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Ahora que la impresión 3D es tan común, replicar modelos y crear prototipos se ha vuelto mucho más fácil en comparación con cómo se hacían las cosas hace un par de décadas. Sin embargo, todavía vale la pena echar un vistazo a los métodos más anticuados y encontrar formas de incorporar nuestras nuevas tecnologías a ellos.
Uno de los métodos más antiguos para replicar un modelo es la fundición a la cera perdida o fundición a la cera perdida. Este método consiste en realizar un prototipo a partir de cera, a partir del cual se elabora un molde utilizando materiales refractarios. ¿Cómo funciona exactamente el microcasting y dónde se utiliza? ¿Cómo podemos tomar este proceso y combinarlo con la tecnología de impresión 3D actual?
¿Qué es el casting de inversión?
La fundición a la cera perdida es un método de fabricación muy antiguo, que probablemente se remonta a hace miles de años. Textos antiguos del año 1100 d.C. señalan el primer uso de fundición a la cera perdida para crear la escultura de Perseo con la Cabeza de Medusa que se encuentra en Florencia, Italia. En aquel entonces, la cera de abejas era el material preferido para crear los prototipos, mientras que para la fabricación de los moldes se utilizaba arcilla.
En la era moderna, la fundición a la cera perdida se ha convertido en uno de los métodos de fabricación preferidos para recrear diseños delicados sin ningún mecanizado. Al principio se utilizó mucho para crear coronas e incrustaciones para odontología, pero pronto fue adoptado por muchas otras industrias, como la de viajes aeroespaciales, la automoción, los artículos deportivos y el ejército.
A continuación se muestra un resumen básico de los pasos del proceso de fundición a la cera perdida:
1. Hacer el patrón maestro
El primer paso de la fundición a la cera perdida es hacer el prototipo maestro hecho de cera. Las aplicaciones industriales suelen implicar cierto grado de mecanizado, pero los artesanos también pueden realizar este paso a mano.
Para múltiples replicaciones de un modelo, se pueden unir múltiples copias del patrón maestro a un bebedero de cera para crear un grupo de patrones que se asemeja a un árbol. Esta es una práctica muy común en aplicaciones de fabricación a escala industrial y es posible crear un árbol que contenga hasta cien patrones maestros.
2. Aplicar materiales refractarios
Una vez establecido el patrón maestro, es hora de aplicar los materiales que eventualmente formarán el molde. Este paso, conocido como «revestimiento», implica la aplicación de materiales refractarios (o resistentes al calor) al patrón maestro. Los materiales refractarios comunes utilizados en la fundición a la cera perdida incluyen sílice, alúmina, silicatos de aluminio o circonio.
Hay tres pasos para crear la inversión. El primer paso, el recubrimiento, se realiza sumergiendo el patrón maestro en una suspensión del material refractario. Esto permite que el material de revestimiento entre en todos los espacios finos del patrón para recrear hasta los detalles más pequeños. Luego, esta fina capa se complementa aplicando mayores volúmenes de material refractario, ya sea a mano o sometiendo el patrón maestro a una lijadora tipo lluvia. Luego, el material refractario se endurece exponiéndolo a altas temperaturas.
Estos pasos deben repetirse hasta que se haya formado una capa de revestimiento suficientemente gruesa y resistente. Generalmente se desea un espesor mínimo de 5 milímetros. Cuando el revestimiento es lo suficientemente grueso y fuerte, el molde se deja secar hasta por 48 horas. También se pueden combinar aglutinantes, como compuestos de silicato, con el material de revestimiento para mejorar la resistencia mecánica y la estabilidad química del molde.
3. desparafinado
Una vez que el molde se ha endurecido por completo, se coloca dentro de un horno y se le da la vuelta. La temperatura derrite la cera dentro del molde y permite que fluya hacia afuera. La cera que sale del molde suele recuperarse y reutilizarse, especialmente para aplicaciones comerciales de esta tecnología.
Se desea un rápido aumento de temperatura en este paso para que la cera de la capa exterior pueda comenzar a fluir libremente antes de que el resto comience a expandirse, dañando así el molde.
4. Quemar el molde
En el último paso, el molde se somete a temperaturas aún más altas, en el rango de 800 a 1000 °C. Este paso hace dos cosas. La primera es que vaporiza cualquier resto de cera o humedad residual que no se haya eliminado durante el proceso de desparafinado. La segunda es que sinteriza el molde, endureciéndolo aún más.
En este punto, se puede verter metal fundido en el molde para crear los prototipos finales. Verter metal en un molde caliente es ideal porque el metal permanece en forma líquida por más tiempo, lo que le permite llenar los pequeños bolsillos del molde que crean todos los detalles finos. También se puede dejar que el molde se enfríe después del paso de quemado para verificar si hay grietas o agujeros. En cualquier caso, el prototipo metálico final deberá ser postprocesado utilizando los métodos habituales de lijado y pulido.
Aplicaciones del microcasting
Al ser uno de los primeros métodos de fundición, es un testimonio de la utilidad de la fundición a la cera perdida el hecho de que muchas empresas comerciales e industriales todavía la practican ampliamente en la actualidad. Las siguientes son sólo algunas de las aplicaciones más comunes y relevantes del casting de inversión:
- Componentes de ingeniería como rotores y álabes de turbinas en motores y generadores.
- Piezas de válvulas (carcasas, pistones, etc.)
- Fabricación de armas de fuego (gatillos, martillos, etc.)
- Equipos de fabricación para la industria de alimentos y bebidas.
Con un uso tan generalizado, es seguro decir que casi todas las industrias se han beneficiado de herramientas y equipos fabricados con fundición a la cera perdida.
Pros y contras del casting de inversión
Como ocurre con cualquier método de fabricación, la fundición a la cera perdida no es un proceso perfecto. Puede que no sea la técnica adecuada dependiendo de la geometría de su modelo, o puede que simplemente sea demasiado lenta para el rendimiento deseado. Al tomar la decisión de realizar microfusión frente a otros métodos, estos son los pros y los contras que debes sopesar:
PROS
1. Puede recrear diseños complejos
Una de las principales razones por las que la fundición a la cera perdida suele ser el método de fabricación preferido es el hecho de que puede recrear modelos muy detallados, incluso aquellos con características pequeñas y paredes delgadas. El nivel de detalle posible con la fundición a la cera perdida es lo suficientemente bueno para industrias que dependen de herramientas y componentes de alta precisión, como los automóviles y los viajes aeroespaciales. Incluso los fabricantes de joyería con visión de futuro han comenzado a reconocer los beneficios de la fundición a la cera perdida.
2. Los yesos salen con superficies lisas.
Debido al proceso mediante el cual se fabrica el molde envolviendo el patrón maestro con una suspensión de material refractario, los moldes de metal que salen del molde tienen superficies notablemente lisas. Aún será necesario algo de posprocesamiento para que los modelos de metal queden perfectamente lisos, pero requieren mucho menos tiempo y trabajo.
3. Buena precisión dimensional
El uso de materiales refractarios para el molde en fundición a la cera perdida ayuda a preservar las dimensiones originales del patrón maestro. Esta estabilidad dimensional cuando se expone al calor se traduce en moldes de metal que son fieles al patrón maestro en términos de escala. Según los expertos, en la fundición a la cera perdida son posibles tolerancias de hasta 0,076 milímetros.
CONTRAS
1. Ciclos de producción más largos
Aunque hay algunas partes del proceso de fundición a la cera perdida que se pueden automatizar, no se puede argumentar que sigue siendo mucho más lento en comparación con otros métodos de fabricación. Las industrias que dependen de un alto volumen de producción y una rápida rotación pueden tener problemas con la fundición a la cera perdida.
2. Alto costo
Aunque el proceso de fundición a la cera perdida parece simple, en realidad es un método bastante costoso debido al uso de materiales costosos y equipos especializados. También hay que tener en cuenta el coste de la mano de obra, ya que implica mucho trabajo manual. Si va a utilizar la fundición a la cera perdida para una producción de pequeño volumen, es posible que su economía no se mantenga bien.
3. No apto para diseños con núcleos.
La fundición a la cera perdida es adecuada para crear objetos puramente sólidos, como álabes de turbinas o carcasas de bombas. Sin embargo, si la geometría de su modelo contiene un núcleo hueco, es posible que deba buscar otros métodos más apropiados.
Fundición a la cera perdida e impresión 3D
Uno de los avances más interesantes que ha dado la microfusión en los últimos años es la posibilidad de combinarla con la impresión 3D, concretamente la impresión FDM, utilizando filamento de cera. La premisa es simple: en lugar de mecanizar o tallar a mano un patrón maestro en cera, se puede utilizar una impresora 3D para mayor comodidad y precisión.
La impresión 3D de patrones de cera para microfusión abre muchas oportunidades para las empresas manufactureras. Permite una mayor automatización, reduciendo la dependencia del trabajo manual y, con suerte, acelerando el proceso. Las empresas que operan en múltiples instalaciones pueden recibir un modelo 3D digitalmente e imprimirlo localmente sin pérdida de fidelidad del patrón maestro original.
Al ser un campo relativamente nuevo, no hay muchos filamentos de cera disponibles en la actualidad que sean adecuados para crear patrones maestros. El filamento de cera de Print2Cast y el filamento Polycast de Polymaker son probablemente las dos mejores opciones que puedes encontrar. Sin embargo, los filamentos de cera son bastante suaves y flexibles, lo que hace que trabajar con ellos sea bastante complicado.
Para obtener mejores resultados, se recomienda utilizar una cama calentada tratada con un adhesivo y utilizar un enfriamiento muy lento. El filamento también puede deformarse fácilmente dentro del conjunto del extrusor, lo que hace que un extrusor de accionamiento directo sea más ideal. Lo bueno de estos filamentos es que las impresiones se pueden lijar y pulir para que queden más suaves. También pueden quemarse limpiamente y no dejar residuos dentro del molde.
Para ir finalizando
La fundición a la cera perdida es un proceso de fabricación antiguo y bien establecido, pero su integración con la impresión 3D simplemente le da nueva vida. Aunque la impresión 3D no resuelve todos los problemas de la microfusión, la hace más factible para las empresas manufactureras que están orientadas a la automatización o desean lograr una mayor consistencia y un rendimiento más rápido.
Advertencia; Las impresoras 3D nunca deben dejarse desatendidas. Pueden representar un peligro para la seguridad contra incendios.