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MECANIZADO DE MOLDES DE ARENA PARA FUNDICIÓN
"Un nuevo servicio
a clientes
una forma de diferenciarse del resto"
Adrián Rodríguez, Norberto López de Lacalle
Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Bilbao
El mecanizado a alta
velocidad directamente sobre bloques de arena compactada, se
presenta como una interesante alternativa a métodos tradicionales
de rapid casting. Evitando la necesidad de un modelo de
madera o resina, esta tecnología está enfocada
a piezas one-of-a-kind, obras de arte y lotes pequeños
donde solo un prototipo o pocos componentes son necesarios, pero
donde se premia la reducción de tiempos para conseguir
la pieza final. La metodología propuesta, enmarcada dentro
de los procesos pattern-less, reduce los pasos de producción
y reduce tiempo y costes.
Uno de los puntos clave de este procedimiento es conseguir suficiente
tiempo de vida útil de las herramientas de metal duro
mecanizando arena, el cual es un material altamente abrasivo.
En este trabajo se presenta esta metodología, además
de un estudio en profundidad del desgaste de herramientas de
diferentes calidades. También se analizan otros problemas
que pueden surgir a la hora de mecanizar moldes de arena, como
pueden ser la necesidad de protección de la máquina,
calidad de la arena y estrategias óptimas de mecanizado.
De forma ilustrativa se presenta un ejemplo de la metodología
propuesta. La reducción de tiempo y costes para pieza
única es económicamente y tecnológicamente
viable.
INTRODUCCIÓN
Uno de los factores críticos en cualquier industria
es el tiempo que tarda tu producto en estar disponible para el
mercado. Concretamente en el sector de la fundición, el
lead time para obtener el primer componente funcional
es de gran interés para ofrecer a los clientes una forma
de analizar la forma, resistencia o funcionalidad de sus nuevos
productos. En esta línea, muchos de los fabricantes de
modelos y moldes ofertan servicios relacionados con tecnologías
de prototipado rápido, para pieza única o lotes
muy pequeños. Estas tecnologías se basan en la
adición de resinas, plásticos o incluso metales,
pero la alternativa que se presenta en este trabajo es el mecanizado
directo de bloques de arena para generar directamente el molde
de fundición.
Combinar tecnologías de ingeniería inversa y mecanizado
de bloques de arena posibilita la reducción de tiempos.
Evidentemente esta metodología tiene sus pros y sus contras,
es posible eliminar la generación de un modelo previo,
pero solamente tendría sentido para lotes muy pequeños
o pieza única.
Haciendo un breve repaso histórico de esta tecnología
de mecanizado de arena, cabe destacar que no se encuentra ninguna
referencia a nivel nacional del tema, exceptuando la línea
de investigación recientemente creada en la Escuela de
Ingenieros de Bilbao. A nivel internacional, a partir del 2002
y de la mano de R. Gustafson nace la primera patente relacionada
con el tema. Entre 2002 y 2006, otros autores como F. Wendt,
B. Hentschel y R. Hauschild redactan otras tres patentes que
hablan de técnicas relacionadas con el mecanizado de arena.
Además, durante 2009 y 2010 el Centro Tecnológico
de Fabricación Avanzada de la Academia China de Ciencia
y Tecnología abre una línea de investigación
en este tema, publicando más de 10 patentes nacionales
y varios artículos en revistas internacionales, diseñando
y fabricando además, la primera máquina específica
para el mecanizado de moldes de arena.
En cuanto al panorama industrial fuera de España, esta
metodología es ya una oferta más en los catálogos
de varias empresas dedicadas a la fundición o a la fabricación
de modelos. En España aún no se ha podido identificar
ninguna empresa que ofrezca este tipo de servicios. Por citar
algún ejemplo, cabe destacar la compañía
Alemana AcTech, con su método Direct Mold Milling (DMM®);
la compañía Estadounidense Clinkenbeard, líder
mundial en la producción rápida de piezas fundidas
complejas, con su proceso Toolingless Clinkenbeard® Process
y en Gran Bretaña, la empresa Castings Technology International
(CTI), la cual ofrece servicio técnico y de consultoría
en su tecnología Patternless® Process. Otras empresas
que usan esta tecnología son Metaltek International, Del
Sol Industrial Services, Metrom y un centro tecnológico
en Finlandia.
Replicas ArtísticasReposición provisional de piezas
defectuosasPrimeras series o prototipos para ensayos antes de
la industrialización
Figura 1. Nichos de Mercado
METODOLOGIA PROPUESTA
En esta sección se detallan los pasos de la metodología
propuesta. El objetivo es la producción o reproducción
de piezas únicas, prototipos o replicas artísticas,
tratando de reducir el tiempo de fabricación al mínimo.
El primer paso puede llevarse a cabo de dos maneras diferentes
o en paralelo. Por una parte, si se trata de un componente a
diseñar, se comenzaría con el diseño CAD
del producto. Por lo contrario, si se trata de una réplica
artística o de una pieza a reparar, lo ideal sería
comenzar con la digitalización 3D del producto. Una vez
digitalizado el producto con un scanner, mediante procesos de
ingeniería inversa se obtendría el diseño
CAD final de la pieza. Utilizando un software de CAD-CAM se desarrollarían
las trayectorias óptimas de mecanizado, para luego pasar
a ejecutar el programa en máquina. El mecanizado a alta
velocidad del molde de arena se puede realizar en una máquina
convencional de 3 o 5 ejes o incluso con un robot serie, debido
a los pequeños esfuerzos de corte que se generan al mecanizar
arena. Una vez realizado el molde de fundición, el proceso
continuaría en su forma tradicional.
Diseño 3DDigitalización 3DCADCAMMecanizado a
Alta Velocidad del Molde de ArenaEnsamblado de MoldeColadaControl
de CalidadDesbasteSemi-AcabadoAcabadoLead TimeArt ReplicasOne-of
kind
Figura 2. Metodología propuesta.
EJEMPLOS
En este apartado se presentan dos ejemplos. El primero de
ellos es un modelo real de madera previamente digitalizado, el
cual tras un proceso de ingeniería inversa se ha mecanizado
directamente sobre un bloque de arena. El segundo ejemplo es
una pieza diseñada en 3D y posteriormente mecanizada en
el bloque de arena.
Figura 3. Pasos a seguir para la obtención del molde.
En el fresado de moldes de arena para la fundición,
la rugosidad de la superficie final es un parámetro importante
a mantener bajo control. Se emplean para ello herramientas con
punta esférica del mismo modo que se realiza en moldes
metálicos. Esta operación generalmente implica
pasadas con una profundidad de 0,3 mm, que normalmente se realiza
con fresas de bola de diámetro inferior a 20 mm, para
poder reproducir fielmente los detalles más complejos.
Teniendo en cuenta que las pendientes de los formas esculpidas
en moldes de arena, se encuentran comúnmente entre 0°
y 90° y que la velocidad de corte efectiva debe estar entre
300 y 400 m/min, la velocidad de rotación del eje debe
ser superior de 15.000 rpm.
Por otra parte, para esta velocidad de rotación, y teniendo
en cuenta un avance recomendado por el diente de alrededor de
0,07-0,2 mm/diente, el máximo avance lineales recomendado
es de 10-15 m/min. Éstas han sido las especificaciones
de corte que se han llevado a cabo con la herramienta de punta
esférica utilizada en el acabado.
a)
b)
Figura 4. Ejemplo 1 y Ejemplo 2.
Una vez completado el proceso de mecanizado, el siguiente
paso es la colada del material. En este caso se ha empleado una
aleación de bajo punto de fusión. El control de
calidad es el último paso. Después del enfriamiento
y del desmoldeo, se procede a la limpieza de la pieza para posteriormente
medirla en una máquina de medir por coordenadas Zeiss
MC850. Este sería el ciclo a seguir para la fabricación
de pieza única.
Figura 5. Diseño inicial y pieza final obtenida.
MECANIZADO DE BLOQUES DE ARENA
Durante el mecanizado de bloques de arena se pueden dar
varios problemas o dificultades a tener en cuenta. Los principales
puntos a tener en cuenta para la correcta implementación
del proceso son los siguientes:
Calidad del Bloque de Arena. Será necesario partir de
un bloque de arena que cumpla una serie de requisitos. La rigidez
del bloque y la compactación de la arena deberá
ser la idónea para que no se produzcan poros, agujeros
o fracturas durante el mecanizado. Desgaste de Herramienta. La
clave de la metodología propuesta está en conseguir
suficiente vida de herramienta para el mecanizado de un material
tan abrasivo como la arena, evitando así el riesgo de
daño o defectos durante el mecanizado. Estrategias de
mecanizado. Al ser la arena compactada un material extremadamente
frágil en relación a los metales, una estrategia
de mecanizado equivocada puede provocar la rotura de partes del
molde. En este caso, la correcta elección de la estrategia
de mecanizado es de gran importancia para el proceso. Protección
de la Máquina. La arena es un material muy abrasivo, por
lo tanto será necesario proteger la máquina de
las partículas de arena desprendidas durante el mecanizado,
las cuales podrían causar daños mecánicos
o incluso eléctricos y electrónicos en la máquina.
Tipos de Arena Disponible
El motivo principal por el que se emplean arenas minerales
en la fabricación de moldes de fundición es el
carácter refractario de estos materiales. Es necesario
utilizar un material que resista bien las altas temperaturas
de colada del metal líquido, sin que
los moldes ni las piezas obtenidas sufran modificaciones físico-químicas
tras la solidificación.
La correcta elección del tipo de arena es de gran importancia.
Se necesita disponer de un bloque de arena compacto, lo más
rígido posible y sin defectos como poros o fracturas.
De esta forma, se han seleccionado para las pruebas tres tipos
de arena de sílice compactada químicamente. La
arena de sílice es la de mayor implantación en
el moldeo de piezas de fundición. A pesar de no poseer
las mejores características exigidas por el moldeo, su
bajo coste y su gran abundancia la convierten en la más
utilizada. Además, posee otras características
que la hacen muy interesante como son su elevado poder de compactación
y la gran disponibilidad en cuanto a tamaños y/o distribuciones
de grano, factor muy importante de cara a obtener un buen acabado
superficial del molde después del mecanizado.
De los tres tipos de arena elegidos para realizar los ensayos
(C-55, C-55 reciclada y L 80-90), se determinó mediante
una serie de ensayos previos que el desgaste sufrido por la herramienta
era prácticamente igual en los tres casos.
Desgaste de Herramienta
El desgaste que sufren las herramientas de corte, es el principal
problema que aparece en el mecanizado de bloques de arena. La
mezcla de granos de arena y el material aglutinante se convierten
en un abrasivo muy potente, por lo que la elección de
una herramienta adecuada es un aspecto fundamental. Con el objeto
de determinar el material más adecuado de la herramienta,
se han realizado ensayos mecanizando bloques de arena previamente
compactados. En dichas pruebas se han utilizado tres tipos de
herramientas: de acero rápido (HSS), de metal duro y con
recubrimiento de diamante.
Figura 6. Comparativa de desgaste de diferentes calidades
de herramienta.
A la vista de los resultados obtenidos se puede comprobar
cómo las herramientas de HSS no son adecuadas para este
tipo de mecanizados. El desgaste causado por los granos abrasivos
de arena, hace que estas herramientas lleguen al final de su
vida útil tras mecanizar una longitud equivalente a 200
m lineales en el bloque de arena.
Por otra parte, se demuestra como las herramientas de metal duro
y las de diamante recubierto, tienen una mejor resistencia a
la abrasión. Alcanzándose, en el caso de herramientas
de metal duro, desgastes máximos de flanco de 0,3 mm,
tras mecanizar una longitud equivalente a 3000m. Las herramientas
de recubrimiento de diamante, son capaces de mecanizar más
de 5500 m, con un desgaste de flanco de 0,3mm.
Teniendo en cuenta estos resultados, las herramientas de metal
duro recubiertas de diamante, son las más adecuadas, desde
un punto de vista de durabilidad. Sin embargo, este tipo de herramientas
presentan como gran inconveniente su elevado precio, alrededor
de tres veces el precio de las herramientas de metal duro. Además
las colisiones de los granos abrasivos, en muchos casos causa
el fenómeno denominado micro-chiping. Dicho fenómeno
se basa en una pérdida constante de material en el filo
de la herramienta, debido principalmente a impactos de virutas
del material que se está mecanizando. En el caso de estudio
de este proyecto, dicho efecto se maximiza debido al carácter
especialmente abrasivo de la arena.
El uso de herramientas con recubrimiento de diamante, implican
cuidados especiales, como por ejemplo un montaje cuidadoso y
rígido de la herramienta en el centro de mecanizado, evitando
de este modo que aparezcan vibraciones. Los recubrimientos de
diamante son especialmente sensibles a las vibraciones debido
a la fragilidad intrínseca del diamante.
Estrategias de mecanizado
La correcta elección de un modelo de trayectorias,
es una de las decisiones más importantes cuando se trata
de mecanizar bloques de arena. Existen varias estrategias de
mecanizado posibles, como por ejemplo, trocoidal, zig-zag, perfil
patrón o Seguir la Pieza. En el caso del mecanizado de
arena y debido a la facilidad en el proceso de corte, estrategias
como la trocoidal se vuelven innecesarias, definiendo la estrategia
de Seguir la Pieza como la mejor opción.
La estrategia de Seguir a la Pieza (Follow Part), crea un patrón
de corte, mediante la formación de un número de
compensaciones (offset) del contorno de la pieza. Para realizar
este tipo de compensaciones se tiene en cuenta el radio de la
herramienta a utilizar, por lo que a la hora de confeccionar
el programa de CAM, deberá ser indispensable conocer de
antemano la geometría de la herramienta a utilizar, ya
que de un diámetro a otro cambiarán las compensaciones,
así como el número de trayectorias a trazar. Una
herramienta de diámetro pequeño tendrá mayor
número de trayectorias que una grande, ya que en una pasada
la grande corta más material que la pequeña. Con
este tipo de estrategia se puede lograr un buen acabado superficial,
pues se garantiza que la herramienta de corte acceda a toda la
geometría de la pieza, por lo que se elimina la necesidad
de un último paso de acabado. Es el más adecuado
a la hora de trazar las trayectorias del mecanizado de moldes
de arena. Las profundidades axiales y radiales de corte son constantes
durante todo el proceso, lo que garantiza un proceso de corte
estable.
Figura 7. (Arriba) Fresado en concordancia y perfecto acabado.
(Abajo) Fresado en oposición y fractura de esquina.
El fresado en concordancia (Down Milling) es la operación
en la que la herramienta de corte gira en el mismo sentido que
la dirección de corte de la herramienta. Las fuerzas que
se originan en la zona de contacto son mayores que en el caso
de fresado en oposición (Up milling), lo cual originó
durante el mecanizado, desprendimientos e imperfecciones en las
paredes del molde de arena, como se puede apreciar en la figura,
lo que se traduce en un deficiente acabado superficial.
Protección de la máquina
A la hora de realizar las operaciones de arranque de material,
se debe proteger el centro de mecanizado o robot de las partículas
abrasivas que se desprenden de los bloques de arena. Éste
es uno de los puntos más delicados del proceso, ya que
si no se realiza de forma correcta, los elementos mecánicos
pueden padecer un desgaste prematuro de los mismos. Con su correspondiente
repercusión económica.
Las pruebas se realizan en el centro de mecanizado HS-1000 de
Kondia, todas ellas empleando un aspirador industrial de manera
que con la ayuda de la boquilla sopladora de aire, se logra canalizar
y retener de forma controlada una gran parte del material abrasivo
en suspensión. Por otro lado, todos los elementos móviles
de la mesa y el cabezal fueron cubiertos con protecciones impidiendo
de este modo que penetren los abrasivos en las guías y
demás elementos mecánicos de la máquina.
Hay que tener en cuenta que para un posterior uso de la máquina
hay que limpiarla de forma eficaz, haciendo hincapié en
las zonas con rodamientos y partes móviles, lubricándolas
para expulsar las posibles incrustaciones de abrasivos que no
han logrado retener los elementos protectores diseñados
a tal fin. En este tipo de máquinas es prácticamente
imposible garantizar que se evacuan la totalidad de los elementos
abrasivos debido principalmente al pequeño tamaño
(menor que 100£gm en
muchos casos) que alcanzan los granos de arena. Aspecto muy importante
a tener en cuenta a la hora de planificar un mantenimiento predictivo.
CONCLUSIONES
Los ensayos llevados a cabo en este trabajo hacen del mecanizado
directo de moldes de arena una alternativa viable para pieza
única o prototipos. Este proceso junto con el uso de técnicas
de ingeniería inversa ofrece numerosas ventajas productivas.
La más importante es la reducción del número
de pasos para la obtención de la pieza final, reduciendo
así el tiempo y coste final del producto. Además,
se evita la necesidad de utilizar un modelo previo.
Teniendo en cuenta la problemática del proceso y sus dificultades,
se presentan las siguientes conclusiones:
Es importante elegir el tipo de arena adecuada. Una calidad de
arena insuficiente puede provocar la generación de pequeñas
roturas o imperfecciones en la superficie final. Es necesario
proteger la máquina de las partículas abrasivas
de arena. El uso de una aspiradora industrial puede ser una buena
opción, pero las partículas menores de 100 £gm
son volátiles y pueden depositarse en cualquier parte
de la máquina. En relación calidad-precio, las
herramientas de metal duro son la mejor opción para el
mecanizado de bloques de arena. Las herramientas de PCD o las
herramientas recubiertas de diamante muestran una mayor resistencia
a la abrasión, pero su elevado precio las hace no competitivas
en este caso, además pueden sufrir micro-chipping. Elegir
la correcta estrategia de corte es importante de cara a conseguir
una superficie final de calidad. El uso de estrategias inadecuadas
puede producir roturas del molde y causar desgaste prematuro
de las herramientas.
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