La fundición a presión es excelente para grandes volúmenes y formas complejas, pero su precisión es menor. El mecanizado CNC es preciso y versátil para prototipos y volúmenes reducidos. La fundición a presión utiliza metal fundido en moldes, mientras que el CNC sustrae material de bloques sólidos.  Elija la fundición a presión para la producción en serie y el CNC para la precisión y la flexibilidad.

Comparando ambos procedimientos junto con sus parámetros fundamentales, podrá encontrar la mejor opción. Por lo tanto, este artículo ofrece detalles en profundidad de la fundición a presión frente al mecanizado CNC.

Fundición a presión: Visión general y ventajas

Los fabricantes funden los metales seleccionados según su temperatura de fusión. Por ejemplo, funden el zinc a 385°C y el aluminio a 660°C. A continuación se da el siguiente paso, la fundición a presión.

Este método introduce metal fundido en un molde permanente a una presión de 10-175 MPa. Los canales hacen fluir el metal y los tubos verticales recogen los residuos.

El metal fundido se solidifica, tarda de 5 a 30 segundos y permite la expulsión a 200-300°C. Debe saber que cada ciclo se completa en 15-60 segundos.

Teniendo en cuenta su rápida capacidad de producción, puede completar grandes lotes con la fundición a presión hasta 10-100 veces más rápido que con el mecanizado CNC.

Aplicaciones de la fundición a presión

La fundición a presión ayuda a fabricar piezas complejas. Por ejemplo, puede fabricar bloques de motor de aluminio con paredes de 1,5 mm. Además, este método proporciona durabilidad y resistencia al calor.

Las piezas electrónicas funden zinc para que su carcasa de paredes finas sea mucho más ligera. Además, las aplicaciones aeroespaciales utilizan magnesio con el fin de reducir el peso alrededor de 30% y aumentar la eficiencia del combustible.

Procesos de fundición a presión

1. Fundición a alta presión (HPDC):

Generalmente, el HPDC trabaja a una presión de 10-175 MPa. Inyecta metal a una velocidad de 10-50 m/s. Este proceso produce perfectamente piezas de aluminio declaradas para electrónica o automoción. Puede añadir paredes finas (1,5-5 mm).

2. Fundición a baja presión (LPDC):

Los fabricantes utilizan una presión de 0,3-1,5 MPa durante el funcionamiento del LPDC. En este proceso, el llenado del molde es muy lento para evitar defectos. Funciona mejor para piezas de gran profundidad, alrededor de 5-15 mm (cubos de rueda). También proporcionan cierta resistencia y durabilidad.

3. Fundición por gravedad:

El método emplea la gravedad para llenar el molde, que se precalienta a 150-300°C. Puede producir piezas de aluminio muy sencillas con superficies finas a precios asequibles.

Tipos de aleaciones y propiedades

Proceso de fundición a presión

Los fabricantes crean matrices 10 veces más fuertes utilizando acero (grado H13) para resistir el efecto de 50.000-1.000.000 de ciclos. Pueden costar entre 10.000 y 200.000 dependiendo del diseño, la aleación u otros factores. Además, sus aspectos clave incluyen:

• Utilizan una fuerza de sujeción de unas 100-5.000 toneladas (según el tamaño de la pieza).
• Cada ciclo dura entre 15 y 60 segundos (dependiendo del enfriamiento de la pieza).
• Su fuerza de expulsión puede rondar los 5-20% de fuerza de sujeción.

Limitaciones de la fundición a presión

• Es necesaria una inspección por rayos X para comprobar la porosidad, ya que pueden formarse bolsas de aire de hasta 1-2 mm de profundidad.
• Utilice ángulos de desmoldeo de 1-3° para la extracción de piezas.
• El tamaño máximo de la pieza puede ser de hasta 600 mm debido a los costes de las matrices.

Mecanizado CNC: Visión general y ventajas

El mecanizado CNC (control numérico por ordenador) utiliza técnicas asistidas por ordenador. Esta tecnología se guía por ordenadores para cortar formas y convertir el metal en bruto en piezas bien definidas.

En la fundición a presión, el metal caliente entra y sale una forma sólida. Por el contrario, el mecanizado CNC utiliza herramientas de corte para eliminar material (metales, plásticos y compuestos) capa a capa.

Sin embargo, este procedimiento es adecuado para menos piezas personalizadas, prototipos y pedidos de tipo bajo o medio (1-1.000 unidades).

Proceso de programación CNC

El mecanizado CNC utiliza una herramienta sujeta por un husillo. Esta herramienta corta la materia prima en la mesa de trabajo. El motor de accionamiento recibe las señales de la MCU y mueve el husillo en consecuencia. Mientras tanto, el dispositivo de retroalimentación confirma la corrección.

Operaciones de mecanizado CNC

Las máquinas CNC realizan tres tareas comunes:

• Fresado
• Girar
• Perforación

Fresado

Los fabricantes utilizan herramientas giratorias (500-15.000 RPM) en el fresado. Cortan formas planas y curvas. Por ejemplo, utilizan una fresa de metal duro de 10 mm. Sirve para cortar aleaciones de aluminio a 2.000 RPM para fabricar soportes de motor.

Girar

Un husillo giratorio sujeta la pieza donde la hace girar hasta 3.000 RPM). Mientras tanto, las herramientas de corte o estacionarias giran a lo largo del eje del husillo y dan forma cilíndrica (tornillo o tubo) al material.

Perforación

El proceso de taladrado necesita hacer agujeros en las piezas. Normalmente, los fabricantes utilizan brocas (1-25 mm de diámetro) a velocidades de 500-1.500 RPM. Por ejemplo, hacen agujeros en carcasas de plástico utilizando brocas de 5 mm.

Ejemplos de piezas mecanizadas con CNC

El mecanizado CNC tarda 3 horas en producir un prototipo de articulación robótica de aluminio de 100 mm. Esta pieza puede ofrecer una precisión de hasta 0,02 mm.

En los implantes médicos, los fabricantes pulen las prótesis de rodilla de cromo-cobalto hasta Ra 0,4 µm. Eso permite que se mueva con suavidad.

Los álabes de titanio para turbinas aeroespaciales resisten 800 °C. Estas piezas se fabrican con fresadoras CNC de 5 ejes con una precisión de 0,01 mm.

Tipos de máquinas CNC y capacidades

Fresadoras CNC de 3 ejes

Contiene tres ejes primarios (X, Y, Z). Se mueve de izquierda a derecha, de delante hacia atrás y de arriba hacia abajo. A pesar de sus limitadas capacidades de movimiento, puede manejar piezas de unos 600 mm de longitud. Los 3 ejes realizan formas 3D para piezas como cajas de engranajes con una precisión de ±0,05 mm.

Fresadoras CNC de 5 ejes

Esta máquina inclina y gira las herramientas. Estas herramientas pueden cortar formas muy difíciles (por ejemplo, álabes de turbina) en una sola configuración. Se pueden obtener piezas con una precisión de ±0,02 mm.

Tornos CNC

Este tipo de máquina CNC está especializada en piezas redondas. Puede sujetar materiales de hasta 300 mm de ancho. Con ella se pueden cortar roscas de hasta 0,5 mm de paso.

Utillaje en el mecanizado CNC

Los fabricantes fabrican herramientas de corte CNC, normalmente con metal duro (dura 200-400 minutos). El otro material de la herramienta puede ser acero rápido (HSS, 100-200 minutos) o cerámica (para altas temperaturas).

Además, puede aumentar la vida útil de estas herramientas utilizando varios revestimientos como nitruro de titanio (TiN). Las capas de recubrimiento hacen que la herramienta 50% sea más rápida y no se desgaste. Por ejemplo, las brocas recubiertas son capaces de hacer 500 agujeros en acero inoxidable a 0,2 mm por vuelta.

Los portaherramientas utilizan fuerza hidráulica (hasta 200 bar). Estas fuerzas sujetan firmemente las herramientas, minimizando las vibraciones durante el corte.

Materiales para el mecanizado CNC

Limitaciones del mecanizado CNC:

• El mecanizado CNC elimina el material lentamente.
• Sus velocidades de avance suelen oscilar entre 0,1 y 0,5 mm/diente, lo que resulta ineficaz para grandes pedidos.
• Cortar materiales a alta velocidad provoca el desgaste de la herramienta.
• El CNC puede tener dificultades para obtener geometrías complejas con características profundas (por ejemplo, relaciones profundidad-anchura >5:1).

Comparación de la fundición a presión y el mecanizado CNC

1. Comparación de las propiedades de los materiales

Como hemos descubierto, tanto la técnica de fundición a presión como la CNC utilizan materiales diferentes. Esto significa que tienen propiedades únicas. Por ejemplo, una aleación común de fundición a presión es el aluminio A380. Esta aleación tiene una resistencia a la tracción de unos 310 MPa y un límite elástico de hasta 159 MPa.

Asimismo, las máquinas CNC utilizan aluminio 6061. Este ofrece una resistencia a la tracción de 310 MPa y un límite elástico de 276 MPa.

2. Comparación de tolerancias

Se pueden obtener tolerancias en torno a 0,004 pulgadas (0,1 mm) para piezas pequeñas mediante fundición a presión. Sin embargo, la contracción del material y los efectos del enfriamiento aumentan las tolerancias con el tamaño de la pieza.

Por el contrario, el mecanizado CNC ofrece tolerancias muy ajustadas, a menudo inferiores a 0,001 pulgadas (0,025 mm). Esto significa que puede funcionar bien cuando se ajusta estrictamente a un patrón.

Sin embargo, obtener resultados precisos exige mayores costes. Si quiere conseguir una tolerancia de 0,003 pulgadas (0,075 mm), podría costarle 100 unidades. Mientras, una tolerancia de 0,0005 pulgadas (0,012 mm) podría triplicarlo. Esto se debe al aumento del tiempo de mecanizado, el desgaste de las herramientas y las medidas de control de calidad.

3. Análisis de costes

La fundición a presión incluye los montajes iniciales y el utillaje. Por eso cuesta alrededor de $5.000-$50.000. Sin embargo, reduce el coste unitario ($1-$5 por pieza) para un pedido grande.

El mecanizado CNC no reclama costes de utillaje. Su coste de producción depende de la selección del material y del nivel de complejidad del diseño.

4. Comparación de plazos

La puesta a punto de las herramientas de fundición a presión requiere entre 4 y 8 semanas antes de iniciar el proceso. Sin embargo, una vez que estas herramientas están listas, pueden producir grandes lotes rápidamente.

En el mecanizado CNC no hay demora en el utillaje. Este proceso puede fabricar prototipos en 1-3 días. Además, la producción por lotes tarda entre 5 y 10 días en función de la complejidad del diseño.

5. Complejidades de las piezas

La fundición a presión puede manejar diseños de complejidad simple a moderada. Admite paredes finas y elementos integrados como nervaduras. Este proceso tiene dificultades para realizar cortes profundos, esquinas internas afiladas y piezas alargadas.

Las máquinas CNC pueden trabajar con diseños más profundos y geometrías complejas. Este proceso es más lento, por lo que aumenta el coste de los lotes grandes.

6. Comparación del impacto medioambiental

Hay menos residuos de material durante las operaciones de fundición, pero el material sobrante no siempre es 100% reciclable. Esto se debe a la oxidación y las impurezas. Además, la fabricación de moldes consume mucha energía.

El proceso de mecanizado CNC produce más chatarra. En concreto, puede reutilizar las virutas metálicas. Sin embargo, su agente refrigerante repercute en el medio ambiente. Esto puede reducirse hasta 50% utilizando modernos sistemas de filtración.

Matriz de decisión para elegir el proceso adecuado

Consideraciones de diseño para la fundición a presión y el mecanizado CNC

Normas de diseño para la fundición a presión

La fundición a presión necesita ángulos de desmoldeo. Estos ángulos facilitan el proceso de expulsión. Puede calcular el ángulo de desmoldeo mediante fórmulas.

Las fórmulas incorporan constantes específicas de la aleación, normalmente de 1° a 3° por lado. Su cálculo también se ve afectado por el material y la complejidad de la pieza.

Además, el grosor de las paredes también puede variar. Por ejemplo, puede utilizarse aluminio de 1-1,5 mm y zinc de 0,5-1 mm. El grosor confirma el flujo adecuado y repele los defectos.

Además, la función principal de los filetes y los radios es reducir la concentración de tensiones y aumentar la vida útil del molde.

Consideraciones de diseño para el mecanizado CNC

Por lo general, los diseños de mecanizado CNC no necesitan ángulos de desmoldeo. Pueden hacer esquinas internas afiladas y paredes verticales. Su opción de diseño puede incluir ranuras en T, colas de milano y cajeras profundas. Que contienen mayores relaciones profundidad-anchura.

Tenga en cuenta el acceso de la herramienta, ya que las cavidades profundas necesitan herramientas más largas. Esto también puede aumentar las vibraciones y no proporcionar resultados precisos. Además, la fijación contribuye a la estabilidad durante el mecanizado.

Uso de programas informáticos de simulación

Puede utilizar herramientas de simulación para pulir aún más el rendimiento del diseño. Estas herramientas hacen que el flujo del molde de fundición a presión y las trayectorias de las herramientas CNC sean lo más funcionales posible. También ayudan a identificar defectos como la porosidad en la fundición a presión y las vibraciones en el mecanizado.

Colaboración entre diseñadores e ingenieros

Intente comunicarse pronto con los diseñadores. Confirme sus requisitos para producir piezas rentables y fabricables. Este paso también evita varias modificaciones y problemas de producción.

Conclusión:

La opción de fundición a presión es buena para grandes producciones. Produce piezas más rápidamente a un ritmo bajo, pero no es eficaz para obtener resultados de precisión. Por el contrario, el mecanizado CNC utiliza múltiples materiales y proporciona una gran precisión. Sin embargo, esta técnica es lenta y costosa.

Ambos procesos tienen pros y contras diferentes. La elección depende totalmente del tipo de material o producto que se produzca.