicar el recubrimiento, la pintura es disuelta en agua y a
odelos de espuma mediante aspersión, inmersión o pintado manual
modelo debe secarse en un horno a temperaturas de 50 °C a 60°C durante un periodo superior a 2 horas (figura 2)
Aplicación y secado del recubrimiento refractario a. modelo de espuma por inmersión y b. Secado en horno de
de espuma
COBRAL Ltda.
, se dará una descripción luego se dará paso a la usadas en la simulación del mismo.
El proceso de Fundición con Espuma Perdida se basa en la fabricación de modelos de espuma con la geometría de la pieza a fundir. Estos modelos se ensamblan al sistema para configurar un modelo denominado “Árbol”, el a pieza a fabricar, permite fundir varias en
recubrir el “Árbol” con como: Sílice, Mica y Oxido de Para las fundiciones de hierro es estrictamente necesario la metales livianos (aluminio, el paso de pintado de los modelos, éste es de la arena alrededor del modelo. disuelta en agua y aplicada a los o pintado manual. Luego n un horno a temperaturas de 50 °C a 60°C
Aplicación y secado del recubrimiento refractario a. Recubrimiento de modelo de espuma por inmersión y b. Secado en horno de convección forzada
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A diferencia de los procesos de fundición en arena existentes, el proceso LFC permite utilizar arena completamente seca y sin aglutinantes, debido a que el modelo de espuma no es retirado del recipiente de moldeo y da el sustento para que la arena no se desborone. Los moldes utilizados el proceso LFC son generalmente cilíndricos; en éstos es ubicado el modelo de espuma que es tapado con arena sin aglomerar. La arena es compactada y distribuida de manera uniforme por toda la geometría de las piezas moldeadas mediante vibración. La figura3 muestra el proceso de moldeo para el proceso LFC.8 Figura 3. Preparación del recipiente metálico y apisonado de la arena en el proceso LFC
Cortesía: COBRAL Ltda.
Durante el vaciado en el proceso de LFC deben garantizarse las temperaturas adecuadas para una adecuada degradación del modelo de espuma. Al vaciar el metal fundido, el modelo de espuma colapsa a una temperatura aproximada de 100ºC (212ºF), se fusiona alrededor de 165ºC (329ºF), se despolimeriza aproximadamente a 316ºC (601ºF) y se descompone alrededor de los 576ºC (1069ºF). El vaciado y los sistemas de entrada no solo deben evitar la entrada de aire y arena, sino también el acceso de residuo plástico del modelo. El residuo plástico capturado en la cavidad de la fundición puede causar porosidad en todo el metal, defectos por pliegues en el aluminio, defectos por carbono en el hierro y segregación de carbono en el acero9.
La velocidad de vaciado varía según el tipo de aleación que se esté fundiendo. El vaciado para fundiciones de hierro debe ser muy rápido para evitar el desmoronamiento del molde, a diferencia del vaciado convencional, donde el metal líquido es vertido gradualmente en el molde. Cuando se realiza el vaciado del aluminio, la destrucción de la espuma no es tan rápida obligando que la velocidad de vertimiento sea más lenta que la usada en la práctica de fundición convencional10.
8 FERNÁNDEZ, G. P. ; MARTÍNEZ, H.V ; CRUZ, L. y DUQUE, A.F. Fundición a la Espuma Perdida,
Cartilla de proceso. Grupo de Investigación Sobre Nuevos Materiales. Medellín: Universidad Pontificia Bolivariana, 2006.
9 CONGRESO NACIONAL DE ESTUDIANTES DE INGENIERÍA MECÁNICA – CONEIM. (X: 2005:
Medellín) Proceso Lost Foam Casting Para la obtención de autopartes. Medellín: CONEIM, 2005.
10 . FERNÁNDEZ, P. y otros. Optimización del procesamiento por lost foam casting (LFC) para la
fabricación de autopartes. En: Seminario y mini foro iberoamericano de tecnología de materiales. (VII: 2005: La Habana) Subprograma VIII, OGI-Cuba (MINVEC). La Habana: CYTED. Ponencia. 27.
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Para el vaciado en LFC es importante tener en cuenta que no es una buena práctica interrumpir el vaciado, ya que el molde puede desboronarse o el gas, generado por la degradación del modelo de espuma, puede devolver el metal y generar un accidente. Estos efectos de un vaciado por etapas se explican viendo el metal a alta temperatura como una fuente de calor que incrementa la temperatura de la espuma muy rápidamente y hace que esta se reblandezca disminuyendo la resistencia del molde.
1.1.2 Generalidades y Beneficios LFC. La fabricación de piezas por LFC es
un descubrimiento tecnológico que permitió simplificar el proceso de fundición, pues fue posible la eliminación de cajas de moldeo, machos y preparación de moldes, además los espesores en las piezas pueden ser controlados estrechamente. Lo más favorable del proceso es que ofrece múltiples oportunidades para consolidar partes complejas, reducir el mecanizado y minimizar las operaciones de ensamble. Asimismo, permite disminuir los desechos sólidos y las emisiones sólidas que pueden ser un costo de producción muy alto.
El proceso LFC tiene mucho éxito desde hace unos 20 años en la producción de partes en aluminio para las industrias automotriz y marina. El proceso empezó a ser usado para la producción de piezas en hierro dúctil y gris a mediados de los 90s, las piezas fabricadas pueden ser: bloques de motor, accesorios de tubería, cigüeñales de motor, discos de freno, campanas de freno, etc.
1.1.3 Beneficios del proceso LFC11. El proceso LFC es utilizado
mundialmente para la fabricación de piezas con requerimientos dimensionales y geométricos especiales con gran versatilidad en cuanto al diseño dado, ya que pueden fundirse piezas complejas que no podrían ser obtenidas mediante otras técnicas de fundición. Las piezas fundidas por la técnica de LFC resultan con un buen acabado superficial y tolerancias dimensionales muy estrechas, logrando una calidad insuperable por otras técnicas de fundición.
Con los beneficios que presenta la técnica LFC, es fácil ver que en el futuro la mayor parte de las piezas fundidas serán fabricadas por LFC. Dentro de las ventajas están:
• Son posibles altas ratas de producción, por producción en serie
• Se consigue alta precisión dimensional.
• No hay necesidad de machos, cajas de moldeo y moldes. Esto permite tener diseños más complejos, controlar el espesor de pared más estrechamente, eliminar particiones de molde y defectos por mezcla de arena con el metal.
11 GARLAND, Buddy. DOE-Industry Partnerships at Work: Lost Foam Casting Research. Presented to The Joint EUWP-EEWP. Program Manager Industrial Technologies, 2003.
27
• El mecanizado es eliminado al máximo y en algunos casos no es necesario, lo cual genera mayores ahorros en mano de obra y en herramientas. Sin embargo son necesarias limpiezas con chorro de arena o martillado con perdigones.
• La mayor parte de la arena es reutilizable, ya que no es necesaria la adición de aglutinantes y se utiliza una arena seca. Es un proceso limpio para el medio ambiente porque es posible implementar un sistema de recirculación de arena. Aunque hay que retirar restos de arena que quedaron mezclados con los productos de la combustión del modelo de espuma. La cantidad de arena remplazada es, generalmente, menor que en un método tradicional.
• Mayor costo de las herramientas y equipos hace que el proceso sea restringido para altos volúmenes de producción. La inversión inicial es alta debido a que son necesarios equipos especiales de fundición.
• Hay posibilidad de automatizar e implementar sistemas de control de producción lo que supone una disminución de costes de operación y defectos en modelos moldes y piezas.
• Como en todos los procesos que utilizan modelos no permanentes, se evita el problema del almacenaje de los moldes.
• No es necesaria la intervención del personal especializado en la producción de piezas por LFC producción.
• Posibilidad de incorporar insertos metálicos en la pieza de fundición
• Se pueden fundir metales ferrosos y no ferrosos en cualquier tamaño
• Mano de obra reducida en comparación a otras técnicas de fundición y bajo costo del material del modelo; hacen que la fundición a la espuma perdida sea una alternativa económica viable para muchas empresas que trabajan la fundición en arena tradicional.
• El proceso LFC en un proceso de moldeo limpio (los residuos finales del proceso son menores que en los procesos de fundición tradicional donde la contaminación de agua y los residuos de arena son mayores) que logra muy buenas tolerancias.
Con el proceso se pueden lograr fundiciones de excelente acabado superficial y extremada precisión dimensional, lográndose fundir piezas de tan solo una fracción de kilogramo hasta piezas de toneladas. Las tolerancias alcanzadas dependen del tamaño, complejidad y geometría de la parte a fundir. La tabla 1 hace una comparación entre los valores de tolerancias y rugosidad característicos para el proceso LFC y los valores característicos para otras técnicas de fundición.
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Tabla 1. Tolerancias estimadas en un proceso de fundición a la espuma perdida comparadas con tolerancias alcanzadas con otros procesos de fundición
Técnica de fundición Dimensión (in) Tolerancia
LFC
<1 +/- .007 in
1 a5 +/- 0.012 in
3 a 5 +/- 0.012 in
5 a 10 +/- 0.017 in
Rugosidad estimada < 7 in. 0.0015 in
> 7 in. 0.003 in Fundición en arena 5 a 7 (Hierro) +/-0.060 in 5 a 7 (Aluminio) +/-0.030 in Rugosidad estimada 1000-3000 µin Molde permanente <1 +/- 0.030 Rugosidad estimada 125 µin
Fuente: GROOVER, Mikell P. Fundamentos de manufactura moderna. [En línea] s.p.i.
<Disponible en: http://www.shitec.net/tp/lost-foam.htm> [consulta: Oct. 2009].
En la tabla 1 se pueden ver las tolerancias alcanzadas para determinados tamaños de fundiciones por LFC. Comparando estos valores con fundiciones tradicionales se puede ver que la técnica LFC es mucho más precisa que otras técnicas, además se ve que se puede alcanzar acabados superficiales excelentes a un coste menor que en técnicas como la de fundición con molde permanente. Por los acabados y tolerancias logrados con el proceso LFC se puede minimizar el mecanizado y hasta eliminarlo por completo.
1.1.4 Requerimientos Producción de piezas por LFC. La alta demanda en
las líneas ensambladoras de automóviles, productoras de componentes para transporte de fluidos e industria naval hacen que la producción de partes por LFC tenga que adoptar una configuración productiva continua para poder responder a las necesidades mercado.
La producción de piezas por LFC generalmente utiliza una configuración productiva en línea pues se enfoca en la fabricación de grandes lotes de pocos productos diferentes, pero técnicamente homogéneos, usando las mismas instalaciones. Su proceso de obtención requiere una secuencia similar de operaciones, por lo que las máquinas se disponen en línea una tras otra o con una ruta planificada. Con este modelo productivo las perdidas por defectos de producción son costosas y deben ser minimizadas al máximo, ya que los reprocesos de fundición y mayores tiempos de limpieza de las piezas, debidos a defectos, disminuyen la productividad de la línea, que es rentable siempre y cuando los niveles de calidad se mantengan controlados.
Se ajustan las máquinas cuando se cambia de producto. La maquinaria desarrolla operaciones muy similares pero no exactamente iguales. Conservando alguna versatilidad.
29
La producción de partes por LFC se caracteriza por:
• Maquinaria muy especializada
• Alta inversión en capital
• Mayor automatización y homogeneidad en los procesos
• Aumenta la especialización de los trabajadores
• Economías de escala, disminuyendo costos variables y la flexibilidad.
• Requiere alta utilización, lo que implica lotes de gran volumen para lograr costos unitarios bajos.
• Se fabrica para tener altos volúmenes de inventarios. Puesto que el cliente debe tener siempre un “stock” de piezas disponibles para la compra.
• Combina ventajas de la configuración continua y del “Job Shop”.
• Implica un diseño de productos y procesos a largo plazo.
• La metodología de producción permite responder más rápidamente a las variaciones en la demanda.
• Mejores condiciones con proveedores gracias a las economías de escala.
Las piezas producidas por LFC deben ser piezas que se sostendrán por mucho tiempo en el mercado porque la inversión inicial es alta y se debe amortizar en el tiempo.
Las características de producción para piezas por LFC en las industria automotriz, naval y de transporte de fluidos debe ser ágil, rápida y de pocos tiempos muertos12 (tiempos de espera entre operación y operación) sin hacer de lado el control de calidad tanto de materias primas, proceso y piezas terminadas, ya que la aplicación para la que fueron diseñadas las piezas demanda una altísima eficiencia y no se permiten fallos catastróficos. Para los componentes automotrices y para transporte de fluidos fabricados por LFC el control de calidad es más riguroso porque sobre estos elementos recae un alto porcentaje de la seguridad de automóviles y construcciones.
12 RUIZ JIMÉNEZ, Antonio y otros. Dirección de operaciones: aspectos tácticos y operativos en la producción y en los servicios. Madrid: McGraw-Hill, 1994. p. 503.
30
1.1.5 Variables del proceso LFC. En esta sección se verán los valores más
comunes para las variables del proceso LFC que afectan directamente la calidad de las piezas fundidas durante el vaciado y solidificación del metal. Asimismo, las etapas del proceso que pueden ser mejoradas mediante la simulación numérica13.
Producción del modelo de espuma
Como se vio anteriormente las secciones de los modelos de espuma se fabrican con la ayuda de una máquina moldeadora de poliestireno, la cual conforma las secciones de EPS con ayuda de vapor. De la geometría y calidad del modelo de espuma dependen las características de la pieza fundida, así mismo los canales del sistema de alimentación están moldeados en EPS y deben contar con un diseño y calidad adecuados para garantizar el flujo de metal. Las variables de la etapa de producción de EPS que intervienen y más afectan la calidad de las piezas producidas por LFC son:
• Densidad: es una de las variables que controla el proceso de llenado del modelo de espuma, ya que al contar con densidades de EPS altas, la espuma presenta un mayor tiempo de degradación y es necesario que la temperatura de vaciado del metal aumente para lograr su adecuada vaporización del modelo.
A su vez, afecta la calidad de las piezas fundidas por LFC, ya que de ésta depende la calidad superficial, la porosidad y algunas propiedades mecánicas. Entre más baja la densidad de la espuma menores serán los defectos de carbono brillante, porosidad, llenado incompleto y mal acabado superficial encontrados en las piezas fundidas. Por lo general los fundidores de piezas por LFC utilizan PS con densidad de perla de 600 g/l a 700g/l. Después de la expansión del poliestireno se busca que la espuma tenga una densidad dentro del rango de 22.4 g/l a 25.6 g/l para fundiciones de aluminio y para las fundiciones de hierro se busca una densidad de espuma dentro del rango de 16 g/l a 22,4 g/l14 15.
• Temperatura: se refiere a la temperatura de degradación del modelo de espuma, la cual va ligada a la densidad del EPS, debido a que si el modelo presenta altas densidades (fuera de los niveles de espuma) la temperatura requerida por el metal para degradar el material deberá ser mucho mayor.
13 CENTRO INTEGRAL PARA EL DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN (CIDI). Optimización del proceso de fundición en espuma perdida para la fabricación de autopartes de exportación. Medellín: Universidad Pontificia Bolivariana, 2002.
14 FERNÁNDEZ, P, Op. Cit., Ponencia 27.
31
Por lo general el PS presenta el punto de ablandamiento aproximadamente a los 100°C16, temperatura que no debe ser excedida por la arena de moldeo, ya que si logra reblandecerse la espuma se perderá la forma y las piezas fundidas presentaran defectos geométricos. La pirolisis se presenta a una temperatura de 350°C a 400°C y alrededor de 427°C se da la ignición espont ánea del material. Las temperaturas de pirolisis y de ignición espontánea se deben tener en cuenta en la etapa de vaciado del metal, ya que la finalidad de dicha etapa es lograr la completa degradación del modelo de espuma.
• Agente de expansión: el pentano es el agente de expansión del poliestireno, sin éste no sería posible lograr la disminución de densidad que se busca con el proceso de preexpansión del PS. El contenido de pentano en el PS es de 3% a 8% en peso aproximadamente antes de ser expandido (preexpansión). En la conformación de las perlas, el contenido de pentano se encuentra alrededor de un 1.5% y al realizar el prensado éste cae alrededor de 1% en peso. Igualmente, es eliminado por el EPS en el tiempo de almacenamiento17. Tanto el contenido de pentano como la densidad influyen en el fenómeno de degradación de la espuma vinculado a LFC, al presentar un contenido de pentano superior al 2% y 3% los gases de la reacción de degradación son mas abundantes generado una gran probabilidad de poros en la pieza fundida. Equivalentemente, el alto contenido de pentano es sinónimo de una mayor densidad de EPS, generando durante el vaciado un mayor contenido de impurezas y subproductos de la degradación de la espuma atrapados dentro de las piezas fundidas.
Unión de las secciones fabricadas
Cuando las secciones de EPS han sido finalizadas y se encuentran listas para el proceso de armado de los árboles, se lleva a cabo el proceso de pegado de las secciones. Generalmente el pegante utilizado es un sólido termoplástico que es calentado hasta lograr la fusión. En esta etapa debe tenerse algún control sobre las variables, algunas de estas deben ser inspeccionadas y controladas con rigurosidad con la finalidad de lograr una unión fuerte.
• Densidad: generalmente las densidades de estos pegamentos son altas registrando valores que llegan a 60 lb/ft3, esta condición facilita el untado sobre las superficies del modelo*. Sin embargo, presenta condiciones de degradación térmica equivalentes a las del EPS, con niveles de generación de gases y residuos sólidos similares.
• Adhesión: debe garantizarse que el adhesivo presente características de adhesión adecuadas sin requerir grandes cantidades del mismo para la
16
ASHLADD DISTRIBUTION COMPANY. Thermoplastic Troubleshooting Guide. General Polymer Division. USA: El autor, año. p. xx
17 FERNÁNDEZ, Op. Cit., p. xx
32
unión de las secciones de EPS. Debe disminuirse la aparición de rebabas porque el metal fundido copia fielmente la geometría del modelo, incluyendo las imperfecciones superficiales del pegado, tendiendo que pulirlas en las operaciones de mecanizado, lo cual incrementa el tiempo de fabricación del producto.
• Temperatura: Para el secado del recubrimiento cerámico se utiliza una temperatura que ronda los 65ºC, por esto, el pegante debe resistir esta temperatura sin presentar deformación alguna.
• Peso: El pegante constituye entre 10% y 20% del peso del árbol de piezas antes de aplicar el recubrimiento. Por tal motivo es importante aumentar la calidad superficial de los modelos y disminuir la rebabas para que no sea necesario usar exceso de pegante en las uniones
Pintado de los modelos de espuma
Después de realizado el ensamble se procede al pintado de los árboles, el recubrimiento usado en este proceso debe tener unas características especiales en cuanto viscosidad, permeabilidad generada y espesor, debido a que una gran cantidad de defectos tienen su origen en la mala aplicación y selección del recubrimiento refractario.
• Permeabilidad: se refiere la permeabilidad a la capacidad que tiene un sistema poroso al paso de gases y líquidos a través de si mismo. En el proceso LFC el recubrimiento debe ser lo suficientemente permeable a la salida de gases, pues en el momento del vaciado el metal degrada la espuma convirtiéndola en gas y si el recubrimiento no posee la permeabilidad necesaria el gas puede quedar atrapado dentro del metal.
• Refractariedad: esta propiedad es propia de los recubrimientos utilizados en la técnica LFC, debe garantizarse cierto grado de refractariedad para que el recubrimiento soporte las altas temperaturas de vaciado y no se degrade por la alta temperatura del metal fundido y quede embebido en las piezas fundidas. Además, el comportamiento refractario ayuda a disminuir la transferencia de calor del metal hacia la arena, generando un enfriamiento del metal más lento y permitiendo una solidificación controlada.
• Rigidez: esta propiedad está relacionada directamente con el espesor del recubrimiento, se debe contar con una rigidez adecuada para dar más fortaleza al árbol de modelos, pues durante la adición de arena en los tarros de moldeo se puede dañar el árbol cuando éste posee baja resistencia, lo cual desencadena en defectos por deformidad del modelo de espuma, además la rigidez del recubrimiento facilita la manipulación del modelo de espuma.
33
• Contenido de humedad: de un buen secado depende también la calidad de las piezas fundidas, cuando el recubrimiento posee un porcentaje de humedad muy alto durante el vaciado las piezas presentarán porosidades y acabados superficiales muy bajos. Por tal motivo los modelos pintados deben ser secados en horno a una temperatura entre 40ºC – 60ºC durante un periodo de 2 a 10 horas. Se debe tener cuidado de no aumentar la temperatura por encima de la temperatura de reblandecimiento de la espuma18.
• Viscosidad: el grado de viscosidad depende de la técnica de pintado que sea utilizada, para el pintado por inmersión debe ser utilizado un recubrimiento con mayor viscosidad que en la técnica por aspersión. Antes de realizar el pintado por inmersión la viscosidad del recubrimiento deberá estar entre 3000-8000 cps19. De este parámetro dependen casi todas las propiedades del recubrimiento, ya que si es aumentada la viscosidad el espesor aumenta, la permeabilidad disminuye y se generará un mayor efecto de aislamiento térmico del metal provocando un enfriamiento más lento.
Las propiedades del recubrimiento refractario son las que influyen en gran medida en la calidad de las piezas fabricadas por LFC. El estudio de las mismas se convierte en una labor constante por parte de los productores por LFC porque modificando estos parámetros es controlada la velocidad de vaciado.
Llenado del recipiente de moldeo
La evacuación de los gases generados por la degradación del modelo de EPS es de suma importancia para lograr una calidad adecuada en las piezas fundidas por LFC. Por tal motivo en el llenado del recipiente de moldeo es utilizada una arena que permite la salida de los gases sin mayores restricciones. En esta etapa no pueden ser utilizadas arenas muy finas porque pueden impedir el escape de los productos de combustión del EPS y tampoco pueden ser utilizadas arenas gruesas porque se presentarían defectos como penetración de metal y superficies ásperas. La arena utilizada comúnmente en el proceso LFC es sílice con un índice AFS de 35-45.
Las condiciones de la arena deben ser parametrizadas durante la simulación, se deben conocer las propiedades de conductividad térmica, nivel de permeabilidad, porcentaje de humedad y temperatura inicial. Las variables de relevancia para la simulación son:
18 FERNÁNDEZ, G. P. ; MARTÍNEZ, H.V. ; CRUZ, L y DUQUE, A.F. Proceso de fundición en espuma perdida para la fabricación de autopartes. En: Revista DYNA. Medellín. Vol. 74, no. 151, (mar. 2007); p. 15-24.
19 CENTRO INTEGRAL PARA EL DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN (CIDI). Optimización del proceso de fundición en espuma perdida para la fabricación de autopartes de exportación, Op. Cit., p. xx
