Para la producción de aluminio de gran volumen que requiere tolerancias estrictas y paredes delgadas, la fundición a presión es la mejor opción. Para volúmenes más bajos, piezas de paredes más gruesas o aleaciones no aptas para fundición a presión, la fundición en molde permanente ofrece una mayor economía y flexibilidad. Comprender dónde sobresale cada proceso (y dónde falla) puede ahorrarles a los fabricantes una importante inversión en herramientas y costos por pieza.
Tanto la fundición a presión como la fundición en molde permanente utilizan moldes de metal reutilizables en lugar de moldes de arena desechables, lo que los distingue inmediatamente de la fundición en arena en términos de consistencia dimensional y acabado superficial. Sin embargo, difieren dramáticamente en la presión de inyección, la velocidad del ciclo, el costo de las herramientas y los tipos de piezas que manejan mejor.
En la fundición a presión de aluminio, el aluminio fundido se inyecta en un molde de acero (la matriz) a presiones que normalmente oscilan entre 1.500 a 25.000 psi . Esta presión extrema fuerza al metal a entrar en cada detalle de la cavidad antes de solidificarse. Los tiempos de ciclo pueden ser tan rápidos como 15 a 60 segundos para la mayoría de piezas de automoción y de consumo, lo que lo convierte en uno de los procesos de conformado de metales más rápidos disponibles.
Existen dos variantes: fundición a presión en cámara caliente (para aleaciones de bajo punto de fusión) y fundición a presión en cámara fría. El aluminio, con su punto de fusión más alto (~660°C), siempre utiliza maquinas de camara fria , donde el metal fundido se introduce por separado en la cámara de inyección.
La fundición en molde permanente (también llamada fundición a presión por gravedad en algunos mercados) llena moldes reutilizables de acero o hierro mediante gravedad o baja presión, generalmente bajo presión. 15 psi . Sin la presión extrema de la fundición a presión, los tiempos de ciclo son más lentos, generalmente 1 a 5 minutos por ciclo. Sin embargo, el relleno más suave reduce la turbulencia, lo que a menudo produce piezas con mejor integridad interna y menos problemas de porosidad del gas.
| Parámetro | Fundición a presión de aluminio | Fundición en molde permanente |
|---|---|---|
| Presión de inyección | 1.500 a 25.000 psi | Gravedad a ~15 psi |
| Tiempo de ciclo típico | 15 a 60 segundos | 1 a 5 minutos |
| Espesor mínimo de pared | 0,5–1,5 mm | 3-5 milímetros |
| Tolerancia dimensional | ±0,1–0,3 mm | ±0,3–0,8 mm |
| uncabado superficial (Ra) | 0,8–3,2 µm | 2,5–6,3 µm |
| Costo de herramientas | $10,000–$100,000 | $2,000–$25,000 |
| Vida del molde (inyecciones) | 100.000–1.000.000 | 10.000-150.000 |
| Volumen económico | 10.000 piezas/año | 500–10 000 piezas/año |
| Rango de peso de la pieza | Gramos a ~25 kg | Gramos a ~150 kg |
| Nivel de porosidad | Mayor (riesgo de atrapamiento de gas) | Inferior (relleno más suave) |
| Tratabilidad térmica | Limitado (ampollas porosidad) | Generalmente si |
Moldes de fundición a presión de aluminio. están hechos casi universalmente de Acero para herramientas de trabajo en caliente H13 , una aleación de cromo-molibdeno capaz de resistir los ciclos térmicos repetidos al inyectar aluminio fundido a ~680°C en un molde que puede mantenerse a 150-250°C. El diseño de moldes es complejo y normalmente implica:
Un molde complejo de fundición a presión para automóviles con múltiples correderas puede costar $80,000 a $200,000 o más. El tiempo de entrega desde el diseño hasta el primer disparo suele ser 8 a 16 semanas . Precisamente por eso la fundición a presión sólo tiene sentido económico a partir de determinados umbrales de producción.
Los troqueles de acero H13 de alta calidad para fundición de aluminio pueden lograr 500.000 a más de 1.000.000 de disparos con un mantenimiento adecuado. Las grietas por fatiga térmica (llamadas "comprobación por calor") son el principal modo de falla. Los intervalos de mantenimiento planificados (normalmente cada 50 000 a 100 000 disparos) incluyen pulido, reparaciones por soldadura en áreas desgastadas y volver a recubrir con PVD o tratamientos de nitruración para prolongar la vida útil.
Las herramientas de molde permanente se mecanizan a partir de hierro fundido gris o acero, siendo el hierro gris común para aplicaciones de menor volumen porque es más barato de mecanizar y tiene una conductividad térmica razonable. Los recubrimientos para moldes (lavados refractarios aplicados antes de cada vertido) son esenciales: sirven como barrera térmica, evitan que el aluminio se suelde al molde y ayudan a controlar la tasa de solidificación.
Debido a que la presión de llenado es baja, los moldes permanentes no requieren la misma robustez estructural que los moldes de fundición a presión. un Un molde permanente simple de dos placas podría costar entre 3.000 y 8.000 dólares. , mientras que una herramienta compleja con núcleos y acciones laterales puede costar entre 20 000 y 25 000 dólares, cifra que sigue siendo significativamente menor que una herramienta de fundición a presión equivalente.
La vida del molde es más corta: 15.000 a 80.000 ciclos Es típico del aluminio vertido en moldes de hierro fundido, mientras que los moldes de acero duran algo más. Esto limita la ventaja económica de la fundición en molde permanente en volúmenes muy altos.
No todas las aleaciones de aluminio son compatibles con la fundición a presión. Las altas velocidades de inyección y la rápida solidificación favorecen las aleaciones con buena fluidez y baja contracción por solidificación. Las aleaciones de fundición a presión de aluminio más utilizadas incluyen:
La fundición en molde permanente, por el contrario, admite una gama más amplia de aleaciones incluidas las aleaciones de la serie 3xx.x tratables térmicamente como A356 y A357. Estas aleaciones pueden someterse a un tratamiento térmico T6 (envejecimiento artificial con tratamiento térmico de solución) para alcanzar resistencias a la tracción de 260–310 MPa con alargamientos de 6 a 12%: propiedades mecánicas que las piezas fundidas a presión generalmente no pueden igualar porque la porosidad causa ampollas durante el tratamiento térmico.
Ésta es una de las diferencias más importantes en la práctica entre los dos procesos. Debido a que la fundición a presión atrapa gas durante la inyección a alta velocidad, la porosidad es inherente al proceso. Las variantes de fundición a presión asistida por vacío y fundición por compresión reducen, pero rara vez eliminan, esta porosidad. El resultado:
| Propiedad | Die Cast A380 (temperamento F) | Permanente. Molde A356-T6 |
|---|---|---|
| Máxima resistencia a la tracción | ~324MPa | ~262MPa |
| Fuerza de producción | ~160MPa | ~207MPa |
| Alargamiento en rotura | 3,5% | 5-12% |
| ¿Tratable térmicamente? | No (estándar) | Sí (T6 posible) |
| Estanqueidad a la presión | Requiere impregnación | Generalmente mejor |
Para las piezas estructurales que deben sobrevivir a cargas dinámicas (soportes de suspensión, carcasas hidráulicas, carcasas de dispositivos médicos), las piezas fundidas en molde permanente que utilizan A356-T6 a menudo superan a las piezas fundidas a presión en cuanto a vida útil a la fatiga y ductilidad, incluso si el UTS como fundición es menor.
La economía de los dos procesos depende enteramente del volumen de producción. El alto costo de las herramientas de fundición a presión se amortiza en tiradas grandes; El menor costo de herramientas del molde permanente hace viables las tiradas pequeñas.
Considere una pieza de aluminio representativa que pesa 500 gramos y tiene una complejidad moderada:
Las herramientas de fundición a presión de cavidades múltiples, donde se producen 2, 4 o incluso 8 piezas idénticas por inyección, reducen drásticamente el costo por pieza a escala. Las herramientas de molde permanente se diseñan con menos frecuencia para la producción de cavidades múltiples debido a la dinámica de llenado más lenta.
Los patrones de selección de industrias del mundo real reflejan las fortalezas del proceso discutidas anteriormente:
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