MÉTODOS DE FUNDICIÓN

Objetivo: Poder explicar concretamente y comparar los diferentes métodos de fundición para poder fabricar las diferentes piezas que componen a un biomaterial.

La fundición es el proceso de fabricación de piezas que consistente en derretir un material e introducirlo en una cavidad llamada molde, donde se solidifica. El proceso tradicional es la fundición en arena, por ser ésta un material refractario muy abundante en la naturaleza y que, mezclada con arcilla, adquiere cohesión y maleabilidad sin perder la permeabilidad que posibilita evacuar los gases del molde al tiempo que se vierte el metal fundido.

La fundición en arena consiste en colar un metal fundido, típicamente aleaciones de hierro, acero, bronce, latón y otros, en un molde de arena, dejarlo solidificar y posteriormente romper el molde para extraer la pieza fundida.

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Investment Casting es un método de moldeo que se ha usado desde la construcción de las pirámides. Los egipcios y los chinos utilizaban el proceso para hacer joyas y estatuas. El método fue ignorado en gran medida como un proceso industrial para la fabricación de piezas hasta que la demanda para terminar rápidamente las piezas durante la Segunda Guerra Mundial creó la necesidad de una creación de componentes rápido y cercano, que fácilmente pudieran ponerse en uso.

En esta nueva época de moldes de cerámica de alta temperatura, se desarrollo éste para industrializar el proceso y para incluir aplicaciones de alta resistencia a la corrosión y materiales resistentes como acero al bajo y alto carbono, acero para herramientas, acero inoxidable y aleaciones de níquel y de cobalto. Las aleaciones d'e Aluminio y aleaciones de cobre también estuvieron disponibles.

En la actualidad los moldes para fundición de precisión se construyen sobre el modelo poi medio de inmersiones sucesivas, en suspensiones que contienen partículas del barro cerámico, por lo tanto, la cera también debe ser resistente a cualquier solvente orgánico o

alcalino que bien, puede estar presente en los barros para los recubrimientos. Un requisito también muy particular es que para los modelos construidos por inyección es que deben solidificar rápidamente. Además la plasticidad o ductibilidad de las ceras para modelos deben ser bajas a temperaturas ambiente para que los modelos y los conjuntos no varíen en sus dimensiones bajo su propio peso pero al mismo tiempo la cera no puede ser frágil.

El acabado superficial del modelo de cera debe y tiene que ser bueno para que se logre una buena penetración del cerámico y de esa manera se pueda reproducir bien la pieza. Cuando se usa una mezcla de ceras para modelos, los materiales deben de ser compatibles, es decir, se deben disolver entre sí a tal punto que no ocurra una separación cuando la mezcla sea mantenida dentro de un límite de temperaturas adentro del refractario o molde.

Así mismo las características térmicas de la cera es muy importante, particularmente la viscosidad a la temperatura de inyección o vaciado y las características de expansión y/o contracción térmica .

Modelo

de cera

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(1)

(5)

(2) (3) (4)

(6) ⁽⁷⁾

Fig. 1/1-1.1- (1) Se producen los patrones o modelos de cera; (2) se adhieren varios modelos para formar el modelo de árbol; (3) el modelo de árbol se recubre con una capa delgada de material refractario; 4) se forma el molde entero, cubrienda el árbol revestido con suficiente material para hacerlo rígido; (5) el molde se sostiene en pasición invertida y se calienta para fundir la; (6) el molde se precalienta a una alta temperatura para asegurar la eliminación de todos los contaminantes del molde, el metal se vacía y solidifica; (7) el molde se rompe y se separa de la fundición terminada.

Algunas de las ventajas de la fundición a cera perdida son:

1) Capacidad para fundir piezas complejas e intrincadas;

2) Estrecho control dimensional con posibles tolerancias de ±0.076 mm;

3) Buen acabado de la superficie;

4) Recuperación de la cera para reutilizarla

5) Por lo general no se requiere maquinado adicional.

Fig.l/l-1.2 -Muestra de algunas piezas que se pueden hacer a través del método a cera perdida. [20}

Éste es un proceso de forma neta, aunque relativamente costoso por la cantidad de pasos que involucra su operación. Las partes hechas por este método son normalmente de tamaño pequefio, aunque se han fundido satisfactoriamente partes de formas complejas de hasta 34 Kg. Pueden fundirse todos los tipos metales, incluyendo aceros, aceros inoxidables y otras aleaciones de alta temperatura. Algunos ejemplos de partes fundidas por este proceso son:

partes complejas de maquinaria paletas y otros componentes para motores de turbina, así como joyería y accesorios dentales.

El proceso de fundición en cera perdida se forman modelos de "arboles" en donde se colocan todas las piezas a fundir; esto se hace con el objetivo de que se puedan fundir muchas piezas al mismo tiempo, como se puede observar en la Figura III-1.3 izquierda.

Después el modelo en cera se cubre con una pasta cerámica (ver tabla 111-1.1) hasta quedar como se ve en la figura III-1.3 centro. Una vez completamente seca la pasta cerámica se aumenta la temperatura hasta que se sinteriza a temperaturas cercanas a los 1200°C en donde se evaporan los restos de la cera como se observa en la figura 111-1.3 derecha.

Fig. lll-1.3-Proceso de fundición a cera perdida de vástagos para prótesis de cadera. [36)

Al momento del vaciado del metal liquido, se requiere que el molde este precalentado a temperaturas cercanas a las del metal liquido que se va a vaciar. Una vez vaciado el líquido metálico en el molde cerámico se requiere de un largo tiempo de solidificación y enfriado para poderlo sacar del molde.

Una vez finalizado este proceso se obtiene la pieza tal cual fue fabricada en el modelo de cera para sus análisis. Este mismo proceso es el que se sigue para la realización de este trabajo. El proceso esta descrito y explicado paso por paso en el capitulo V.

Investment Casting es sin duda alguna uno de los métodos de fundición más sencillos para la fabricación de prótesis y partes de implantes. Es también un proceso poco costoso. El proceso involucra tener a la mano la cera para hacer el modelo (cualquier tipo de cera que su coeficiente de expansión térmica sea pequeño de tal forma que al momento de descerar no se rompa el molde cerámico) el lodo cerámico para hacer el caparazón el cual cubre a la cera y el acceso a los hornos de sinterización, fusión y vaciado.

El diseño de colada (configuración geométrica de los patrones ensamblados a los alimentadores primarios y secundarios) juega un papel importante en el proceso de fundición a la cera pérdida, un buen diseño de colada puede evitar rechupes, porosidad por gases atrapados, puntos fríos, choques de frentes de solidificación entre otros defectos; por otra parte, el diseño debe ser eficiente y factible para su manejo en los subprocesos posteriores. Para el diseño de colada, no se utilizó ningún software debido a que la geometría simétrica de los patrones dejó de representar un problema para poder obtener las muestras prototipo sanas.

El lodo se prepara con un 1 litro de aglutinante (sílice coloidal) por cada 1.9 Kg de mezcla de arena (30% de arena sílice # -325 y 70% de zirconio # -350). Y se ajusta la viscosidad con agua destilada hasta obtener la viscosidad requerida por el usuario.

Tabla /ll-1.1-Pasta cerámica o lodo cerámico- una porción

1 L de aglutinante Sílice coloidal

1.9 Kg de Mezcla de arena 300/ct Arena Sflice 70% Zirconio Agua destilada para ajustar La que se requiera para ajuste

viscosidad

Baño en seco

En contenedores de arenas que tienen arena de sílice de malla # -50+ 100 y en el 2do, arena sílice de malla# -30+50.

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El proceso de moldeo Shell ofrece un mejor acabado de la superficie, tiene meJores tolerancias dimensionales, y un mayor rendimiento debido a un menor tiempo de ciclo.

Un modelo de metal calentado a 200 ^o C 1 392 ^o F se cubre con una mezcla de arena y plástico termoestable. Esto hace que se cree un tipo de piel de alrededor de 3,5 mm (0,125 pulgadas) de mezcla de arena y de plástico que se adhieran al modelo. Esta piel se quita de la pauta para formar el molde "Shell". Las dos mitades del molde de concha se aseguran en conjunto y el metal se vierte en el depósito a formar la parte. Una vez que el metal se solidifica, la cáscara se rompe.

Este proceso puede producir piezas complejas con buen acabado superficial 1,25 micras a 3,75 micras (50 a 150 micro-pulgadas) y con una tolerancia dimensional de 0,5%. Los límites de peso de 30 g a 12 kg (1 oz a 25 libras). Con espesores mínimos que pueden ser tan bajos como 1,5 mm (0,062 in) a 6,25 mm (0,25 pulgadas), dependiendo del material.

Un buen acabado superficial y la tolerancia de buen tamaño reducir la necesidad de mecanizado.

Una inversión de capital bastante elevado es necesaria, pero altas tasas de producción pueden ser alcanzadas. El proceso global es muy rentable debido a la mecanización y reduce los costos de limpieza.

Los materiales que se pueden utilizar con este proceso son hierros fundidos y aleaciones de aluminio y cobre. Las piezas típicas hechas con este proceso son las bielas, cajas de engranajes, palancas, entre otras.

SANO

STEP t

Fig. lll-2.1 -Proceso de She/1 mold casting. 1) Crear el modelo caliente de acuerdo a la estructura deseada, 2) Dejar que la arena se pegue al modelo hasta crear una piel e hasta 3 cm. 3) dejar que se seque la piel para tener el cascaron, 4) despegar el cascaron y

Ventajas del moldeo por método Shell:

1) Puede crear formas complejas y detalles fmos 2) Muy buen acabado superficial

3) Alta tasa de producción 4) Bajo costo de mano de obra 5) Herramientas de bajo costo 6) Pocos desechos generados

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La fundición al vacío (en inglés Vaccum Casting; V-process) es una variante del proceso de fundición en arena para la mayoría de los metales ferrosos y no ferrosos en donde la arena que no se adhiere se queda en el frasco al vacío.

El modelo de fundición es especialmente ventilado de manera que el vacío se pueda extraer a través de él. Una fina lámina de calor suavizado (0,003 a 0,008 pulgadas o 0,076 a 0,20 mm) de película de plástico cubre el cuerpo del modelo y el aire se extrae (200 a 400 mmHg o 27 a 53 kPa).

La fundición al vacío se conoce por no exigir un modelo especial, ya que la película de plástico tiene un cierto grado de lubricidad y se expande un poco cuando el vacío se dibuja en el frasco. El proceso ha ajusta con gran precisión, con una tolerancia de± 0,010 en la primera pulgada y± 0,002 1 in a partir de entonces.

El acabado de la superficie es muy bueno y otras ventajas incluyen la humedad no relacionada con defectos, la permeabilidad de arena excelente, y no hay gases tóxicos por la quema de los aglutinantes. Por último, el modelo no se desgasta debido a que la arena no lo toca.

La principal desventaja es que el proceso es más lento que la arena de fundición tradicional por lo que sólo es adecuado para bajos volúmenes de producción a medio plazo; Sin embargo, esto hace que sea perfecto para el trabajo de prototipo, porque el modelo se puede modificar fácilmente, ya que está hecho de plástico.

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Después de haber explicado concretamente los diferentes métodos de fundición, podemos hacer una comparación cualitativa y en su caso cuantitativa para poder encontrar el método optimo para crear superficies con folículos; que es el objetivo de este proyecto.

Las aleaciones Co-Cr-Mo (ASTM F75) son utilizadas para la manufactura de implantes mediante técnicas de fundición a cera perdida (investment casting), siendo difíciles de mecanizar este proceso de fabricación permite alcanzar dimensiones cercanas a las finales.

Aunque las propiedades mecánicas son menores comparadas con procesos de pulvimetalurgia, se reducen en forma considerable los costos de fabricación.⁴³

Aunque el método "Shell" asi como la fundición al vacío pueden bien servir para la creación de modelos de cera con superficies biofoliculares ya que todos están relacionados en precio, tiempo y material son métodos que requieren más experiencia. La fundición al vacío requiere, como su nombre lo indica, una cámara al vacío que genere las condiciones ideales para este método de fundición, lo que lo vuelve un poco más complejo (en cuanto a material se refiere) y costoso.

Se cree que dada la facilidad y el poco costo del método de fundición a cera perdida (Investment Casting) es el más apropiado para este proyecto. Fue el método desarrollado en el capítulo V.

La creación de un modelo de cera de superficie folicular se hace con el fin de poder incrementar las propiedades mecánicas y de adhesión de la prótesis al hueso una vez ya implantada. En el capitulo V se analizan a través de diversas pruebas las propiedades resultantes de estas superficies, creadas a partir del proceso de fundición a cera perdida.

CAPÍTULO IV