Moldeo de cáscara

El moldeo en cáscara , también conocido como fundición en molde de cáscara , ^{[ 1 ]} es un proceso de fundición en molde desechable que utiliza arena recubierta de resina para formar el molde . En comparación con la fundición en arena , este proceso tiene una mayor precisión dimensional, una tasa de productividad más alta y menores requisitos de mano de obra. Se utiliza para piezas pequeñas y medianas que requieren alta precisión. ^{[ 2 ]} El moldeo en cáscara se desarrolló como un proceso de fabricación a mediados del siglo XX en Alemania. Fue inventado por el ingeniero alemán Johannes Croning. ^{[ 3 ] [ 4 ]} La fundición en molde de cáscara es un proceso de fundición de metales similar a la fundición en arena, ya que el metal fundido se vierte en un molde desechable. Sin embargo, en la fundición en molde de cáscara, el molde es una cáscara de paredes delgadas creada al aplicar una mezcla de arena y resina alrededor de un patrón. El patrón, una pieza de metal con la forma de la pieza deseada, se reutiliza para formar múltiples moldes de cáscara. Un patrón reutilizable permite mayores tasas de producción, mientras que los moldes desechables permiten fundir geometrías complejas. La fundición en molde de cáscara requiere el uso de un modelo de metal, un horno, una mezcla de arena y resina, una caja de vertido y metal fundido.

La fundición en molde de cáscara permite el uso de metales ferrosos y no ferrosos, siendo los más comunes el hierro fundido, el acero al carbono, el acero aleado, el acero inoxidable, las aleaciones de aluminio y las aleaciones de cobre. Las piezas típicas son de tamaño pequeño a mediano y requieren alta precisión, como las carcasas de engranajes , las culatas, las bielas y las palancas.

El proceso de fundición en molde de cáscara consta de los siguientes pasos:

Creación del patrón: Se crea un patrón metálico de dos piezas con la forma de la pieza deseada, generalmente de hierro o acero. En ocasiones se utilizan otros materiales, como aluminio para la producción en pequeñas cantidades o grafito para la fundición de materiales reactivos.

Creación del molde: Primero, cada mitad del patrón se calienta a 175–370 °C (347–698 °F) y se recubre con un lubricante para facilitar su extracción. A continuación, el patrón caliente se sujeta a una caja de descarga que contiene una mezcla de arena y un aglutinante de resina. La caja de descarga se invierte, permitiendo que esta mezcla de arena y resina recubra el patrón. El patrón caliente cura parcialmente la mezcla, que ahora forma una capa protectora alrededor del patrón. Cada mitad del patrón y la capa protectora circundante se curan completamente en un horno y, finalmente, la capa protectora se extrae del patrón.  

Ensamblaje del molde: Las dos mitades de la carcasa se unen y se sujetan firmemente para formar el molde completo. Si se requieren machos, se insertan antes de cerrar el molde. A continuación, el molde se coloca en un matraz y se apoya sobre un material de soporte.

Vertido: El molde se sujeta firmemente mientras el metal fundido se vierte desde una cuchara al sistema de alimentación y llena la cavidad del molde.

Enfriamiento: Una vez llenado el molde, se deja que el metal fundido se enfríe y solidifique adquiriendo la forma de la pieza final.

Extracción de la pieza fundida: Una vez que el metal fundido se ha enfriado, se puede romper el molde y extraer la pieza. Se requieren procesos de recorte y limpieza para eliminar el exceso de metal del sistema de alimentación y la arena del molde.

Algunos ejemplos de piezas moldeadas en cáscara son las carcasas de engranajes , las culatas y las bielas. También se utiliza para fabricar núcleos de moldeo de alta precisión.

El proceso de creación de un molde de cáscara consta de seis pasos: ^{[ 2 ] [ 5 ]}

1. Se vierte, sopla o proyecta arena de sílice fina , recubierta con una fina capa (3-6%) de resina fenólica termoendurecible y un catalizador líquido, sobre un molde caliente . Este molde suele ser de hierro fundido y se calienta a una temperatura de entre 230 y 260 °C (446 y 500 °F) . Se deja reposar la arena sobre el molde durante unos minutos para que se cure parcialmente.  
2. Luego, el patrón y la arena se invierten para que el exceso de arena caiga libremente, dejando solo la "capa". Dependiendo del tiempo y la temperatura del patrón, el grosor de la capa es de 10 a 20 mm (0,4 a 0,8 pulgadas) .  
3. El patrón y la carcasa se colocan juntos en un horno para terminar de curar la arena. La carcasa ahora tiene una resistencia a la tracción de 350 a 450 psi (2,4 a 3,1 MPa) .  
4. A continuación, se retira la capa endurecida del molde.
5. A continuación, se combinan dos o más carcasas, sujetándolas con abrazaderas o pegándolas con un adhesivo termoestable, para formar un molde. Este molde terminado puede utilizarse inmediatamente o almacenarse prácticamente de forma indefinida.
6. Para el vaciado, el molde de la concha se coloca dentro de un matraz y se rodea con perdigones , arena o grava para reforzar la concha. ^{[ 6 ]}

La máquina que se utiliza para este proceso se llama máquina de moldeo en cáscara . Calienta el molde, aplica la mezcla de arena y hornea la cáscara.

La configuración y producción de patrones de moldes de cáscara lleva semanas, después de lo cual  se puede alcanzar una producción de 5 a 50 piezas/hora-molde. ^{[ 7 ]} Los materiales comunes incluyen hierro fundido , aluminio y aleaciones de cobre . ^{[ 1 ]} Los productos de aluminio y magnesio tienen un peso promedio de aproximadamente 13,5 kg (30 lb) como límite normal, pero es posible fundir artículos en el rango de 45 a 90 kg (100 a 200 lb) . El límite inferior es de 30 g (1 oz) . Dependiendo del material, la sección transversal más delgada del material fundible es de 1,5 a 6 mm (0,06 a 0,24 in) . El ángulo de desmoldeo mínimo es de 0,25 a 0,5 grados. ^{[ 1 ]}        

Las tolerancias típicas son de 0,005  mm/mm o pulg/pulg porque el compuesto de arena está diseñado para contraerse mínimamente y se utiliza un patrón metálico. El acabado superficial de la pieza fundida es de 0,3 a 4,0 micrómetros (50 a 150 μin) debido al uso de una arena más fina. La resina también contribuye a la formación de una superficie muy lisa. En general, el proceso produce piezas fundidas muy consistentes entre sí. ^{[ 5 ]}  

La mezcla de arena y resina se puede reciclar quemando la resina a altas temperaturas. ^{[ 6 ]}

Ventajas

• Piezas muy grandes
• Formas complejas y precisas con detalles finos y buenos acabados superficiales.
• Costes de mecanizado reducidos
• El moldeo en cáscara se puede automatizar completamente para la producción en masa . ^{[ 2 ]}
• Alta tasa de producción, bajos costos laborales si se automatiza.
• Plazo de entrega corto posible.
• Muchas opciones de materiales.
• Bajos costos de herramientas y equipos.
• Hay pocos problemas debido a los gases, debido a la ausencia de humedad en la carcasa, y el poco gas que aún está presente escapa fácilmente a través de la delgada carcasa. Cuando se vierte el metal, parte del aglutinante de resina se quema en la superficie de la carcasa, lo que facilita el desmoldeo. ^{[ 1 ] [ 5 ]}

Desventajas

• El sistema de alimentación debe formar parte del patrón, ya que todo el molde se forma a partir de este, lo cual puede resultar costoso.
• La resina para la arena es cara, aunque no se necesita mucha porque solo se forma una concha. ^{[ 5 ]}
• Escasa resistencia del material.
• Alta porosidad posible.
• A menudo se requiere un mecanizado secundario.
• Alto coste de mano de obra si se realiza manualmente.

Culatas, bielas, bloques de motor y colectores, bases de máquinas.