TecnologasdeFabricacin1MiguelMoroVallina21ApuntespreparadosapartirdeSeropeKalpakjianyStevenR. Schmid:Ma-nufactura, ingenieraytecnologa. Mxico, 2002: PearsonEducacin. Losapuntesco-rrespondena la asignatura homnima del Plande Estudios de 2001 de IngenieraIndustrialdelauned.2Correo: narodnaia@gmail.com. Web:http://narodnaia.googlepages.comThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttribution-NonCommercial-ShareAlike2.5SpainLicense.Toviewacopyofthislicense, visithttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/es/orsendalettertoCreativeCommons, 543HowardStreet, 5thFloor, SanFrancisco,California, 94105, USA.LacomposicindeestedocumentoseharealizadomedianteLATEX.Tema1Introduccinalafabricacin1.1. QueslamanufacturaLamanufactura, ensusentidomsamplio, esel procesodeconvertirlamateriaprimaenproductos.Incluyeeldiseodelproducto,laseleccindelamateria prima y la secuencia de procesos a travs de los cuales ser manufactura-do el producto. Como actividad econmica, la manufactura comprende entre elveinte y el treinta por ciento del valor de todos los bienes y servicios producidos.La manufactura puede producir productos discretos, i.e. piezas individuales,o productoscontinuos.1.2. El procesodediseoylaingenieraconcu-rrenteTradicionalmente, las actividades de diseo y manufactura han ocurrido demanera secuencial, ms que de manera concurrente o simultnea. Aunque estasecuencia parece lgica y sencilla, es un procedimiento que desperdicia de formaextremalosrecursos.Porello,seestabriendopasolaingenieraconcurrenteo simultnea.Clave para el nuevo procedimiento es la importancia ahora bien reconocidade la comunicacin dentro de y entre las disciplinas. Esto es, del mismo modo quedebe existir comunicacin entre las diferentes funciones de ingeniera, marketingyservicio, debetambinexistirinteraccinentresubdisciplinasdeingeniera,por ejemplo diseo para la manufactura, reciclabilidad de diseo y diseo parala seguridad.Laingenieraconcurrenteesunprocedimientosistemticoqueintegraeldiseoylamanufactura delosproductos, manteniendoa lavistala optimiza-4 1.2.Elprocesodediseoylaingenieraconcurrentecindetodosloselementosqueformanpartedel ciclodevidadel producto.Elciclo de vida implica que todos los aspectos de unproducto diseo, desa-rrollo, produccin, distribucin, uso, eliminacin y reciclado se consideran demanera simultnea. Las metas bsicas de la ingeniera concurrente son reducirloscambios eneldiseoeingeniera deproducto yreducir ellapso quemediaentre el diseo del producto y su introduccin en el mercado, as como los costosasociados a ese tiempo.Tantoparaempresasgrandescomopequeas,eldiseodelproductocon-lleva, a menudo, la preparacin de modelos analticos y fsicosdel mismo, comoayudaparaestudiarfactorestalescomolasfuerzas,losesfuerzos,lasdeexio-nesylaformaptimadelapieza.Lanecesidaddeestosmodelosdependedelacomplejidaddel producto. Hoyenda, el estudiodemodelosanalticosseha simplicado mediante el uso del diseo asistido por computadora(cad) y deingeniera y manufactura asistida por computadora (cae y cam, respectivamen-te). El cadpermiteconceptualizarobjetosconmayorfacilidad,sintenerqueelaborar ilustraciones, modelosoprototiposcostosos. Usandolacaesepuedesimular,analizaryprobarconmayor precisinymsrpidoeldesempeodeestructuras sujetas a cargas estticas o uctuantes y a temperaturas variables.Porltimo, lacaminvolucratodaslasfasesdelamanufactura, al utilizaryprocesar anms lagran cantidaddeinformacin sobre materiales yprocesosrecolectados y almacenados en la base de datos de la organizacin.Posteriormente a la utilizacin de estas tcnicas asistidas por computadora,suelesernecesariofabricarunprototipo, i.e., unmodelooriginaldelproductoque funcione. Un desarrollo reciente importante es el llamado prototipado rpido,queseapoyaentcnicasasistidasporcomputadorayendiversastcnicasdemanufacturaconel usodematerialestantometlicoscomonometlicospara producir prototipos de manera rpida, en forma de un modelo slido y debajo costo de una determinada pieza fsica.Las pruebas de prototipos debenser diseadas para simular, de forma tanreal comoseaposible, lascondicionesbajolascualessevaausarel produc-to.Estascondicionesincluyenlosfactoresambientalescomotemperaturayhumedadylosefectosdelavibracinyel uso(yel mal uso)repetidodelproducto.Lastcnicasdeingenieraasistidaporcomputadorasoncapacesdellevar a cabo estas simulaciones de manera rpida y completa.Durantelapruebadel prototipo, quizresultenecesarioefectuarmodi-cacioneseneldiseo,materialesomtodosdeproduccinoriginales.Unavezterminada esta fase, se seleccionan los procesos apropiados, mtodos de manu-factura y equipo, as como las herramientas, etc.Parece ser que, en el pasado, muchos productos han sido sobrediseados, i.e.,que eran demasiado voluminosos, estaban fabricados con materiales de calidaddemasiadoelevada, oconunaprecisinycalidadnonecesariaparalosusospretendidos. Muchos fabricantes creen que si un producto funciona bien duranteun largo perodo de tiempo, podra haber sido sobrediseado. En estos casos, laempresa podra reducir los materiales y/o los procesos empleados.1.Introduccinalafabricacin 51.3. Diseo para la manufactura, ensamblaje, de-sensamblajeyservicioComo ya se ha mencionado, el diseo y la manufactura deben estar estrecha-mente interrelacionados, y no deben nunca verse como disciplinas o actividadesporseparado. Estavisinampliada hasidoreconocida como elrea dediseopara la manufactura (dfm). Se trata de un procedimiento completo para la pro-duccindebienes, eintegrael procesodediseoconlosmateriales, mtodosdemanufactura, planicacindeprocesos, ensamblaje, pruebaygarantadecalidad.El diseo, ingeniera y manufactura asistidos por computadora, y las tcni-cas de planicacin de procesos, empleando grandes programas de computadora,se han hecho indispensables para aquellos que llevan a cabo dichos anlisis. Losnuevosdesarrollos incluyensistemasexpertos,quetienencapacidadesdeopti-mizacinyporlotantopuedenacelerarel procesoiterativotradicional delaoptimizacin del diseo.Unavezquesehanmanufacturadolaspartesindividuales,debenensam-blarse enunproducto. Elensamblajees unaparte importante dela operacingeneraldemanufacturayesprecisoconsiderarlafacilidadylavelocidadconlasquepuedeefectuarse, as comoel costodelaspiezas. Asimismo, muchosproductos deben disearse de manera que sea posible su desensamblaje, a n depermitirque se desarme el producto para su mantenimiento, servicio o para elreciclaje de sus componentes.Dadoquelasoperacionesdeensamblajepuedencontribuirnotablementeal costodel producto, el diseoparael ensamblaje (dfa), as comoel diseopara el desensamblaje, se reconocen ahora como aspectos importantes de la ma-nufactura. Comnmente, unproductoqueesfcil deensamblartambinserfcil dedesensamblar.Latendenciamsrecienteincluyeahorael diseoparaelservicio, cuya meta es que las partes individuales y subensambles de un pro-ductoseanfcilesdealcanzar, para poderlesdarservicio.Latendenciaactuales combinar el diseo para la manufactura y el diseo para en ensamblaje en undiseo ms completo para la manufactura y el ensamblaje(dfma), que reconocela relacin inherente entre la manufactura de los componentes y su ensamblajeen un producto nal.1.4. SeleccindematerialesLos tipos generales de materiales empleados hoy en da enla manufacturason los siguientes:Metales ferrosos: aceros al carbono y aleados, acero inoxidable, aceros paraherramientas y dados.Metales no ferrosos: aluminio, magnesio, cobre, nquel, titanio, superalea-ciones, metales refractarios, berilio, circonio, aleaciones de bajo punto de6 1.4.Seleccindematerialesfusin y metales preciosos.Plsticos: termoplsticos, plsticos termoestables y elastmeros.Cermicas, cermicas vitricadas, vidrios, gratos, diamante yotrosmateriales semejantes a este ltimo.Composites: plsticosreforzados,matrizdemetalymatrizdecermica.Algunas veces, a stos se les denomina tambin materialesdeingeniera.Materialesespeciales: nanomateriales,aleaciones conmemoriadeforma,aleaciones amorfas, superconductores y otros materiales diversos con pro-piedades nicas.Lasestructurasaeroespacialesylosproductosdeportivoshanocupadolapri-mera lnea en la aplicacin de los nuevos materiales. Para las estructuras de lasaeronavescomercialeslatendenciaesautilizarmstitanioycomposites, conuna reduccin gradual en el uso de aluminio y acero.Propiedadesdelosmateriales Al seleccionar los materiales para los produc-tos,primeroseconsideran suspropiedadesmecnicas resistencia,tenacidad,ductilidad, dureza,elasticidad,fatigayuencia1. Lasrelacionesentreresis-tenciay pesoyentre rigidez ypeso tambinson importantes,particularmenteen aplicaciones aeroespaciales y automotrices. El aluminio, el titanio y los pls-ticos reforzados, por ejemplo, tienen relaciones de este tipo ms elevadas que losaceros y los hierros fundidos. Las propiedades mecnicas deben valorarse consi-derando las condicionesespeccasen las que el producto deber funcionar.Acontinuacin debentenerseencuentalaspropiedadesfsicas delosma-teriales calor especco,dilatacin yconductividadtrmica,puntodefusiny propiedades elctricas y magnticas. Las propiedadesqumicastambin de-sempean un papel signicativo, tanto en entornos hostiles como normales. Laoxidacin,lacorrosin,ladegradacingeneraldelaspropiedades,toxicidadeinamabilidad estn entre los factores que deben considerarse.Por ltimo, las propiedadesde manufacturade los materiales determinan sipuedenserfundidos, formados, maquinados,soldadososujetosatratamientotrmico con relativa facilidad.Costoydisponibilidad Si nohaydisponiblesmateriasprimasprocesadasocomponentes manufacturados enlaforma, dimensinycalidaddeseadas, sehar necesario recurrir a sustitutos y/o al procesamiento adicional; stos puedencontribuir demanera signicativaalcostodelproducto.Amenudo,undiseodeproductosepuedemodicarparaaprovecharlasdimensionesestndardelasmateriasprimas,yportantoevitarloscostosdemanufacturaadicionales.Enladisponibilidaddelasmateriasprimashayqueconsiderarespecialmentela abilidad de su suministro. La mayor parte de los pases importan numerosas1Empleamosel trminodeuenciaenlugardecedencia, queesel queempleanlostraductoresdeltexto.1.Introduccinalafabricacin 7materiasprimasesencialesparasuproduccin. EstadosUnidos, porejemplo,importa la mayor parte de los volmenes que emplea de materias primas comoel hule natural, diamante, cobalto, titanio, cromo, aluminio y nquel.1.5. SeleccindelosprocesosdemanufacturaLos principales procesos de manufactura son los siguientes:Fundicin: de molde desechable y de molde permanente.Formado y conformado: laminacin, forja, extrusin, estirado, formado delmina, pulvimetalurgia y moldeo.Maquinado:torneado, taladrado, barrenado, fresado, cepillado, brochadoy esmerilado, maquinado ultrasnico, maquinado elctrico, electroqumico,y maquinado de haz de alta energa.Unin: soldaduraconysinaportedematerial,soldadurablanda,uninpor difusin, unin adhesiva, y unin mecnica.Acabado: asentado, lapeado, pulido, bruido, desbarbado, tratamiento su-percial, recubrimiento y depsito.Las operaciones de acabado pueden contribuir de forma signicativa al costode un producto. En consecuencia, la tendencia ha sido pasar de la manufacturadelaformanetao cercanaa la formaterminada, en la cual la pieza se fabricaenlaprimeraoperacin, tancercade las dimensiones, tolerancias, acabadosupercial yespecicacionesnales deseadascomoseaposible. Losejemplostpicosdeestetipodemanufacturasonlaforjadeformanetaocercanaalaformaterminada,lafundicindepiezas,elestampadodepiezasdelminademetal, el moldeopor inyeccindeplsticos ylafabricacindecomponentesmediante tcnicas de pulvimetalurgia.1.6. ManufacturaintegradaporcomputadoraLas metas principales de la automatizacin en instalaciones de manufacturaesintegrardiversasoperacionesdeformaquesemejorelaproductividad, seincremente la calidad y la uniformidad del producto, se minimicen los tiemposdel ciclo y se reduzcan los costes de mano de obra.Pocosdesarrollos enlahistoriadelamanufacturahantenidounimpactotansignicativo comolascomputadoras, queseempleanahora enunaampliagamadeaplicaciones queincluyenelcontrol ylaoptimizacindelosprocesosde manufactura, manejodemateriales, ensamblaje, inspeccinypruebaau-tomatizadadelos productos, control deinventariosynumerosasactividadesadministrativas. Eluso de las computadoras se ha extendido a la llamadama-nufacturaintegradaporcomputadora(cim).Las principales aplicaciones de lascomputadoras en la manufactura son, en resumen, las siguientes:8 1.6.ManufacturaintegradaporcomputadoraControl numricoporcomputadora( cnc). Setratadeunmtodoparacontrolar los movimientos de los componentes de las mquinas mediante lainsercin directa de instrucciones codicadas en forma de datos numricos.El control numrico fue implementado por vez primera en la dcada de loscincuenta, constituyendo un adelanto de importancia en la automatizacinde las mquinas.Control adaptativo( ac).Losparmetrosenunprocesodemanufacturase ajustan de manera automtica para optimizar la tasa de produccin yla calidad del producto y minimizar el costo. Los parmetros como fuerza,temperaturas, acabadosupercial ydimensiones delapiezasevigilandemaneraconstante.Sisemuevenfueradelrango aceptable,elsistemaajusta las variables del proceso hasta que los parmetros quedan de nuevodentro del rango de valores determinado.Robots industriales. Introducidos a comienzos de la dcada de los sesenta,losrobotsindustrialeshanvenidoreemplazandoalossereshumanosentodaunaserie deoperaciones. Seestndesarrollando robotsconcapaci-dadesdepercepcinsensorial(robotsinteligentes),conmovimientosquesimulan los de los seres humanos.Manejoautomatizadodelosmateriales, tantoenlasdiversasetapasdefabricacincomoenel movimientodealmacenesydeunasmquinasaotras, as como en los puntos de inspeccin de inventarios y embarques.Sistemas de ensamble automatizadosy robticos. Los productos tienden aser diseados de forma que puedan ensamblarse ms fcilmente a mquina.Planicacindeprocesosasistidaporcomputadora( capp). Estaherra-mientapermitemejorarlaproductividadenunaplantaaloptimizarlosplanesdeproceso, reducirloscostosdeplanicacinymejorarlacon-sistenciadelacalidadylaabilidaddel producto. Al sistemapuedenincorporarse tambin funciones tales como la estimacin de los costos y lavigilancia de los estndares de trabajo.Tecnologa de grupo ( gt). Las piezas se pueden agrupar y producir clasi-cndolas en familias, de acuerdo con similitudes de diseo y similitudes enlos procesos de manufactura empleados para su produccin. As pueden es-tandarizarse los diseos de las piezas y los planes de proceso, y las familiasde partes similares pueden producirse de manera eciente y econmica.Produccin justo a tiempo ( jit). Los suministros se entregan justo a tiem-po para subensamblarlos y ensamblarlos, los productos se terminan justoatiempoparaserentregadosalcliente. Loesencialesqueloscostosdeinventario se reduzcan, los defectos de las piezas se detecten de inmediato,se incremente la productividad y se fabriquen productos de alta calidad abajo costo.Manufacturacelular. Consisteenlautilizacindeestacionesdetrabajoceldas demanufactura, queporlogeneral contienenvariasmqui-nas controladas por unrobot central, cada unade las cuales ejecuta unaoperacin diferente sobre la pieza.1.Introduccinalafabricacin 9Sistemas de manufactura exible ( fms). Esta metodologa integra las cel-das demanufactura enuna unidadgrande, todaellacon uninterfaz conunacomputadoracentral. Aunquesonmuycostosos,estossistemassoncapacesdeproducirconecienciapartesenpequeoslotesymodicarsecuencias de manufactura de diferentes piezas de manera rpida; esta e-xibilidadlespermitehacerfrenteacambiosrpidosenlademandadelmercado para diversos tipos de productos.Sistemas expertos. Se trata de programas complejos de computadora, queestndesarrollandoconrapidezlacapacidaddellevaracabotareasyresolverproblemasdifcilesdelavidareal, demaneramuysimilaralaforma como lo haran los seres humanos.Inteligenciaarticial ( ai). Los sistemas controlados por computadora seestn haciendo cada vez ms capaces de aprender de la experiencia y de to-mar decisiones que optimizan las operaciones y que minimizan los costos.Las redesneuronalesarticiales,que se disean para emular los procesosdepensamientodel cerebrohumano, tienenlacapacidaddemoldearysimularsituacionesdeproduccin, ycontrolarysupervisarprocesosdemanufactura, diagnosticarproblemasenel desempeodelasmquinas,llevar a cabo planicacin nanciera y administrar la estrategia de manu-factura de la empresa.Manufactura compartida. Consistira en una red regional o nacional de ins-talacionesdemanufactura,conequipodepuntaparalacapacitacin,eldesarrollo de prototipos y de lotes de produccin en pequea escala, y es-tara disponible para ayudar a pequeas empresas a desarrollar productosque compitan en el mercado mundial.1.7. GarantayadministracintotaldelacalidadEnunsentidoamplio,lacalidadesunacaracterstica opropiedadforma-dapor varias consideracionestcnicas yestticas biendenidas. Demaneratradicional,lagarantadelacalidadsehaobtenidoal inspeccionarlaspiezasdespus de su manufactura. stas son inspeccionadas para asegurarse de quese ajustan a las especicaciones y normas de dimensiones, acabado supercial ypropiedades mecnicas y fsicas.Sin embargo, la calidad no puede ser inspeccionadaen una unidad del pro-ducto una vez que ste ha sido fabricado. La prctica de inspeccionar productosunavezfabricadoshasidoreemplazada rpidamenteporunavisin,msam-plia,queconsidera quelacalidaddebeestarincorporadaenel productodesdela etapa de diseo y a travs de todas las etapas subsiguientes de manufacturay ensamblaje. El objetivo pasa a ser el control de los procesos, puesto que stosconstituyen un factor crtico en la calidad de los productos.Aunque se puede describir de varias maneras, la integridaddelproductoesun trmino que se puede utilizar para denir el grado en el cual un producto es(a) adecuado para su propsito, (b) satisface una necesidad realdel mercado, (c)10 1.8.Competitividadglobalycostosdemanufacturafunciona de manera able dentro de su vida esperada, y (d) puede ser mantenidocon relativa facilidad.Laadministracintotal delacalidad (tqm)ylagarantadecalidad sonahora responsabilidad de todos cuantos estn involucrados en e diseo y manu-facturadeunproducto. Lanuevaconcepcindelacalidadconllevael usodepoderosas tcnicas analticas, como el control estadstico de procesos(spc) y losdiagramasdecontrol paralavigilanciaenlneadelaproduccindepiezasypara identicarcon rapidez fuentesyproblemas decalidad.La metaprincipalesimpedirqueocurrandefectos,enlugardedetectarlosyrechazar productosdefectuosos una vez fabricados. Un desarrollo de importancia en la garanta decalidad es el diseoexperimental, una tcnica en la cual se estudian de manerasimultnea todos los factores empleados en un proceso de manufactura, as comosus interacciones.Lapoderosatendenciahacialamanufacturaparaylacompetenciaenelmercado mundialhacreado unanecesidad para laaceptacin internacional enel uso y en el consenso en relacin con el establecimiento de mtodos de controlde calidad. Esta necesidad ha resultado en la serie ISO9000 de la InternacionalOrganizationfor Standardizationof Quality, Management andQualityAssu-ranceStandards,as como en elQS9000. Un registro de una empresa para eseestndarqueesunacerticacindeprocesosdecalidad ynounacertica-cin de productos signica que la empresa cumple con prcticas consistentes,segn se especica en su propio sistema de calidad. ISO9000 y QS9000 han in-uenciadodemanerapermanentelaformaenquelasempresasllevanacabosus negocios en el comercio mundial, y se han convertido en la norma mundialde calidad.1.8. Competitividadglobal ycostosdemanufac-turaHabitualmente, los costos de manufactura representan aproximadamente uncuarenta por ciento del precio de venta de un producto. Reducir este precio con-lleva, por tanto, una serie de principio de diseoparalaproduccineconmica.Los que se estn siguiendo recientemente son los siguientes:- Eldiseo debe hacer que el producto sea tan simplecomo sea posible ensu manufactura, ensamblaje, desensamblaje y reciclaje.- Los materiales deben seleccionarse en funcin de sus caractersticas apro-piadas de manufactura.- Laprecisin dimensionalyelacabado supercialdebenespecicarse tanampliamente como sea posible, para minimizar los costes de manufactura.- Lasoperaciones secundarias ydeacabado delaspiezasdebenevitarseominimizarse, porque aumentan los costos de forma signicativa.1.Introduccinalafabricacin 111.9. ProduccinsobriaymanufacturagilLa produccin sobria o manufactura sobria consiste en un juicio crtico sobrecada una de las actividades de la empresa: la eciencia de sus diversas operacio-nes, la posible no necesidad de alguna de ellas, la eciencia de la maquinaria yequipo de produccin, y el nmero de personas involucradas en cada operacinparticular.Continaconunanlisiscompletodeloscostos decadaactividad,incluyendo aquellos debidos a la mano de obra productiva y no productiva.Este concepto requiere de un cambio fundamental en la cultura corporativa,as comoundiscernimientodelaimportanciadelacooperacinydel trabajoenequipo entrelaadministracinylafuerzade trabajo. Los resultados noredundannecesariamenteenunareduccindecostes; msbien, vandirigidoshacialaecienciaylarentabilidaddelaempresa, al eliminar todotipodedesperdicio de las operaciones y encarar los problemas de inmediato.La manufacturagil es untrmino que ha sido acuado par indicar el usodelos principios delaproduccinsobriaenunaescalaamplia. El principioqueyacetraslamanufacturagilesasegurarlaexibilidad enlaempresademanufactura, de forma que se pueda responder rpidamente a los cambios en lademanda del producto y en las necesidades de los clientes.1.10. Diseoymanufacturaambiental concon-cienciasocialEnEstadosUnidossolamente,todoslosaossedescartannuevemillonesdeautomviles y285millones dellantas; aproximadamente100millones dedichas llantas se reutilizan de diversas maneras. Todos los aos se desechan unoscincomil millonesdekilogramosdeproductosplsticos. Cadatresmeses, lasindustrias y los consumidores desechan suciente aluminio como para reconstruirla ota area comercial de todo el pas. En Alemania, todos los aos se desechan800.000 toneladas de televisores, radios y aparatos de computacin.Seestnproduciendomuchosavancesenrelacincontodoesto, yenlaindustria ha comenzado a emplearse el trmino diseoymanufacturaconcon-ciencia ambiental, lo que indica el amplio alcance del problema. Se est haciendoespecial nfasis en el diseo para el entorno (dfe) o diseo verde. Este procedi-miento anticipa el impacto ambiental negativo posible de materiales, productosy procesos, para que puedan tomarse en consideracin desde las primeras etapasdeldiseo de la produccin. Los objetivos principales son evitar la contamina-cin en la fuente y promover el reciclaje y reutilizacin en vez de la eliminacin.2Estas metas han llevado al concepto de Diseoparaelreciclaje.2Porejemplo, laobtencindel aluminioapartirdel desperdicio, enlugardel mineral delbauxita, cuestaslolaterceraparteyreduceel consumodeenergaylacontaminacinenmsdeun90 %.Tema2Introduccinalosprocesosdefabricacin2.1. Polmeros: estructura, propiedades generalesyaplicacionesAunque la palabra plsticos, que se utiliz por primera vez como sustan-tivoen1909,seempleademaneracomncomosinnimodepolmeros,losplsticos sonunodelosnumerososmaterialespolimricosytienenmolculasextremadamente grandes (macromolculas).Debido a sus muchas propiedades nicas y diversas, los polmeros han venidoreemplazandocadavezmsaloscomponentesmetlicosenaplicacionesparaautomviles, aeronaves civiles y militares, artculos deportivos, juguetes, enseresyaparatos domsticos, yequipodeocina. Estereemplazo reeja lasventajasque poseen los polmeros en funcin de las siguientes caractersticas: resistenciaa la corrosin y a los productos qumicos; baja conductividad elctrica y trmica;bajadensidad; elevadarelacinderesistenciaapeso, particularmentecuandosetratadeplsticoreforzado;reduccinderuido; ampliaseleccindecoloresytransparencias; facilidaddemanufactura yposibilidaddediseos complejos;costo relativamente bajo; y nalmente, algunas propiedades que pueden o no serdeseables dependiendo de la aplicacin, tales como resistencia y rigidez reducida,elevado coeciente de dilatacin trmica, bajo rango de temperatura til (hastaaproximadamente 350C), y menor estabilidad dimensional en servicio a travsdel tiempo.Lapalabraplsticoprovienedelgriegoplastikos, quesignicaaquelloquesepuedemoldear yconformar. Los plsticos sepuedenmaquinar, fundir,conformaryunirenmuchasformasconfacilidadrelativa.Serequierenopera-ciones mnimas adicionales en el caso de que se requiera alguna en absolutodeacabadosupercial; estacaractersticarepresentaunaventajaimportanteenrelacinconlosmetales.Losplsticosestndisponiblescomercialmenteenhojas, placas, pelculas, barras y tuberas de varias secciones transversales.14 2.2.ProcesosyequipoparalafundicindemetalesLa palabra polmero se utiliz por primera vez en 1866. Los primeros polme-ros se fabricaron con materialesorgnicosnaturalesprovenientes de productosanimales y vegetales; el ejemplo ms comn es la celulosa. Mediante varias reac-cionesqumicas, semodicalacelulosaconvirtindoseenacetatodecelulosa,quese utilizapara fabricar pelculasfotogrcas (celuloide),hojas para empa-quetarybrastextiles; ennitratodecelulosaparaplsticosyexplosivos; enrayn (unabra textildecelulosa) yenbarnices. Elprimer polmerosintticofueunfenol formaldehdo, untermoestabledesarrolladoen1906denominadobaquelita(nombre comercial segnL.H.Bckeland, 18631944).El desarrollo de la tecnologa de los plsticos modernos comenz en la dcadade 1920, cuando se empezaron a extraer las materias primas necesarias para lafabricacin de los polmeros del carbn y de los productos del petrleo. El etilenofue el primer ejemplo de materia prima y se convirti en el bloque constructivopara el polietileno. El etileno es el producto de la reaccin entre el acetileno y elhidrgeno; el acetileno es el producto de la reaccin entre el coque y el metano.Lospolmeroscomerciales, incluyendoelpolipropileno,elcloruro depolivinilo(pvc), polimetilmetacrilato, el policarbonato y otros son todos ellos fabricadosdeunamanerasimilar; estosmaterialesseconocencomopolmerosorgnicossintticos.2.2. Procesosyequipoparalafundicindeme-talesUno de los procesos ms antiguos de conformado1es el proceso de fundicin,que bsicamente conlleva el vaciado de metal fundido en la cavidad de un moldedonde,alsolidicarse, adquiere laformadelacavidad.Lafundicinseutilizporprimeravezalrededordel 4000a.C. paralamanufacturadeornamentos,puntas de echa de cobre y varios objetos ms.El proceso de fundicin es capaz de producir formas complejas en una solapieza, incluyendoaquellasconcavidadesinternas, comolosmonoblocks. Alolargodemuchsimosaos, sehandesarrolladomuchosprocesosdefundicin.Al igual queentodaformademanufactura, cadaprocesoposeesuspropiascaractersticas, aplicaciones, ventajas, limitaciones ycostos. Los procesos defundicinsonlosqueseseleccionanmsamenudo,encomparacinconotrosmtodos de manufactura, debido a las razones siguientes:Lafundicinpuedeproducirformascomplejasconcavidadesinternasocon secciones huecas.Puede producir piezas muy grandes.Puede utilizar materiales para la pieza de trabajo que seran difciles o noeconmicos de procesar utilizando otros procedimientos.1Ensentidoamplio, el conformado hacereferenciaatodatransformacinqueserealizasobre unelementomaterial paraproporcionarle unamodicacindeforma. Algunos auto-res, sinembargoKalpakjianentreellosaplicanel trminoensentidomsrestrictivo,vinculndoloexclusivamentealosprocesosdedeformacinplsticadematerialesmetlicos.2.Introduccinalosprocesosdefabricacin 15La fundicin es competitiva en comparacin con otros procesos.2.3. Procesos yequipoparael conformadoyelmoldeadoEl material inicial utilizado en el conformado y moldeado de los metales esusualmentemetalenestadolquido,queesvaciadoenlingotesindividualeso,ms recientemente, la colada continua de placas, varillas o tuberas. Adems delasestructurasfundidasytrabajadas,lamateriaprimaparalafabricacindeproductos puede consistir en polvos de metal. Para los plsticos, el material conquese iniciasoncomnmentepartculas (pellets),hojuelas opolvo, ypara loscermicos son arcillas y xidos, obtenidos de minerales o producidos de manerasinttica.Ntesequelaspalabrasformado ymoldeado aparecenjuntamenteenelttulo de este epgrafe. Aunque la diferencia entre ellas no es rgida, el modeladosereereal cambiodeformadeuncuerposlidoexistente. El cuerpoquesellamar pieza de trabajo o simplemente pieza en bruto o materia prima, puedeestar enformade placa, hoja, barra, varilla, alambreotuberade diversassecciones transversales.Los procesos de modeladopor lo general conllevan el moldeo y la fundicin.El producto resultante queda habitualmente en la forma nal o casi nal deseaday puede requerir poco o ningn acabado adicional.Algunas de estas operaciones de manufactura producen productos largos ycontinuos, comoplacas, hojas,tuberaybarrasconvariasseccionestransver-sales. Losprocesosdelaminado, extrusinyestiradosoncapacesdeelaborarestos productos a partir de materiales metlicos y no metlicos, incluyendo losplsticos reforzados; posteriormentesecortanalas longitudes deseadas. Porotra parte, los procesos tales como la forja, la metalurgia de polvos y la mayorparte de los procesos de modelado y de conformado para materiales no metlicosproducen productos discretos, como discos para turbina, engranajes y pernos.Una consideracin de importancia es la capacidad de trabajar y de modelarlosmateriales, o sea la cantidad mxima dedeformacin que puederesistir unmaterialsinfallar enunproceso especco deconformado ymodelado.Eltr-mino capacidadde trabajadopor lo general se aplica a procesos de deformacinvolumtrica(comoforja, laminadoyextrusin)enloscualeslasfuerzasapli-cadasalapiezadetrabajo sondenaturaleza predominantementecompresiva.En contraste, el trmino capacidad de conformado se utiliza habitualmente paraprocesos de formado de lmina como doblado, estampado, moldeado por esti-ramiento y embutido profundo donde las fuerzas aplicadas son principalmentede tensin.El laminado de productos planos y formados, el forjado de piezas discretas,laextrusin delargas piezas con varias secciones transversales yel estirado devarilla,alambre ytuboseconocencomoprocesosdedeformacinvolumtrica,16 2.4.Procesosdeformadodehojasolminasmetlicasporquelas piezas ylos productos tienenunarelacinrelativamentealtadevolumen a rea supercial o de volumen a espesor.2.4. Procesos de formado dehojas o lminasme-tlicasEl conformado de lmina data del 5000 a.C., cuando se fabricaban utensiliosdomsticos y joyera por repujado y estampado de oro, plata y cobre.En comparacin con los productos fabricados por fundicin y forja, las pie-zas demetallaminado tienenla ventaja depocopeso yforma verstil. Por subajocosteybuenascaractersticas generalesderesistenciayfacilidaddecon-formado,el aceroalbajocarbonoesel metalenformadelminaquemsseusa. Para aplicaciones en aviones y en naves espaciales, los materiales laminadosnormales son el aluminio y el titanio.2.5. Moldeoyconformadodeplsticos ymate-rialescompuestosLos plsticos sefundenocuranatemperaturas relativamentebajas; enconsecuencia,yadiferenciadelosmetales,sonfcilesdemanejaryrequierenmenos energa en su procesamiento. Sin embargo, las propiedades de las partesy los componentes de plstico estn muy inuidas por el mtodo de fabricaciny los parmetros de procesamiento, por lo que es importante el control adecuadode esas condiciones para obtener una buena calidad de la pieza.Los plsticos sesuelenembarcaralas plantas manufacturerasenformadepartculas(pellets)opolvos,ysefunden(enelcasodelostermoplsticos)inmediatamenteantesdel procesodemoldeo. Tambinseconsiguenenformadelmina, placa, varillaytubo, quesepuedenconformarparaobtenerunadiversidaddeproductos. Los plsticos enestadolquidoseusanenespecialpara fabricar partes de plstico reforzado.2.6. ProcesosyequiposparaunirAunque algunos productos se hacen de un solo componente, casi todos se en-samblan con componentes que fueron fabricados como piezas individuales. Aunlos productos relativamente sencillos consisten en al menos dos piezas distintasunidas por medio de varios mtodos.Unautomvilnormal,porejemplo,poseeunos15000 componentes;todosellossedebenarmarmediantediferentesmtodosdeunin. UnavinBoeing74400, por su parte, posee ms de seis millones de partes.2.Introduccinalosprocesosdefabricacin 17La unines un trmino genrico que cubre procesos como soldadura, lato-nado (soldadura fuerte), estaado (soldadura suave) y jacin mecnica. Estosprocesos son un aspecto importante y necesario de las operaciones de manufac-tura por las siguientes razones:Es imposible manufacturar el producto de una sola pieza.Es ms econmico fabricar productos en partes y unir despus las piezas.Losproductoscomolosmotoresdeautomvil, secadoresdepeloeim-presorasnecesitandisearsedeformatal quesepuedandesarmarparafacilitar el mantenimiento o la reparacin.Pueden necesitarse distintas propiedades para los nes funcionales del pro-ducto.Se puede facilitar, yser menos costoso, el transportedel productoencomponentes individuales, y ensamblarlos en la casa o la fbrica del cliente,que transportar el conjunto completo.Existe una considerable cantidad de formas de clasicar la enorme variedad deprocesos de unin disponibles. Aqu, sin embargo, se emplear la ltima clasi-cacin de la Sociedad Americana de Soldadura (aws).Segn esta, los procesosde unin entran en tres categoras principales: soldadura, unin adhesiva y suje-cin mecnica. A su vez, los procesos de soldadura se dividen en tres categorasbsicas: soldaduradefusin, soldaduraenestadoslidoysoldadurafuerteyblanda.Lasoldaduraporfusinsedenecomoel fundir conjuntamenteyhacercoalescermaterialesmedianteel calorquesesuelesuministrarpormediosqumicos o elctricos; pueden usarse o no materiales de relleno. Este procesoconstituye una parte principal de la soldadura; abarca la soldadura de arco conelectrodos consumibles o no consumibles y los procesos de soldadura con haz dealta energa. La unin soldada sufre cambios metalrgicos y fsicos importantesque,asuvez,tienenungran efectosobrelas propiedadesyelfuncionamientodel componente o estructura soldados.En la soldaduraenestadoslidola unin se hace sin fundir; en consecuen-cia, no hay fase lquida (fundida) en la unin. Las categoras bsicas son uninpor difusin y soldadura en fro, ultrasnica, por friccin, por resistencia y porexplosin.Launinpordifusin,combinadoconelconformadosuperplstico,sehaconvertido enunprocesoimportanteenlamanufacturadeformascom-plejas. Lalatonadoyel estaadousanmetalesderellenoeimplicanmenorestemperaturasqueenlasoldaduraporfusin; el calorrequeridosesuministraexteriormente.Laadhesinsehavueltounatecnologadeimportanciaporsusdiversasventajas; posee aplicaciones nicas que proporcionan resistencia, hermeticidad,aislamiento,amortiguamientodevibracionesyresistenciaalacorrosinentremetales distintos. Seincluyen en esta categora los adhesivos conductores elc-tricosparatecnologasdemontajesupercial. Lasujecinmecnicaconlleva18 2.7.Procesosymquinaspararemocindematerialmtodos tradicionales que usandiversos sujetadores, tornillos, tuercas y rema-ches. Se pueden unir plsticoscon adhesivos, fusin con diversas fuentes de calorinternas o externas, y con sujecin mecnica.2.7. Procesosymquinaspararemocindema-terialLas partes fabricadasconprocesosdefundido, conformadoymoldeado,quecomprendenmuchasdelasfabricadasconmtodosdeformacasi netaoneta, requierenconfrecuenciamsoperacionesantesdequeel productoestlistoparausarse. Adems, enmuchasaplicacionestcnicas, laspiezasdebenser intercambiables, para funcionar en forma correcta y able durante sus vidasesperadas de servicio.Elmaquinadoes eltrminoamplio para describir laremocindematerialdeunapieza, yabarcavariosprocesos,quesesuelendividirenlassiguientescategoras:Corte, que implica en general herramientas de corte de una o varias puntas,cada una con una forma bien denida de la herramienta.Procesosabrasivos, como el recticado.Procesos avanzados de maquinadoque usan los mtodos elctricos, qumi-cos, trmicos e hidrodinmicos, as como lseres.Losprocesosderemocindematerialsondeseablesohastanecesariosenlas operaciones de manufactura, por las siguientes razones:Mejorprecisindimensional cerradaque se puede requerir, respecto a laque se obtiene slo con los procesos de fundicin, formacin o moldeo.Las piezas pueden tener detallesgeomtricosexternos e internos, al igualque esquinas agudas y planitudes que no se pueden producir con los pro-cesos de formado y moldeado.Algunas piezas se someten a diversos tratamientos trmicos para mejorarsudureza yresistencia aldesgaste. Yaqueesas piezaspuedensufrirdis-torsiones y manchado supercial, por lo general requieren de operacionesdeacabadoadicionales, comorecticado,paraobtenerlasdimensionesyacabado supercial nales deseados.Laspiezaspuedenadquirircaractersticassuperciales especiales,ounatextura supercial que no se puede obtener por otros mtodos.Puede ser ms econmicomaquinar la pieza que fabricarla por otros pro-cesos, enespecial si la cantidad depiezas necesarias es relativamente pe-quea.2.Introduccinalosprocesosdefabricacin 19Contra estas ventajas, los procesos de remocin de material poseen ciertaslimitaciones.Los procesos de remocin, en forma inevitable, desperdician material, y engeneral requieren ms energa, capital y mano de obra que las operacionesde formado y moldeado. En consecuencia, se deben evitar hasta donde seaposible.Amenosquesehaganenformacorrecta, losprocesosderemocindematerial puedentenerefectosadversos sobrelacalidadsupercial ylaspropiedades del producto.Para eliminar un volumen de material de una pieza se necesita en generalmstiempoque para formarla por otros procesos.Losprocesosylasmquinasderemocindematerial sonindispensablesparalatecnologademanufactura.Desdequesecomenzaronausarentornoa1700, sehandesarrolladoenformacontinuamuchosprocesos. Hoysecon-sigueunadiversidaddemquinascontroladasporcomputadora, al igual quenuevas tcnicas que usan lseres y fuentes de energa elctrica, qumica, trmicae hidrodinmica.Con el maquinado se puede producir una variedad de formas. Las mquinasenqueseefectanoperacionesderemocindematerial suelendenominarsemquinasherramientas. Su construccin y caractersticas inuyen mucho sobreestasoperaciones ytambinsobre lacalidaddelproducto,acabado supercialy precisin dimensional.Esimportanteconsiderar lasoperaciones de maquinado ydemanufacturacomo un sistema, que consiste en la pieza,laherramientadecortey lamqui-na. Las operaciones de manufactura no se pueden llevar a cabo con eciencia yeconomasinconocerlasinteraccionesentreestoselementos.Entrelosnuevosdesarrollos estn los centros de maquinado, que son mquinas herramientas ver-stiles,controladas por computadoras ycapaces deejecutarcon ecienciaunadiversidad de operaciones de maquinado.Ademsdelosprocesosdemaquinado,existeunconjuntodeoperacionesqueseagrupanbajoel denominadorcomndeprocesosabrasivos. El ejemploms comn es una rueda de esmeril, en la que las partculas abrasivas se man-tienen unidas con un aglutinante. Entre otros ejemplos de operaciones abrasivasest el lijado con abrasivos de recubrimiento (papellija, lija esmeril), as comoel honeado, lapeado, pulido, lustrado, granallado y maquinado ultrasnico.Porrazonestcnicasyeconmicas, nosepuedenfabricaralgunaspiezas,enformasatisfactoria,medianteprocesosdecorteoabrasin. Desdeladca-da de 1940, se han producido desarrollos importantes en procesos avanzados demaquinado, como por ejemplo con medios elctricos, qumicos, trmicos e hidro-dinmicosparaeliminarmaterial.El maquinadoqumico, electroqumico,pordescarga elctrica, rayo lser, haz de electrones, chorro abrasivo e hidrodinmicose han vuelto procesos importantes en la actualidad.Tema3ConformacinpormoldeoI3.1. IntroduccinEl procesodefundicin consistebsicamenteenlosiguiente: (a) vaciarmetalfundidoenunmoldeconstruido siguiendolaformadelapiezaamanu-facturar; (b)dejar que se enfre, y (c)extraer el metal del molde.3.2. SolidicacindelosmetalesTras vaciar el metal fundidoenunmolde, ocurrenunaseriedeeventosdurante la solidicacin de la fundicin y su enfriamiento hasta la temperaturaambiente. Estoseventosinuenciandemaneraimportanteel tamao, forma,uniformidad y composicin qumica de los granos formados en toda la fundicin,lo que a su vez tiene inuencia sobre sus propiedades generales. Los factores dems importancia que afectan a estos eventos son el tipo de metal, las propiedadestrmicastantodel metal comodel molde, larelacingeomtricaentreelvolumen y el rea supercial de la fundicin y la forma del molde.Metalespuros Dadoqueunmetalpurotieneunpuntodefusin(odesoli-dicacin)claramentedenido,sesolidicaatemperaturaconstante.Despusde que la temperatura del metal fundido desciende hasta su punto de solidica-cin,latemperaturasemantieneconstantemientraselcalorlatentedefusinse disipa. El frente de solidicacin interfaz slido-lquido se mueve a travsdel metalfundido,solidicndosedesdelasparedesdelmoldehaciaelcentro.Unavezquelasolidicacinhaconcluidoentodoslospuntos, sereanudaelenfriamiento.Consideremos la estructura de grano de un metal puro fundido en un moldecuadrado. En las paredes del molde, que estn a temperatura ambiente, el metalseenfraconrapidez. Unrpidoenfriamientoproduceunapiel ocscaradegranos nos equidimensionales. Los granos crecen ensentido contrario al de latransferencia de calor a travs del molde. Los granos que tengan una orientacin22 3.2.Solidicacindelosmetalesfavorable crecern de manera preferencial, obtenindose as granoscolumnares.Conforme se reduce la fuerza impulsora de la transferencia trmica al alejar-se de las paredes del molde, los granos se hacen equiaxiales y grandes. Aquellosgranosquetenganorientacionessustancialmentedistintasquedanbloqueadoscontrauncrecimientoadicional.Estedesarrollo delosgranosseconocecomonucleacin homognea, lo que quiere decir que los granos o cristales crecen sobres mismos, a partir de la pared del molde.Aleaciones Enlasaleacioneslasolidicacinseiniciacuandolatemperatu-rasereducepordebajodelatemperaturalquidus (TL), ynalizacuandosealcanzalatemperaturaslidus (TS). Dentrodeesterangodetemperaturas,laaleacinestenunestadoblandoopastosocondendritascolumnares. Esnotoria la presencia de metal lquido entre los brazos de las dendritas. Las den-dritas tienen brazos yramas tridimensionales (brazos secundarios) que al nalseinterconectan. El estudiodelasestructurasdendrticas, aunquecomplejo,esimportanteporqueestasestructurascontribuyenafactoresnegativoscomovariaciones en la composicin, segregacin y microporosidad.El ancho de la zona blanda, donde estn presentes simultneamente las faseslquida y slida, es un factor importante durante la solidicacin. Esta zona sedescribeenfuncindeladiferenciadetemperatura, yseconocecomorangodesolidicacin (siendo=TL TS). Los metales purostienenunrangodesolidicacin que se acerca a cero, y en ellos el frente de solidicacin se muevecomo un frente plano, sin formar una zona blanda. Los eutcticossolidican demanera similar, con un frente aproximadamente plano.El tipodeestructuradesolidicacindesarrolladadependedelacompo-sicindel eutctico. Enaleacionesconundiagramadefasecasi simtrico, laestructuraesgeneralmente laminar,condosomsfasesslidaspresentes,de-pendiendodel sistemadealeacin. Cuandolafraccinvolumtricadelafasemenor de la aleacin es inferior a aproximadamente un 25 %, la estructura tien-deahacersebrosa. Estascondicionessonparticularmenteimportantesparaloshierrosfundidos. Paralasaleaciones, sehablaporlogeneral derangodesolidicacincortocuando la diferencia de temperaturas es de menos de50C,y de rangodesolidicacinlargocuando la diferencia es de ms de110C.Efectodelasvelocidadesdeenfriamiento Bajasvelocidadesdeenfria-mientootiemposdesolidicacinlocallargos dancomoresultadoestructurasdendrticas gruesas, con grandes espaciamientos entre los brazos dendrticos. Avelocidadesmsrpidasdeenfriamientootiemposdesolidicacinlocal cor-tos, laestructurasehacemsna, conunmenorespaciamientoentrebrazosdendrticos. Para velocidades de enfriamiento an ms elevadas, las estructurasdesarrolladas tienen carcter amorfo.Lasestructurasdesarrolladas yeltamaodegranoresultanteinuyenenlas propiedadesdelafundicin. Conformesereduceel tamaodegrano, seincrementanlaresistenciaylaductilidaddelaaleacinfundida, sereducelamicroporosidadloshuecosdecontraccininterdendrticosenlafundicin3.ConformacinpormoldeoI 23ydisminuyelatendenciadelapiezafundidaaagrietarseel llamadodesga-rramientoencalientedurantelasolidicacin. Lafaltadeuniformidadenel tamaoyenladistribucindel granodancomoresultadofundicionesconpropiedades anisotrpicas. Uncriterioquedescribelacinticadelainterfazlquido-slido es la relacinGR, dondeG es el gradientetrmico(valores tpicosde102103 Km)yReslarapidez alaquesemuevelainterfazslido-lquido(valores tpicos de104103 ms ).Relacionesentreestructuraypropiedades Lacomposicindelasdendritasydelmetallquidovienedadaporeldiagramadefasedelaaleacinparticu-lar. Cuandoseenfralaaleacinmuylentamente, ladendritadesarrollaunacomposicin uniforme. Sin embargo, bajo velocidades de enfriamiento normales(ms rpidas), que son las que se encuentran en la prctica, se forman dendritasnucleadas. La supercie de estas dendritas presenta una composicin distinta ala de sus ncleos; a esta diferencia se le llama gradientedeconcentracin.La supercie de la dendrita posee una concentracin de elementos de alea-cin ms elevada que el ncleo, debido al rechazo del soluto desde el ncleo hacialasuperciedurantelasolidicacindeladendrita(microsegregacin). Cercadelas racesdeladendritaexisteunaconcentracinmselevadadesoluto.Adiferenciadelamicrosegregacin, lamacrosegregacinconllevadiferenciasdecomposicinentodalapiezafundida. Ensituacionesenlasqueel frentedesolidicacin sealejadelasuperciedelafundicincomo frenteplano, losconstituyentesconmenorpuntodefusinenlaaleacinsonempujadoshaciaelcentro (segregacinnormal ).Enestructuras dendrticas como las quese en-cuentran en las aleaciones de solucin slida ocurre lo contrario: el centro de lafundicin tiene una menor concentracin de elementos de aleacin (segregacininversa). La razn estriba en que el metal lquido que tiene una concentracinms alta de elementos de aleacin entra en las cavidades desarrolladas debidoacontraccinporsolidicacinenlosbrazosdendrticosquesehanformadoanteriormente. Por ltimo, la segregacinporgravedades un proceso medianteel cual lasinclusionesocompuestosdedensidadmselevadasehundenyloselementos ms ligeros otan hacia la supercie.Laestructuratpicadeunapiezafundidaconstadeunazonainternadegranos equiaxiales. Esta zona interna se puede extender por toda la fundicin alaadir un inoculanteo agente de nucleacina la aleacin. El inoculante inducela nucleacin delos granos por todo el metal lquido (nucleacinheterognea).Debidoalapresenciadegradientestrmicosenunamasaensolidicacindemetal lquido, y debido a la gravedad y las diferencias de densidad resultantes,laconveccinposeeunafuerteinuenciasobrelasestructurasquesedesarro-llan. Laconveccinpromuevelaformacindeunazonadeenfriamientoexte-rior,renaeltamaodegranoyaceleralatransicindegranos columnaresaequiaxiales. Incrementandolaconveccindentrodel metal lquido, losbrazosdendrticos se separan (multiplicacin de dendritas). La reduccin o eliminacinde la conveccin da como resultado granos columnares dendrticos ms largos yms grandes.Los brazos dendrticosnoson demasiado fuertes,yenlasprimeras etapasdelasolidicacinsepuedenromperporagitacinoporvibracinmecnica24 3.3.Flujodeluido(formadosemislidodemetal y reofundicin).Este proceso da como resultadountamaodegrano msno,congranosnodendrticosequiaxiales distribui-dos ms uniformemente en toda la fundicin. Se puede aumentar la conveccinempleando mtodos mecnicos o electromagnticos.3.3. Flujodel uidoEl metalfundidosevacaatravsdeundepsitoenformadecopa. Des-pus uye a travs del sistema de alimentacin(bebedero, mazarotas y canalesdealimentacin)enlacavidaddel molde. El bebederoesuncanal vertical atravsdelcualelmetalfundidouyehaciaabajoenelmolde.Loscanalesdealimentacinson canales delmolde, que conectan el bebedero con losataques.Estos ltimos son la porcin del canal de alimentacin a travs del cual el metalfundido entra en la cavidad del molde. Finalmente, las mazarotasactan comodepsito para suministrar el metal fundido necesario para evitar la contraccindurante la solidicacin.Para que la fundicin sea correcta, se requiere de un diseo y control apro-piado del proceso de solidicacin para asegurar un adecuado ujo del uido ha-cia el sistema. El sistema de alimentacin debe evitar o, al menos, minimizarlos problemas, tales como el enfriamiento prematuro, la turbulencia y las tram-pasdegas.Antesdequelleguealacavidaddelmolde,elmetalfundidodebeser manejado cuidadosamente para evitar laformacin dexidos enlassuper-ciesdelmetalfundidodebidaalaexposicin alambienteo alaintroduccinde impurezas enel metal fundido.En eldiseo delos canales de alimentacin,sondeintersdosprincipiosbsicosdelamecnicadeuidos: el teoremadeBernouilli y la ley de continuidad de masa.TeoremadeBernouilli La conservacin de la energa requiere que,en un de-terminado tramodel sistema, se satisfaga la relacin:h1 +p1g+v212g= h2 +p2g+v222g+f,dondefrepresentalaprdidaporfriccinenellquidoalmoversestahaciaabajo a travs del sistema. La prdida por friccin incluye factores como prdidade energa en las interfases lquido-pared del molde y turbulencia en el lquido.Continuidad Lacontinuidaddel movimientoexigequesecumplalarelacinQ=A1v1=A2v2.Unaaplicacin deesteprincipioeseldiseotradicional delos bebederos en forma de cono truncado. Suponiendo que la presin en la partesuperiordel bebederoesigual alapresinenlaparteinferioryquenohayprdidasporfriccin, larelacinentrealturayreatransversal encualquierpunto del bebedero est dada por la relacin parablica:A1A2=_h2h13.ConformacinpormoldeoI 25Si diseamosunbebederoconreatransversalconstanteyvaciamosme-talfundidoenelmismo,puedendesarrollarse regiones dondeellquidopierdacontactoconlasparedesdelbebedero.Comoresultado deello,puededarseelfenmenodelaaspiracin, unprocesomedianteel cual sesuccionaaireoseatrapa aire en el lquido. Por otra parte, los bebederos cnicos estn siendo hoyenda reemplazados enmuchos sistemas por bebederos delados rectos con unestranguladorpara permitir que el metal uya con suavidad.Caractersticas del ujo Una consideracin de importancia en el ujo del uidoen los sistemas de alimentacin es la presencia de turbulencia, en contraposicinal ujolaminar delosuidos. Utilizamosel nmerode Reynolds, Re, paracuanticar este aspecto del ujo y del uido; representa la relacin de la inerciaalasfuerzasviscosasen el ujo de uido y se dene como sigue,Re =vDdonde veslavelocidaddel lquido, Des el dimetrodel canal yysonladensidady laviscosidad dellquido,respectivamente. Mientras mselevadosea este nmero, mayor ser la tendencia a un ujo turbulento. En sistemas dealimentacin ordinarios, Re tiene valores de 200020000.UnvalordeRedehasta2000representaunujolaminar; entre2000y20000 representa una mezcla de ujo laminar y turbulento. Este tipo de mezclaseconsiderainofensivaenlossistemasdealimentacin. Sinembargo, valoresdeReporencimade20000representanunaseveraturbulencia, dandocomoresultadoel atrapamientodeaireylaformacinescorialaespumaqueseforma en la supercie del metal fundido debido a la reaccin del metal lquidoconel aireyotrosgases.Lastcnicasparaminimizarlaturbulenciasebasanenevitarloscambiossbitosenladireccindelujoyenlageometra delassecciones transversales del canal en el diseo del sistema de alimentacin.Laespumaoescoriasepuedeeliminarcasicompletamenteslomediantelafundicinalvaco.Lafundicinatmosfricaconvencionalreducelaespumaoescoriamedianteel desnatado, el usoapropiadodecopasdevaciadoydecanalesdealimentacin, omedianteeluso deltros. Porlogeneral, losltrosestn hechos de cermica, mica o bra de vidrio y es importante su colocacinylocalizacincorrectaparaunltradoefectivodelaespumaydelaescoria.Los ltros tambin pueden eliminar el ujo turbulento en el sistema de canalesde alimentacin.3.4. Fluidezdel metal fundidoLa capacidad del metal fundido para llenar las cavidades del molde se conocecomouidez. Dependeprincipalmentededos factores: lascaractersticasdelmetal fundido y los parmetros del vaciado. Las ms importantes caractersticasdelmetalfundidoson las siguientes:26 3.5.TransferenciadecalorViscosidad. Conformeseincrementalaviscosidadysusensibilidadalatemperatura (ndicedeviscosidad)se reduce la uidez.Tensinsupercial. Unaelevadatensinsupercialdelmetallquidore-duce la uidez. Por ello, las pelculas de xido sobre la supercie del metalfundido tienen un efecto adverso sobre aquella.Inclusiones. Comopartculasinsolubles, lasinclusionespuedentenerunefecto adverso signicativo sobre la uidez.Patrn de solidicacinde la aleacin. La uidez es inversamente propor-cional al rango de solidicacin.Porsuparte, losparmetrosdevaciadoquemsinuenciaposeenenlauidez son:Diseodelmolde.Material del molde y caractersticas superciales del mismo. Mientras mselevadasealaconductividadtrmicadel moldeymssperasseanlassupercies del mismo, menor ser la uidez del material fundido. No obs-tante, el calentamientodel moldemejoralauidez, alargael tiempodesolidicacindel metal ylafundicindesarrollagranosgrandes y, portanto, una menor resistencia.Grado de supercalentamiento. Se dene como el incremento de la tempera-tura por encima del punto de fusin de la aleacin; el supercalentamientomejora la uidez al retrasar la solidicacin.Velocidaddevaciado.Mientras ms lenta sea la velocidad de vaciado delmetal fundidoenel molde, mejorserlauidezdebidaaunavelocidadde enfriamiento ms alta.Transferencia de calor. Este factor afecta de manera directa a la viscosidaddel metal lquido.Apesardequelasinterrelacionessoncomplejas,emplearemosel trminogeneraldecolabilidad ocapacidaddefundicinparadescribirlafacilidadconla que se puede vaciar un metal para obtener una pieza de buena calidad.Pruebas de uidez Se han desarrollado varias pruebas para cuanticar la ui-dez, aunque ninguna de ellas es de aceptacin universal. En una de estas pruebas,se hace que el metal fundido uya a lo largo de un canal que est a temperaturaambiente. La distancia que recorre el metal antes de solidicarse y detenerse esuna medida de su uidez.3.5. TransferenciadecalorUnaconsideracindeimportanciaenlafundicines latransferenciadecalor duranteel ciclocompleto, desdeel vaciadohastalasolidicacinyel3.ConformacinpormoldeoI 27enfriamientohastatemperatura ambiente.Elujodecalor endiferentessitiosdel sistema es un fenmeno complejo y depende de muchos factores relacionadoscon el material de fundicin y los parmetros del molde y el proceso.La distribucin tpica de temperatura en la interfase lquido-metal del moldeeslasiguiente: el calordel metal lquidoesdisipadoatravsdelapareddelmoldeydel airecircundante. Lacadadetemperaturaenlasinterfasesaire-molde y molde-metal est causada por la presencia de capas lmite y un contactoimperfecto en dichas interfases. La forma de la curva depende de las propiedadestrmicas del metal fundido y del molde.Tiempodesolidicacin Durantelasprimeras etapasdelasolidicacin, seempieza a formar una pelcula delgada solidicada en las paredes fras del moldey, conforme pasa el tiempo, dicha pelcula se hace ms gruesa. Con paredes demolde planas, este espesor es proporcional a la raz cuadrada del tiempo.Eltiempodesolidicacinesfuncindelvolumendelafundicinydesureasupercial(reglade Chvorinov);setienequets=C_VA_2,dondeCesuna constante que depende del material del molde, de las propiedades del metaly de la temperatura. As se puede demostrar que un metal fundido en un moldedeforma cbicasesolidicar msaprisa queenunmoldeesfricodelmismovolumen.Contraccin En razn a sus caractersticas de dilatacin trmica, los metalesse encogen o contraen durante la solidicacin y el enfriamiento. La contraccin,que causa cambios dimensionales y, algunas veces, agrietamiento, es el resultadodetresprocesosdiferentes:lacontraccindelmetalfundidoalenfriarseantesde su solidicacin; la contraccin del metal duranteel cambio de fase de lqui-doaslido, ylacontraccindel metal solidicado(lafundicin)conformesutemperatura baja hasta la ambiental.3.6. DefectosEnelprocesodemanufacturasepuedenpresentarvariosdefectos, depen-diendo de factores como los materiales, el diseo de las piezas y las tcnicas desuprocesamiento. Dadoqueenelpasado sehanempleadonombres diferentespara denir el mismo defecto, el International Committee of Foundry TechnichalAssociations hadesarrollado unanomenclaturaestndarqueconsisteensietecategoras bsicas de defectos de fundicin. Son los siguientes:Proyeccionesmetlicas,formadas poraletas, rebabas oproyecciones ma-sivas como ondulaciones y supercies speras.Cavidades, formadas porcavidades redondeadas osperas internas oex-puestas, incluyendo sopladuras, porosidad y cavidades de contraccin.28 3.6.DefectosDiscontinuidades, como grietas, grietas en caliente o en fro y puntos fros.Si al metal en solidicacin se le restringe su libre contraccin, puede ocu-rrirelagrietamiento yeldesgarramiento. Untamaodegrano grandeyla presencia de segregados de bajo punto de fusin a lo largo de las fron-terasdegrano(intergranular)incrementalatendenciaal agrietamientoporcalor.El puntofroesunainterfaseenunafundicinquecarecedeuna fusin completa debido a la unin de dos corrientes de metal lquidoprovenientes de puertas diferentes.Superciedefectuosa, comosonpliegues, traslapes, cicatrices, capas dearena adheridas y cascarilla de xido.Fundicinincompleta, tal como la falta de llenado debida a una solidi-cacin prematura, volumen insuciente de metal vaciado y fugas.Dimensionesoformasincorrectas,debido afactores tales como unaina-decuada tolerancia de contraccin, un error en el montaje del modelo, unacontraccinirregular,unmodelodeformadoounafundicintorcidaporla liberacin de esfuerzos residuales.Inclusiones, que se forman durante la fusin, solidicacin y moldeo. Porlo general de naturaleza no metlica, se consideran perjudiciales como ele-vadorasdelesfuerzo,yreducenlaresistenciadelafundicin. Sepuedenltrarpartculasdehasta30micrasduranteel procesamientodel metalfundido.Durantelafusinsepuedenformar inclusiones cuandoelmetalfundidoreacciona con el entorno (oxgeno, por lo general) o con el mate-rial del crisol o del molde. Las reacciones qumicas entre los componentesdel metal fundidopuedenproducirinclusiones; lasescoriasyotrosma-teriales extraos atrapados enel metal fundidotambinse convierten eninclusiones. El desmoronamiento de las supercies del molde y del corazntambin produce inclusiones, lo que indica la importancia de la calidad delos moldes y de su mantenimiento.Porosidad La porosidaden una fundicin puede estar causada por contraccin,por gases o por ambos factores. La porosidad es perjudicial para la ductilidad deuna fundicin y para su acabado supercial, hacindola permeable y afectandoas, por ejemplo, a la compacidad de un recipiente a presin fundido.Sepuedendesarrollar regionesporosas enlasfundicionesdebidoalacon-traccindel metal solidicado. Puedendesarrollarseregiones porosas ensuspartes centrales, pues debido a contraccin conforme las supercies de la reginmsgruesaempiezanasolidicarseprimero. Tambinsepuededesarrollarlamicroporosidadcuando el metal lquido se solidica y se contrae entre dendritasy entre ramas dendrticas.La porosidad causada por contraccin puede reducirse o eliminarse emplean-dovariosprocedimientos.Elusodeenfriadoresmetlicosinternosoexternos,en fundiciones de arena, es tambin un medio efectivo para reducir la porosidadporcontraccin. Lafuncindelosenfriadoresesincrementarlavelocidaddesolidicacin en regiones crticas.3.ConformacinpormoldeoI 29Enlasaleaciones,laporosidadsepuedereduciroeliminarhaciendomsabrupto el gradiente de temperatura. Por ejemplo, se pueden emplear materialespara el molde con una conductividad trmica ms elevada. Los metales lquidostienen una solubilidad mucho ms grande para los gasesque los metales slidos.Cuando un metal se empieza a solidicar, los gases disueltos son expulsados dela solucin.Losgasesdisueltospuedensersacadosdel metalfundidomediantelava-dosopurgasconungasinerte,ofundiendoyvaciandoelmetalenel vaco.Si elgasdisueltoesoxgeno,el metalfundidosepuededesoxidar. El acerosedesoxidahabitualmenteutilizandoaleacionesdealuminio, silicioycobreconmateriales que contengan cobre, titanio y circonio fosforado.Puede resultar difcil determinar si la microporosidad es resultado de la con-traccin o ha sido causada por gases. Si la porosidad es esfrica con paredes lisas,habitualmente se debe a los gases. Si las paredes son speras y angulares, es pro-bable que la porosidad provenga de contraccin entre dendritas. Una porosidadgrande proviene de la contraccin; se la denomina cavidadporcontraccin.Tema4ConformacinpormoldeoII4.1. IntroduccinEste tema se desarrollar siguiendo las clasicaciones principales de las prc-ticas de fundicin. Estas clasicaciones estn relacionadas con el material de losmoldes, los procesos de moldeo y los mtodos para alimentar el molde con metalfundido. Las principales categoras son:Moldesdesechables,fabricados conarena, yeso, cermica ymateriales si-milares.Porlogeneral,vanmezcladosconvariosaglutinantes oagentesdeunin. Estosmaterialessonrefractarios, i.e., soncapacesderesistirlas elevadas temperaturas de los materiales fundidos. Una vez solidicadala pieza colada, en estos procesos el molde se rompe para retirar la piezafundida.Moldespermanentes, hechos de metales que conservan su resistencia a al-tastemperaturas. Seutilizandemanerarepetidayestndiseadosdeforma que la pieza colada pueda ser retirada con facilidad y el molde pue-daserreutilizadoenlasiguientecolada. Dadoquelosmoldesdemetalsonmejoresconductoresdelcalorquelosmoldesdesechablesnometli-cos,lapiezafundida,alsolidicarse, quedasometidaaunavelocidaddeenfriamiento ms elevada, lo que a su vez afecta a la microestructura y altamao del grano.Moldescompuestos, fabricadoscondosomsmaterialesdistintos, talescomo arena, grato y metal, combinando las ventajas de cada uno.4.2. FundicinenarenaEl mtodotradicionaldevariadodemetalesesenmoldesdearena,yasse ha usado desde hace milenios. La fundicinen arenaconsiste en: (a)colocarun modelocon la forma de la pieza deseada en arena para crear una impresin;(b)incorporarunsistemadealimentacin;(c)llenarlacavidadresultantede32 4.2.Fundicinenarenametal fundido; (d) dejar que el metal se enfre hasta que solidique; (e) romperel molde de arena, y (f )retirar la pieza fundida.4.2.1. ArenasLa mayor parte de las operaciones de fundicin en arena usan arena de slice(Si O2), que es el producto de la desintegracin de rocas a lo largo de perodosdetiempoextremadamentelargos. Laarenaes econmicayadecuadacomomaterial para el molde, debido a su resistencia a altas temperaturas. Existen dostipos generales de arena: la naturalmente unidao arenadebancoy la sintticaoarenadelago.En vista de que su composicin se puedecontrolar con mayorprecisin, la mayor parte de las fundidoras preeren la arena sinttica.Son importantes varios factores en la seleccin de la arena para los moldes.La arena con granos nos y redondos se puede prensar ms y forma una super-cie lisa en el molde. Aunque la arena de grano no aumenta la resistencia delmolde, los granos nos tambin reducen su permeabilidad. Los moldes y corazo-nes con buena permeabilidad permiten la fcil salida de los gases y vapores quese presentan durante la fundicin.El molde debe tener tambin una buena co-lapsabilidadpara permitir que la pieza fundida se contraiga al enfriarse y evitaras defectos en el colado, como grietas en caliente y agrietamientos.Seutilizanmezcladoras paraintegraruniformeycompletamentelaarenacon los aditivos. Para unir las partculas de arena, dndole resistencia, se utilizala arcilla (bentonita) como aglutinante. A menudo se utilizan arenas de circonio(ZrSi O4),olivino(Mg2Si O4)ysilicatodehierro(Fe2Si O4)enfundidorasdeacerodebidoasubajadilatacintrmica. Lacromita(FeCr2O4) seutilizadebido a sus elevadas caractersticas de transferencia trmica.4.2.2. TiposdemoldesdearenaLos moldes de arena se clasican segn los tipos de arena que los forman ylos mtodos utilizados para su produccin. Existen tres tipos bsicos de moldesde arena: arena verde, caja fra y moldes no cocidos.Elmaterialdemoldemscomneslaarenademoldeoverde,queesunamezcladearena,arcillayagua.Eltrminoverdesereerealhechodequeal vaciarse el metal en su interior, la arena en el molde est hmeda. El moldeocon arena verde es el mtodo ms econmico de fabricacin de moldes.En el mtodo de pelcula seca, las supercies del molde se secan, ya sea alma-cenando el molde al aire o secndolo con soplete. Debido a su mayor resistencia,estos moldes se utilizan generalmente en fundiciones grandes.Losmoldesdearenatambinsesecanenhornoantesdevaciarel metalfundido; son ms resistentes que los moldes de arena verde y le dan mejor pre-cisin dimensional y acabado supercial a la colada. Sin embargo, este mtodotieneinconvenientes: esmayorladistorsindel molde, lasfundicionestienenmayortendenciaasufrirgrietasencalientedebidoalamenorcolapsabilidad4.ConformacinpormoldeoII 33del molde, y la tasa de produccin es ms lenta en razn del tiempo de secadorequerido.En el proceso de molde de caja fra, se mezclan varios aglutinantes orgnicoseinorgnicos enlaarenaparaunirqumicamentelosgranos,decaraaqueelmolde posea una mayor resistencia.En el proceso de molde no cocido, se mezcla una resina sinttica lquida conlaarena; lamezcla se endurecea la temperatura ambiente. Dadoque launindel molde en este proceso y en el de caja fra ocurre sin calor, estos procesos seconocen como procesos de curadoenfro.Los principales componentesde los moldes de arena son los siguientes:El molde mismo, que est soportado por una cajademoldeo.Copadevaciadoo basn, en el cual se vaca el metal fundido.Un bebedero, a travs del cual el metal fundido uye hacia abajo.El sistemadealimentadores, quesoncanalesquellevanel metal coladodesdelamazarota alacavidaddelmolde.Lasentradas alacavidaddelmolde se denominan ataques.Lasmazarotas, quesuministranmetaladicionalalafundicinconformesta se contrae durante la solidicacin.Corazones, que son insertos hechos de arena. Se colocan en el molde paraformar oquedades o de alguna otra manera para denir la supercie inte-rior de la fundicin. A veces se utilizan tambin en la parte exterior paraformar caractersticas diversas: letras, barrenos ciegos, etctera.Respiraderos, que se colocan en los moldes para extraer los gases produci-dos cuando el metal fundido entra en contacto con la arena en el molde yelcorazn. Tambin dejansalir elaire dela cavidad delmoldeconformeel metal fundido uye dentro del mismo.4.2.3. ModelosLos modelos seutilizanparamoldear lamezcladearenaalaformadelafundicin. Puedenestar hechos demadera, plsticoometal. Laseleccindelmaterialdelmodelodependedeltamaoydelaformadelafundicin,laprecisin dimensional, la cantidad de coladas requeridas y el proceso de moldeo.A n de reducir el desgaste en regiones crticas, pueden ser fabricados con unacombinacindemateriales.Porlogeneral, losmodelossonrecubiertosporunagenteseparadorpara facilitar su extraccin de los moldes.Losmodelossepuedendisearconunadiversidaddecaractersticasqueseadecuenalaaplicacinyalosrequerimientoseconmicos.Losmodelosdeunasolapieza, tambinconocidoscomopatronessueltososlidos, seutilizangeneralmente para formas simples y produccin de bajo volumen. Normalmente,34 4.2.Fundicinenarenase hacen de madera y son poco costosos. Los modelos divididosson de dos piezas,fabricadosdemaneraquecadaparteformeunaporcindelacavidadparalafundicin; deestamanerasepuedenproducirformasfundidasconformascomplicadas.El diseo del modelo es un aspecto vital de la operacin total de la fundicin.El diseodebepreverlacontraccindel metal, lafacilidaddeextraccindelmolde de arena mediante ngulosdesaliday un ujo adecuado del metal en lacavidad del molde.4.2.4. CorazonesLoscorazones secolocanenlacavidaddelmoldeantesdelacoladaparaformar las supercies interiores de la misma y son extrados de la pieza termina-da durante la limpieza y procesamiento posteriores. Al igual que los moldes, loscorazones debentener resistencia, permeabilidad, capacidad de resistir el calory colapsabilidad; por tanto, se fabrican con compuestos de arena.El coraznsejamedianteplantillas decorazones. stassegeneranporrecesos que se agregan al modelo para soportar el corazn y proporcionar venti-laciones para el escape de los gases. Un problema comn que poseen los corazoneses que, para ciertos requisitos de fundicin, como en el caso en el que se requiereunreceso, puedencarecerdesuperciedesoporteestructural enlacavidad.Para impedir que se muevan, se pueden utilizar soportespara anclar el coraznen su sitio.Porlogeneral, loscorazonessefabricandemanerasimilaralosmoldes;lamayor partesehaceutilizandoprocesos demoldesencscara, nococidosodecaja fra.Los corazones seforman encajasdecorazones,queseutilizandemaneramuysimilaralosmodelosparaformarlosmoldesdearena.Laarenasepuedecompactar enlascajasconapisonadores osoplarla dentrodelacajamediante aire comprimido a travs de sopladores de corazn. Esto ltimo ofreceventajas de lograr corazones uniformes y velocidades de produccin muy altas.4.2.5. Mquinasparael moldeodelaarenaEl mtodomsantiguoconocidodemoldeoquesesigueutilizandoparafundiciones simples, es compactar laarenapresionndolaconlamano(api-sonamiento)ocompactarlaalrededordel modelo. Paralamayorpartedelasoperaciones, sin embargo, la mezcla de arena se compacta alrededor del mode-loutilizandomquinasdemoldeo.Estasmquinas eliminanhoras demano deobra, ofrecen fundiciones de alta calidad al mejorar la aplicacin y distribucindelasfuerzas,manipulanelmoldedeunamaneracuidadosamente controladae incrementan la velocidad de produccin.La mecanizacin del proceso de moldeo puede ser asistida por apisonamientodel conjunto. Lacajademoldeo, laarenadel moldeyel modelosecolocanenprimertrminoenunaplacamodelomontadaenunyunque, ydespuses4.ConformacinpormoldeoII 35apisonadahaciaarribaconpresinde aireaintervalos rpidos. Las fuerzasdeinerciacompactanlaarenaalrededordel modelo. El apisonadoproducelacompactacin ms elevada en la lnea de particin horizontal, en tanto que en lacompactacin porplaca para lacompresin esmselevada enlazona cercanaalaplaca, por loquesepuede obtener unacompactacinms uniformealcombinar la compresin y el apisonado.Enel modelovertical sincaja, lasmitadesdel modeloformanunapareddecmaraverticalcontralacual sesoplaysecompactalaarena. Luego,lasmitadesdel moldeseunenhorizontalmente, conlalneadeposicinorienta-daverticalmentemovindosealolargodeuntransportadordevaciado. Estaoperacinessimpleyeliminalanecesidaddemanejarcajasdemoldeo, per-mitiendovelocidadesdeproduccinmuyelevadas,particularmentecuandoyaestnautomatizadosotrosaspectosdelaoperacin. Loslanzadores dearenallenan la caja de moldeo de manera uniforme con la arena en un chorro de altapresin, a velocidades tan altas que la mquina no slo coloca la arena, sino quela compacta apropiadamente.Enel moldeoporimpacto, laarenasecompactamedianteunaexplosincontroladaomediantelaliberacininstantneadegasescomprimidos. Enelmoldeo por vaco, tambinconocidocomoel procesoV, el modelose cubrecompletamente con una hoja delgada de plstico. Se coloca un cajn de moldeosobreel modelorecubiertoysellenaconarenasecasinaglutinante. El vacoendurecelaarena, deformaquesepuedaretirarel modelo; deestemodosefabrica cada una de las mitades del molde, que posteriormente se ensamblan.Unavezsolidicado elmetal,seeliminaelvacoylaarenacae,liberandolafundicin. El moldeoporvacoproducecoladascondetalledealtacalidady precisin dimensional. Es especialmente adecuado para fundiciones grandes yrelativamente planas.4.2.6. LaprcticadelafundicinenarenaUnavezformadoel moldeycolocadosloscorazonesensusitio, lasdosmitades (moldes superior e inferior) se cierran, se sujetan y se les colocan pesosencima. Esto ltimo se hace para impedir la separacin de las secciones del moldedebido a la presin ejercida cuando se vaca el metal fundido en la cavidad delmolde.Despus delasolidicacin, sesacudelapiezafundidasacndoladesumolde, yporvibracinomediantechorrodearena, seeliminanlascapasdearenayxidoadheridasalafundicin. Lasfundicionesdehierrotambinselimpiancon chorro degranalla deacero o arena. Las mazarotas ylossistemasdealimentacinsecortanporcorteconoxicombustiblegas, sierra, cizallasydiscosabrasivos,osonrecortadosentroqueles. Lasmazarotasylossistemasdealimentacinenlasfundicionesdeacerotambinsoneliminadosutilizandopistolasdearcodecarbonoenaireoinyeccindepolvo. Lasfundiciones sepuedenlimpiar por mtodos electroqumicos opor ataquequmico, andeeliminar los xidos superciales.36 4.3.MoldeoencscaraoenconchaLaprecisindimensional delafundicinenarenanoestanbuenacomoen otros procesos de fundicin. Sin embargo, con este proceso se pueden fundirformas complicadas tales comomonoblocks de hierrofundidoyhlices muygrandes para los trasatlnticos. La fundicin en arena puede ser econmica paralotes de produccin relativamente pequeos, y los costos por concepto de equiposon, por lo general, bajos.Si algunas regiones de la fundicin no se han formado correctamente o se hanformado de manera incompleta, se pueden reparar los defectos rellenndolos consoldadura adecuada. Las fundiciones enmoldedearena tienen,por logeneral,supercies speras ygranuladas, dependiendodela calidaddelmoldeydelosmateriales utilizados.La pieza colada puede entonces tratarse trmicamente, a n de mejorar cier-tas propiedades necesarias para el uso de servicio pretendido. Las operaciones deacabado pueden incluir el enderezar a mquina, o el forjado con dados para ob-tener las dimensiones nales. Tambin las imperfecciones superciales menorespueden llenarse con un epoxi cargado de metal, especialmente para fundicionesde hierro colado, que son difciles de soldar.4.3. MoldeoencscaraoenconchaElmoldeoencscaraoconchasedesarroll porprimera vezenladcadade1940, yhacrecidodemanerasignicativadesdeentonces, yaquesepue-denproducirabajocostemuchostiposdefundicinconestrechastoleranciasdimensionalesyunbuenacabadosupercial. Laparteinicial deesteprocesoconstadevariospasos: (a)unmodelomontadohechoconunmetal ferrosoode aluminio se calienta a 175370C; (b)el modelo es recubierto con un agenteseparador, como por ejemplo silicona, y (c)se sujeta a una caja o una cmara.La caja contiene arena na mezclada (a un 2,54,0 por ciento) con un aglu-tinante de resina termoestable (como el fenolformaldehdo), que recubre las par-tculas de arena. La caja se voltea o la mezcla de arena se sopla sobre el modelo,permitiendo que la arena lo recubra.Todo el conjunto se coloca entonces en un horno durante un corto perodo detiempo, para completar el curado de la resina. En la mayor parte de las mquinasde moldeo en cscara, el horno es una caja metlica con quemadores de gas, quegiran sobre el molde de cascarn para curarlo. El cascarn se endurece alrededordel modelo y es retirado de ste mediante bujes de eyeccin incorporados. De estamanera se hacen dos medios cascarones, que se pegan o juntan en preparacinpara el vaciado.El espesor del cascarn se puede determinar con precisin mediante el con-troldeltiempoqueelmodeloestencontactoconelmolde.Deestamanera,se puede formar un cascarn con la resistencia y la rigidez requeridas para quesoporteel pesodel lquidofundido. Loscascaronessonligerosydelgados, yen consecuencia sus caractersticas trmicas son distintas de las de moldes msgruesos.4.ConformacinpormoldeoII 37La arena delcascarn tieneunamucho menor permeabilidad quela arenaque se utiliza para el moldeo en arena verde, ya que el moldeo en cscara utilizauna arena con un tamao de grano mucho ms pequeo. La descomposicin delaglutinante del cascarn de arena tambin produce un elevado volumen de gas; amenos que los moldes estn correctamente ventilados, el aire y el gas atrapadospueden causar serios problemas en el moldeo en cscara de fundiciones ferrosas.Las paredes del molde son relativamente lisas, ofreciendo poca resistencia alujo de metal fundido y produciendo piezas con esquinas ms agudas, seccionesmsdelgadasyproyeccionesmspequeasdeloqueesposibleenmoldesdearena verde. El costo de los aglutinantes de resina queda compensado en partepor el hecho de que solamente se necesita una vigsima parte de la arena utilizadaen la fundicin en arena. El costo relativamente elevado de los modelos de metalse convierte en un factor de poca importancia conforme se incrementa el tamaode los lotes de produccin.Laelevadacalidaddelapiezaterminadapuedereducirdemanerasigni-cativaloscostosdeacabado,maquinadoyotros.Sepuedenproducirformascomplejas conmenos manodeobra, ysepuedeautomatizar el procesoconrelativa facilidad. Las aplicaciones del moldeo en cscara incluyen pequeas pie-zas mecnicas que requieren alta precisin, como alojamientos para engranajes,cabezasdecilindrosybielas; el procesoseutilizatambinampliamenteenlaproduccin de corazones de moldeo de alta precisin.4.3.1. MoldescompuestosLos moldes compuestosestn hechos de dos o ms materiales diferentes y seutilizan en el moldeo en cscara y en otros procesos de fundicin. Generalmente,se emplean en la fundicin de formas complejas como impulsores para turbinas.4.3.2. Procesoal silicatodesodioEl material del molde en el proceso al silicato de sodio es una mezcla de arenay de un 1,56,0 por ciento de silicato de sodio (vidrio lquido) como aglutinante.Lamezclasecompactaalrededordel modeloyseendurecesoplandodixidodecarbono(CO2)atravsdel.Esteproceso,tambinconocidocomoarenacurada con silicato o proceso al dixido de carbono, se utiliz por primera vez enla dcada de 1950, y ha sido posteriormente desarrollada, por ejemplo, utilizandootros productos qumicos como aglutinantes.4.3.3. MoldeocongratocompactadoEneste proceso se utiliza el grato compactado para fabricar moldes paracolar metales reactivos como el titanio y el circonio. No se puede utilizar arenaporque estos metales reaccionan vigorosamente con el slice. Los moldes se com-pactan de una manera similar a los moldes de arena, se secan al aire, se hornean38 4.4.Fundicinenmodeloconsumible(poliestirenoexpandido)a 175C, se queman a 870C, y despus se almacenan a humedad y temperaturacontroladas.4.4. Fundicinenmodeloconsumible(poliestire-noexpandido)El proceso de fundicin en modelo consumible tambin llamado de modeloevaporado odemodeloperdido, yconel nombrecomercial demoldellenoutiliza un modelo de poliestireno que se evapora en contacto con el metal fundidoparaformar unacavidadparalafundicin. Se haconvertidoenunodelosprocesos defundicinmsimportantesparametalesferrosos ynoferrosos, enparticular en la industria automotriz.Enesteproceso, secolocanbolasdepoliestirenocrudodesechable(eps),conteniendopentanoentreuncincoyunochoporciento, enundadopreca-lentado que, por lo general, est hecho de aluminio. El poliestireno se expandeyadoptalaformadelacavidaddel dado; seaplicaentoncesmscalor, parafundir las bolas y unirlas entre s. El dado se deja enfriar y se abre, retirndoseelmodelodepoliestireno.Tambinsepuedenhacermodeloscomplejosunien-do varias secciones de modelos individuales utilizando un adhesivo de fusin encaliente.Elmodelo se recubre con unbarro refractario debase acuosa, se seca ysecoloca en una caja de moldeo. La caja se llena de arena suelta y na, que rodeay soporta el modelo, y puede secarse o mezclarse con agentes aglutinantes paradarle resistencia adicional. La arena se compacta de manera peridica utilizandodiversos medios. Entonces, sin retirar el patrn de poliestireno, se vaca el metalfundido en el molde.Esta accin vaporiza de inmediato el modelo, y llena la cavidad del molde,reemplazando completamente el espacio que antes ocupaba el modelo de polies-tireno. El calordegrada(despolimeriza)el poliestireno, ylosproductosdeladegradacin se ventilan hacia la arena circundante.Dado que el polmero requiere de una considerable energa para degradarse,se presentan grandes gradientes trmicos en la interfase metal-polmero; en otraspalabras, el metal fundido se enfra ms deprisa de lo que lo hara si se vaciaraenunacavidad.Enconsecuencia,lauidezesinferioraladelafundicinenarena. Esto tiene efectos importantes en la microestructura en toda la fundicin,y tambin conduce a una solidicacin direccional del metal.Este proceso posee una serie de ventajassobre otros mtodos de fundicin:el proceso es relativamente simple, porque no existen lneas de particin, corazo-nes o sistemas de alimentacin; para el proceso bastan cajas de moldeo de bajocosto; el poliestireno es econmico y se puede procesar con facilidad en modeloscon formas complejas, tamaos varios y un no detalle supercial; la fundicinrequiereunmnimodeoperacionesdeacabadoylimpieza;yelprocesopuedeautomatizarse y es econmico para grandes lotes de produccin. Aplicaciones t-4.ConformacinpormoldeoII 39picas de este proceso son las cabezas de cilindro, los cigeales, los componentesde frenos y las bases para maquinaria.Enunamodicacin delproceso demodeloperdido,unmodelodepolies-tireno es rodeado por un cascarn cermico (ReplicastC-SProcess). El modelose quema antes del vaciado del metal fundido en el molde. Su ventaja principalsobre la fundicin por revestimiento es que se evita completamente la absorcinde carbono en el metal.Losnuevosdesarrollosenlafundicindemodeloperdidoincluyen, entreotrascosas, laproduccindecompositesmetalmatriz.Duranteelprocesodelmoldeo del modelo de polmero, se incrustan en su volumen bras o partculas.stas se convierten en parte integral de la fundicin.4.5. FundicinenmoldedeyesoEnel procesodelafundicinenmoldedeyeso, elmoldesehacedeyeso(sulfatodecalcio), conlaadicindetalcoypolvodesliceparamejorarlaresistencia y controlar el tiemporequerido para el curado delyeso. Estos com-ponentes se mezclan con agua, y el barro resultante es vaciado sobre el modelo.Una vez curado el yeso, por lo general tras quince minutos, se retira el patrny se deja secar el molde a 120260C para eliminar la humedad. Las mitades delmoldeseensamblan para formar la cavidad delmismoyseprecalientan hastaaproximadamente 120C. El metal fundido es vaciado entonces en el molde.Dado que los moldes de yeso tienen una permeabilidad muy baja, los gasesque se forman durante la solidicacin del metal no pueden escaparse. En conse-cuencia, el metal fundido es vaciado en vaco o a presin. Se puede incrementarsustancialmente la permeabilidad del molde utilizando el proceso Antioch, en elcuallosmoldessedeshidratanenunautoclavedurante612 horas,ydespusse rehidratan en aire durante 14 horas. Otro mtodo de incrementar la permea-bilidad es utilizar yeso espumoso, que contenga burbujas de aire atrapadas.Los modelos para el colado en yeso se fabrican, por lo general, de aleacionesde aluminio, plsticos termoestables, de latn o de aleaciones de cinc. En vistade que existe un lmite para la temperatura mxima que puede resistir un moldede plstico (unos 1200C), la fundicin con moldes de yeso se utiliza nicamentepara aluminio, magnesio, zinc y algunas aleaciones de base cobre.Las piezasfundidasposeendetalles noscon unbuenacabado supercial.Dado que los moldes de yeso tienen una menor conductividad trmica en com-paracinconotros,lasfundicionesseenfranlentamente,yseobtieneasunaestructuradegranomsuniforme, conmenosdeformacin. El espesordelasparedes de las piezas puede ser de entre1,0 y2,5 milmetros.Este proceso y los procesos de fundicin en moldes cermico y por recubri-miento se conocen como fundiciones de precisin, en razn a la elevada precisindimensional y el buen acabado supercial obtenidos. Por lo general, las fundicio-40 4.6.Fundicinenmoldecermicones pesan menos de 10 kilogramos, y tpicamente estn en el rango de 125250gramos.4.6. FundicinenmoldecermicoElproceso defundicinenmoldecermicoessimilaralproceso demoldedeyeso, conlaexcepcindequeutilizamaterialesrefractariosparael moldeadecuados paraaplicaciones dealtastemperaturas. Elbarro esunamezcladecirconiode granono(ZrSi O4), xidode aluminioyslice fundido, que semezclan con agentes aglutinantes y se vacan sobre el modelo, que ha sido coladoen una caja de moldeo.El modelopuedeestarhechodemaderaodemetal. Despusdel endure-cimiento, losmoldes(carasdecermica)seretiran,sesecan,sequemanparaeliminartodamateriavoltil ysehornean. Enel procesoShaw, lascarasdecermica son recubiertas de arcilla refractaria, para impartir resistencia al mol-de. Las caras se ensamblan despus formando un molde completo, listo para suvaciado.Laresistenciaalasaltastemperaturasdelosmaterialesrefractariosmol-deadosusadospermitequeestosmoldesseutilicenenel coladodealeacionesferrosas y otras de alta temperatura de fusin, de aceros inoxidables y de acerospara herramienta. Laspiezas fundidastienenunabuenaprecisin dimensionalybuenacabado supercialenunaamplia variedaddetamaos yformas com-plejas,peroel procesoesalgocostoso.Laspiezasquetpicamentesefabricanson impulsores, cortadores para operaciones de maquinado, dados para trabajoen metal y moldes para la fabricacin de componentes de plstico o de hule.4.7. FundicinporrevestimientoEnel procesodefundicinporrevestimiento, tambinllamadoalaceraperdida, seutilizpor primeravezduranteel perodode40003000a.C. Elmodelosehaceenceraoenplsticopoliestireno, porejemploutilizandotcnicasdemoldeoodeprototipadorpido. Sefabricael modeloinyectandocera o plstico fundidos en un dado de metal con la forma del modelo. Despus,ste se sumerge en un barro de material refractario como, por ejemplo, sliceno con aglutinantes, incluyendo agua, silicato de etilo y cidos. Una vez secoeste recubrimiento inicial, el patrn se recubre varias veces a n de incrementarsu espesor.Eltrminorevestimientoproviene del hecho deque el modeloes revestidoconel material refractario. Losmodelosdecerarequierendeunmanejocui-dadoso,porquenosonlosucientementeresistentesparasoportarlasfuerzashabidas durantelamanufacturadel molde. Sinembargo, adiferenciadelospatrones de plstico, la cera puede ser recuperada y reutilizada.El moldedeunapiezasesecaal aireysecalientaaunatemperaturade4.ConformacinpormoldeoII 4190175C. Sedejaenunaposicininvertidaduranteaproximadamentedocehorasparafundir lacera. El moldesequemaentoncesa6501050duranteaproximadamentecuatrohoras, dependiendodel metal quesevaafundir, andeeliminarel aguadecristalizacinaguaqumicamentecombinadayquemar cualquier cera residual. Una vez vaciado y solidicado el metal, se rompeel molde y se retira la pieza fundida. Se puede unir un conjunto de patrones paraformar un molde, llamado rbol, incrementando de manera signicativa la tasade produccin.Parapiezaspequeas, el rbol sepuedeinsertarenunacajademoldeopermeableyllenarconunrevestimientodebarrolquido; el revestimientosecolocaentoncesenunacmaraysehaceel vacoparaeliminarlasburbujasdeaire, hastaqueel moldesesolidica. Aunquelamanodeobraylosme-talesinvolucrados hacenqueelprocesodelaceraperdidaseacostoso,resultaadecuadoparalafundicindealeaciones dealtopuntodefusinconunbuenacabado supercial y tolerancias dimensionales. Se requieren pocas (o ninguna)operacin de acabado, que aumentaran de manera signicativa el costo total dela pieza fundida.Este proceso es capaz de producir formas relativamente complejas, con pie-zas que pesan entre el gramo y los 35 kilogramos, de una diversidad de metalesferrosos y no ferrosos y sus respectivas aleaciones. Las piezas tpicas que se fabri-can son componentes para equipode ocina, as como componentes mecnicoscomo engranajes, levas, vlvulas y trinquetes.Fundicin por revestimiento en cscara de cermica Una variante del procesodefundicinpor revestimientoes lafundicinencscarade cermica. stautiliza el mismo tipo de modelo de cera o de plstico, que se introduce primeroen un gel de silicato de etilo y posteriormente en un lecho uido de slice fundidode grano no o de polvo de circonio. El modelo se recubre despus con un slicedegranomsgruesoparaacumularcapasadicionalesyunespesoradecuadopara queelmodelopuedasoportar elchoque trmicodelvaciado. Elresto delprocedimiento es similar al de una fundicin por revestimiento. Este proceso eseconmicoyseutilizaampliamenteparalafundicindeprecisindeacerosyaleaciones de alta temperatura.4.8. Fundicinal vacoEnel procesodefundicinal vaco oprocesodebajapresincontralagravedad, semoldeaunamezcladearenanaydeuretanosobredados demetal, quesecuraconvaporesdeamina. El moldeessujetodespusconunbrazo robtico y se sumerge parcialmente en metal fundido que se encuentra enun horno de induccin.Elmetalsepuedefundiralaireoenvaco.Elvacoreducelapresindelaire en el interior del molde a aproximadamente dos terceras partes de la presinatmosfrica, succionando por tanto el metal fundido en las cavidades del moldeatravsdeuncanal dealimentacinenlaparteinferiordel molde. El metal42 4.9.Fundicinenmoldepermanentefundido en el horno est a una temperatura, por lo general, de 55por encima dela temperatura lquidus; en consecuencia, empieza a solidicarse en una fraccinde segundo. Una vez lleno el molde, se retira del metal fundido.Este mtodo es parcialmente adecuado para formas complejas con pared del-gada. Las piezas fundidas al airese fabrican fcilmente en volmenes elevados ya un coste relativamente bajo. Las piezas fundidasenvacoimplican habitual-mente el uso de metales reactivos aluminio, titanio, circonio, hafnio. Estaspiezas, que a menudo se encuentran en forma de superaleaciones para turbinasde gas, pueden tener paredes de un espesor de hasta0,5 mm. El proceso puedeautomatizarse y los costos de produccin son similares a los de la fundicin enarena verde.4.9. FundicinenmoldepermanenteEnelprocesodefundicinenmoldepermanente,tambinconocidocomofundicin en molde duro, se fabrican dos mitades de un molde de materiales comoel hierro colado, el acero, el bronce, el grato o aleaciones de metal refractario.Lacavidaddelmoldeyelsistemadecanales dealimentacinsemaquinanenelmoldeyportanto formanparteintegral delmiso.Para producirpiezasconcavidades internas, secolocancorazoneshechos demetal odeagregadosdearena en el molde antes de la fundicin.Los materiales tpicos para el corazn son la arena aglutinada con aceite ocon resina, el yeso, el grato, el hierro gris, el acero de bajo carbono y el aceropara dado de trabajo en caliente. El de uso ms comn es el de hierro gris.Andeincrementar lavida delosmoldes permanentes, lassupercies dela cavidad del molde, por lo general, estn recubiertas con un barro refractario(como silicato de sodio y arcilla) o se rocan con grato cada cierto nmero decoladas. Estos recubrimientos tambin sirven como agentes de separacin y comobarreras trmicas, controlandolavelocidadde enfriamientode lafundicin.Pueden ser necesarios eyectores mecnicos para la extraccin de piezas fundidascomplejas.Los moldes se sujetan juntos por medios mecnicos y se calientan a aproxi-madamente 150200C para facilitar el ujo de metal y reducir el dao trmicoalosdadosdebidoagradientesdetemperaturaelevados.Elmetal fundidosevaca entonces a travs de canales de alimentacin. Despus de la solidic