Este artículo tratará en detalle la fundición a presión de aluminio. Aprenda las aplicaciones clave de esta técnica, junto con su descripción general del proceso, tipos de aleación, consideraciones de diseño, retos, etc.

¿Qué es la fundición a presión de aluminio?

La fundición de aluminio a presión utiliza altas presiones (100-1000 bares) para introducir el aluminio fundido en las matrices. Estas matrices suelen ser de acero y pueden ser reutilizables.

El llenado del molde depende de la fluidez del metal fundido. La forma líquida óptima llena el molde instantáneamente (en cuestión de segundos). Este material adopta la forma real de la pieza mientras se enfría. Por ejemplo, bloques de motor de coches, marcos de smartphones o componentes de drones.

Este proceso de fabricación es óptimo para fabricar más de 10.000 productos idénticos de forma rápida y barata.

Física del proceso

Alta presión (100-1000 bar):

Cuanto mayor es la presión, más uniformemente se distribuye el aluminio en el interior de la matriz, rellenando sus huecos más pequeños. Esta presión elimina la aparición de burbujas y mantiene la transición de suavidad en las superficies. Por ejemplo, 500 bares pueden llenar la matriz en sólo 0,02 segundos.

Enfriamiento rápido (500-1000°C por segundo):

El aluminio se enfría 100 veces más rápido en HPDC que en la fundición en arena, adoptando la forma de un producto real. Esto es lo que hace la velocidad de enfriamiento: crear una microestructura densa con grano de cristal fino (0,01 mm). Les da 20-30% más resistencia que los fabricados con opciones más lentas.

Tipos de máquinas de fundición a presión

Máquinas de cámara caliente:

Las máquinas de cámara caliente utilizan sobre todo metales con puntos de fusión más bajos, como el zinc (420°C). Esto se debe a que no pueden manejar aleaciones con puntos de fusión altos, como el aluminio a 660°C. Aunque se siga fundiendo aluminio en una máquina de cámara caliente, esto puede dañar el equipo.

Máquinas de cámara fría:

Las máquinas de cámara fría funcionan bien con metales de temperatura moderada, como el aluminio. En este proceso, los fundidores a presión preparan la forma fundida de la aleación. Lo cargan en el pistón para inyectar el material en la matriz bajo una presión de hasta 1.000 bares. Sin embargo, esta técnica lleva más tiempo (duración del ciclo: 30-60 segundos), pero es mucho más segura para materiales duros.

Idoneidad para aleaciones de aluminio

Entre las aleaciones de aluminio adecuadas se encuentran la A380 (aluminio 85%, silicio 8%) y la A383 (aluminio 84%, silicio 10,5%). Estas aleaciones pueden soportar altas presiones y evitar el agrietamiento durante el enfriamiento. Por ejemplo, el metal A380 rellena suavemente el molde, creando una pared de grosor tan fino como 1 mm.

Comparación de las técnicas de fundición a presión

Detalles clave sobre la fundición a presión

• La velocidad de producción de una sola máquina HPDC puede producir de 100 a 200 por hora.
• Los montajes iniciales cuestan entre 50.000 y 1 millón. Sin embargo, reduce el coste por unidad hasta $0,50 para grandes pedidos de más de 50.000 unidades.
• Puede taladrar agujeros tan pequeños como de 1,5 mm.
• Este proceso permite fabricar piezas con paredes tan finas como 0,8 mm.
• El uso de acero puede aumentar su durabilidad hasta unos 50.000-500.000 ciclos.

El proceso de fundición a presión de aluminio

1. Diseño y fabricación de utillaje

Diseño del troquel:

El diseño de las matrices contiene la forma casi neta del producto que se va a fabricar. Su principal cometido es convertir el aluminio fundido en esas formas. Esto significa que las perfecciones del diseño (dimensión, grosor, etc.) le permiten obtener piezas de calidad fina.

Sistemas de compuerta

Los canales de entrada son las vías por las que el aluminio fundido fluye hacia la matriz. Suelen tener una anchura de 3-8 mm. Para regular la velocidad del flujo de metal (1-5 m/s), se evitan las turbulencias y el atrapamiento de aire.

Diseño de corredor:

Los sistemas de canal distribuyen o esparcen uniformemente el metal en el interior de la matriz. Su grosor oscila entre 5 y 15 mm. También reducen las incoherencias en caso de evitar la forma incorrecta.

Ventilación:

Hay pequeños orificios de ventilación, de 0,1-0,3 mm de ancho, montados en la máquina. Ayudan a eliminar el aire atrapado para reducir defectos como la porosidad y las bolsas de aire.

Canales de refrigeración:

Los canales de refrigeración son como tubos. Hacen fluir agua de fundición de 10 a 20 litros por minuto. Sus sistemas mantienen temperaturas entre 200-300°C para preparar las piezas para la expulsión. Este mantenimiento de la temperatura es importante para evitar el sobrecalentamiento y conseguir estructuras uniformes.

Materiales del troquel:

El material de acero H13 de uso común ofrece una dureza de 45-50 HRC. Además, ya hay propiedades naturales de alta resistencia y resistencia al desgaste de este metal. Que existe para soportar 50.000-500.000 ciclos de fundición.

Software de simulación:

Herramientas como AutoCAST son útiles en el proceso HPDC, ya que predicen el fallo de la herramienta con antelación. Se puede optimizar el flujo de metal y colocar mejor el canal de inyección. De este modo, es posible reducir los defectos hasta 30% antes de que comience la producción.

Mantenimiento de troqueles:

Con el fin de mantener la matriz, la aplicación de lubricante en aerosol cada 5 a 10 ciclos es valiosa. Evita que el metal se pegue y facilita la expulsión.

2. Selección y preparación del material

Aleaciones de aluminio:

Lo más importante no es elegir aleaciones de aluminio. Depende de los requisitos de fundición, que influyen en la resistencia, la fluidez y la idoneidad de la aplicación.

• A380: Fluye fácilmente y es muy resistente. Los fabricantes lo utilizan habitualmente en piezas de automoción.
• ADC12: Este metal funciona bien para carcasas electrónicas y piezas de paredes finas (1-2 mm de grosor). Fluye con suavidad y reduce los defectos. Además, puede producir piezas de gran precisión.

Calidad de fusión:

Lógicamente, el mantenimiento de la pureza del aluminio proporciona piezas sin defectos y resistentes. Para eso sirven los hornos de mantenimiento. Mantienen el aluminio fundido a 660-700°C, impidiendo su solidificación. Además, el hidrógeno atrapado que desgasificación elimina utilizando gas nitrógeno en realidad reduce la porosidad por 90% y evita los vacíos internos.

3. Fundir y verter

• El fundidor es un horno de gas. El fabricante lo utiliza para fundir gránulos sólidos de aluminio a temperaturas de 700-750°C. Garantiza un estado fundido uniforme.
• El horno de retención almacena el aluminio fundido. Los mantienen en liquidez a temperaturas controladas hasta que finaliza el ciclo de producción.
• Las partes del proceso que son el ariete y los manguitos de inyección simplemente introducen el metal en la cavidad de la matriz a una velocidad de 4-10 m/s a alta presión. Su trabajo consiste en llenar completamente el molde y realizar una compactación adecuada.
• Las máquinas de fundición a presión automatizan los sistemas mecánicos de inyección. Garantizan resultados muy detallados y repetibilidad en las piezas fundidas.
• Las máquinas de cámara fría utilizan un émbolo. Inyecta el metal y completa los ciclos en 30-60 segundos para lograr una gran eficacia.

4. Inyección y solidificación

Primera etapa: El material fundido llena 80-90% de la cavidad de la matriz. La inyección tarda entre 0,01 y 0,1 segundos. Asegúrese de que el material rellena uniformemente los huecos y llega a todas las esquinas de la matriz.

Segunda etapa: El fabricante aplica alta presión (200-400 bares). Elimina los espacios de aire y aporta calidad densa e integridad estructural.

Enfriamiento: El agua de fundición a presión o el aire de refrigeración enfrían rápidamente el metal inyectado a 500-1000°C por segundo. Durante este, adquieren eficientemente una fuerte microestructura con tamaños de grano fino (0,01-0,05 mm).

5. Expulsión y postprocesamiento

Una vez que la pieza se solidifica, los pasadores de expulsión ayudan a extraer la pieza fundida de la matriz de forma segura. Ejerce entre 5 y 20 toneladas de fuerza.

Mientras tanto, el tanque de enfriamiento utiliza agua para enfriar rápidamente las piezas de fundición durante 10-30 segundos. Este proceso adicional evita el alabeo y aumenta los atributos del material.

Además, las recortadoras utilizan entre 20 y 50 toneladas de fuerza para cortar los residuos metálicos (compuertas, rebabas). Esto le ayuda a fabricar piezas de mayor calidad.

Departamento de Acabados:

Los fabricantes utilizan la técnica del desbarbado para eliminar los bordes afilados. Estos procesos ofrecen superficies lisas, alcanzando un valor de rugosidad Ra de 1,6-3,2 µm.

Los precisos orificios y características que se mecanizan crean tolerancias muy ajustadas (±0,05 mm). Como resultado, el producto final cumple unas especificaciones especiales.

7. Gestión de residuos

Los fundidores a presión refunden o reutilizan 5-10% de residuos de aluminio. Porque el reciclaje de la chatarra reduce los costes del metal en bruto.

Los residuos procedentes de lubricantes y restos metálicos pueden tratarse en el sistema de tratamiento de aguas residuales. Este tratamiento de lodos y aceites elimina 95% de contaminantes antes de su eliminación.

Además, los fabricantes utilizan depuradores de gases de escape. Su trabajo consiste en gestionar las emisiones filtrando los gases nocivos. Estas herramientas ayudan a conseguir un 99% porcentaje de éxito en la reducción de la contaminación atmosférica.

Los recursos sostenibles, como las torres de refrigeración, recirculan 80% del agua utilizada. Estas técnicas también minimizan el impacto ambiental.

Aplicaciones e industrias

Automoción

Se ha descubierto que más de 200 kg por vehículo de los coches producidos en Europa utilizan habitualmente contenido de aluminio. Además, el sector del automóvil produce diversas piezas ligeras y resistentes con el proceso HPDC. Por ejemplo, bloques de motor, carcasas de motores de limpiaparabrisas, controladores CA/CC, carcasas de baterías, etc.

Aeroespacial

Las piezas aeroespaciales producidas con fundición a presión de aluminio serían más resistentes y ligeras. Por ejemplo, los soportes de aviones y satélites tienen una resistencia a la tracción de hasta 300 MPa. Como resultado, la pieza rinde bien y consume menos combustible.

Bienes de consumo

El proceso de fundición a presión es útil para fabricar piezas con paredes finas. Esto es especialmente cierto en las categorías de bienes de consumo. Por ejemplo, puede fabricar carcasas electrónicas para portátiles y teléfonos con paredes de tan solo 1 mm de grosor. Los fabricantes producen más de 50.000 unidades (al año) de lavadoras mediante esta técnica.

Equipamiento industrial

Para los componentes que pueden soportar presiones más altas (hasta 100 bar), es valioso elegir piezas de fundición a presión, como carcasas de bombas y válvulas. Estas piezas tienen sustancias estancas y una rugosidad de acabado que oscila entre Ra 1,6 y 3,2 µm.

Ventajas de la fundición a presión de aluminio

• Este proceso puede fundir realmente piezas con una tolerancia ajustada de ±0,1 mm (5 veces mejor que la fundición en arena).
• Proporciona un ajuste perfecto.
• Las piezas tienen superficies lisas (tan finas como Ra 1,6 µm)
• Reducir el postprocesado.
• Las aleaciones de aluminio son 100% reciclables.
• Este proceso utiliza 40-50% menos energía que la fundición en arena.
• Reduce la huella de carbono.
• Las piezas de fundición son resistentes y pesan la mitad que las de acero.
• La producción en serie reduce el coste por pieza.

Retos y limitaciones

Tamaño de la pieza y complejidad:

Existe una limitación en cuanto al tamaño máximo, ya que puede producir unos 600 x 600 mm (aproximadamente las dimensiones de la puerta de un coche).

Las paredes finas por debajo de 0,8-1,5 mm provocarán un llenado incompleto. Esa necesidad supera velocidades de inyección de hasta 4 m/s. Además, puede resultar difícil reproducir características intrincadas por debajo de 0,5 mm.

Límites del material:

Este proceso sólo es adecuado para aleaciones especiales como la A380. Esto se debe a su buena fluidez y a sus características de fundición.

Defectos comunes

El atrapamiento de aire provoca porosidad gaseosa y, cuando estos gases se expanden, se convierte en defectos como la formación de ampollas. Esto suele ocurrir en las piezas más gruesas (por debajo de 10 mm) y puede controlarse mediante la desgasificación.

Del mismo modo, la porosidad por contracción y las grietas se producen cuando la velocidad de enfriamiento es desigual y desciende por debajo de 500°C/s. Para evitarlo, una presión de 200-400 bares puede mantener la densidad y la integridad durante la solidificación.

Pruebas y control:

Sólo tiene que prever el rendimiento de su proyecto y adelantarse unos pasos vía ensayos no destructivos. Un sistema de inspección por rayos X utiliza un cabezal tubular. Es el punto donde el punto focal emite rayos a través de la pieza fundida. La presencia de un vacío altera la penetración de los rayos X. Produce una imagen única para simplificar el análisis.

Asimismo, la adopción de pruebas de ultrasonidos ayuda a localizar grietas internas en 2-5 segundos por pieza. Sus sensores controlan la velocidad de inyección (±0,1 m/s) y la presión (±10 bar). Esto garantiza una calidad constante.

Conclusión:

Fundición a presión de aluminio es un proceso fiable. La mayoría de los sectores, incluidos el de la automoción, el aeroespacial y el electrónico, lo utilizan por su asequibilidad y alta conductividad para grandes pedidos.

Esta es la opción que mejor funciona para obtener formas precisas y acabados lisos consumiendo menos energía. Aunque no es eso, existen retos como los límites de tamaño y los defectos ocasionales. Para ello, el uso de pruebas y controles modernos mantiene la producción estable.