¿Qué es el casting de inversión?

Casting de inversión Es un proceso de fundición de metal de precisión en el que el metal fundido se vierte en un molde de cerámica creado alrededor de un patrón de ceraEl patrón de cera, con la forma exacta de la pieza deseada, se cubre con una suspensión de cerámica que se endurece formando una carcasa; luego, la cera se derrite dejando una cavidad hueca para el metal.

Esta antigua técnica se remonta a más de 5,000 años, cuando las primeras civilizaciones utilizaban cera de abeja y arcilla para crear intrincadas joyas y objetos religiosos. Las fundiciones actuales combinan este método de eficacia comprobada con materiales y tecnología de vanguardia para producir álabes de turbinas aeroespaciales, implantes médicos y complejos componentes industriales.

El proceso ofrece una precisión excepcional con tolerancias de hasta ±0.005 pulgadas por pulgada y acabados superficiales lo suficientemente lisos como para eliminar la mayor parte del mecanizado. Es posible fundir prácticamente cualquier metal, desde aluminio hasta titanio y superaleaciones, en formas demasiado complejas para otros métodos de fabricación.

Proceso de casting de inversión

Paso 1: Crea el patrón de cera

El proceso comienza inyectando cera fundida en un molde metálico para crear una réplica exacta de la pieza final. Los talleres modernos también utilizan la impresión 3D para producir patrones directamente a partir de archivos CAD, especialmente para prototipos y tiradas cortas.

Múltiples patrones de cera se unen a una matriz central para formar un conjunto de "árbol". Esto permite moldear varias piezas en un solo vertido, maximizando la eficiencia.

Paso 2: Construye la carcasa de cerámica

El árbol de cera se sumerge repetidamente en una suspensión cerámica líquida y luego se recubre con partículas de arena. Cada capa debe secarse completamente antes de aplicar la siguiente, formando una capa de varios milímetros de espesor.

Esta etapa de construcción de la carcasa toma varios días, ya que se necesitan de 5 a 12 capas para crear un molde lo suficientemente resistente como para soportar el metal fundido. Las primeras capas utilizan cerámica ultrafina para capturar cada detalle, mientras que las capas exteriores utilizan un material más grueso para mayor resistencia.

Paso 3: quitar la cera

El conjunto recubierto de cerámica se introduce en un autoclave u horno donde el vapor o el calor derriten la cera por completo. Este proceso de "cera perdida" deja un molde cerámico hueco que captura a la perfección la forma del diseño.

Luego, la cáscara vacía se cuece a temperaturas de alrededor de 1000 °C para quemar cualquier residuo de cera y fortalecer la cerámica.

Paso 4: Vierta el metal

El metal fundido fluye hacia la carcasa cerámica precalentada a través de la abertura de la mazarota. El molde caliente (normalmente a 870-1100 °C) facilita que el metal fluya en secciones delgadas y detalles finos antes de solidificarse.

El vertido por gravedad funciona para la mayoría de las aplicaciones, aunque la asistencia por vacío o presión ayuda con ciertas aleaciones o geometrías complejas.

Paso 5: Enfriar y solidificar

El metal se enfría y solidifica dentro del molde cerámico durante varias horas. El tiempo de enfriamiento depende de la aleación elegida y del espesor de la pieza fundida.

Paso 6: Retire la carcasa

Una vez sólida, la frágil carcasa de cerámica se desprende mediante vibración, martillazos o chorro de agua. Lo que emerge es el árbol metálico con todas las piezas fundidas aún unidas a la matriz central.

Paso 7: Cortar y terminar

Las piezas fundidas individuales se cortan de la mazarota mediante sierras o, para aleaciones frágiles, mediante enfriamiento en nitrógeno líquido y rotura. Los puntos de contacto de la compuerta se rectifican para alisarlos y las piezas pueden someterse a un pulido con chorro de arena o un pulido en tambor para mejorar la superficie final.

Para lograr las propiedades mecánicas requeridas, especialmente para componentes de acero y superaleaciones, a menudo se utiliza un tratamiento térmico.

Ventajas del casting de inversión

• Detalle y complejidad excepcionalesLa fundición de inversión reproduce geometrías intrincadas, paredes delgadas de hasta 3 mm y características finas como logotipos o textos que otros métodos no pueden lograr.
• Precisión de forma cercana a la neta:Las piezas salen con tolerancias de ±0.005 pulgadas por pulgada, lo que a menudo elimina la necesidad de mecanizado.
• Superior acabado de la superficie:El molde de cerámica fina produce valores de rugosidad superficial de 50 a 125 micropulgadas, mucho más suaves que moldeo en arenaNo hay rebaba en la línea de separación ya que el molde es una pieza sólida.
• Versatilidad de materiales:Puede fundir prácticamente cualquier metal, desde aluminio hasta titanio y superaleaciones exóticas.
• Resistencia de una sola piezaLos conjuntos complejos que normalmente requerirían la soldadura de varias piezas se pueden fundir como un solo componente. Esto elimina los puntos débiles en las uniones y mejora la integridad estructural.
• Residuos mínimosEl proceso produce piezas tan cercanas a las dimensiones finales que el desperdicio de material del mecanizado es mínimo. El metal sobrante de las mazarotas y los canales se recicla en el horno.

Desventajas de la fundición de inversión

• Mayor costo para pequeñas cantidadesCada pieza requiere su propio molde de cera y molde cerámico, lo que aumenta el costo unitario en comparación con métodos más sencillos como la fundición en arena. El molde inicial para los moldes de cera también supone un gasto inicial.
• Proceso que requiere mucho tiempoLa construcción de la carcasa cerámica requiere varios días de ciclos de recubrimiento y secado. El plazo total de entrega, desde el patrón hasta la pieza terminada, suele ser de una semana o más, mucho más lento que la fundición a presión.
• Limitaciones de tamañoLa fundición a la cera perdida funciona mejor con piezas de menos de 150 kg. Las carcasas de cerámica más grandes se vuelven frágiles y pueden agrietarse por su propio peso, mientras que la fundición en arena maneja fácilmente piezas de varias toneladas.
• Operaciones que requieren mucha mano de obraMuchos pasos aún requieren trabajo manual especializado, desde el ensamblaje del patrón hasta el recubrimiento de la carcasa y el acabado. Esto incrementa los costos de mano de obra en comparación con procesos más automatizados.
• Riesgo de defectos:Sin un control adecuado del proceso pueden producirse grietas en la carcasa, rellenos metálicos incompletos e inclusiones cerámicas.

¿Qué materiales se pueden utilizar para la fundición de inversión?

• Aleaciones de aluminioPopulares para componentes aeroespaciales y automotrices donde el peso es importante. Estas aleaciones se funden fácilmente y ofrecen una buena relación resistencia-peso para piezas como ruedas de turbocompresores y accesorios de aeronaves.
• Aleaciones de acero inoxidableAmpliamente utilizado para piezas resistentes a la corrosión en aplicaciones médicas, de procesamiento de alimentos y marinas. Los grados comunes incluyen acero inoxidable 304, 316 y 17-4 PH.
• Aceros al carbono y aleados.: Seleccionado para piezas industriales generales que requieren resistencia y resistencia al desgaste. Ejemplos de ello son los aceros 1018, 4140 y 8620 para componentes de maquinaria.
• Aceros para herramientasSe utiliza para herramientas de corte, matrices y piezas de desgaste que requieren una dureza extrema. Grados como D2, H13 y M2 se utilizan habitualmente en fundición de precisión.
• Superaleaciones (a base de níquel y cobalto)Esencial para componentes de motores a reacción y turbinas de gas que operan a temperaturas extremas. Aleaciones como Inconel, Hastelloy y Stellite mantienen su resistencia por encima de los 1000 °C.
• Aleaciones de titanioFundido al vacío para equipos aeroespaciales, de implantes médicos y de procesamiento químico. El Ti-6Al-4V es el grado más común por su excelente resistencia y biocompatibilidad.
• Aleaciones de cobreLas piezas fundidas de bronce y latón se utilizan en herrajes marinos, válvulas y aplicaciones decorativas. Estas aleaciones ofrecen buena resistencia a la corrosión y maquinabilidad.
• Metales preciososOro, plata y platino para joyería y artículos de lujo. La fundición a la cera perdida ha sido el método estándar en la industria joyera desde la antigüedad.

Ejemplos de fundición de inversión

• Álabes y álabes de turbinaLos motores a reacción y las turbinas de generación de energía se basan en álabes de fundición de precisión con conductos de refrigeración internos. Estos complejos perfiles aerodinámicos suelen utilizar la solidificación direccional para crear estructuras monocristalinas que les confieren la máxima resistencia a altas temperaturas.
• Componentes de armas de fuegoLos receptores, guardamontes, martillos y otras piezas de precisión se funden a la cera perdida para lograr precisión dimensional a un menor costo que el mecanizado. El proceso maneja geometrías simples y complejas en diversos grados de acero.
• Implantes medicosLas articulaciones de cadera, los reemplazos de rodilla y el instrumental quirúrgico se benefician de la capacidad del proceso para fundir materiales biocompatibles como el cromo-cobalto y el titanio. El acabado superficial liso reduce los requisitos de posprocesamiento.
• Ruedas de turbocompresor para automóvilesEstos componentes giratorios de alta velocidad requieren la resistencia térmica y la geometría precisa de las aspas que proporciona la fundición de precisión. Tanto las ruedas del compresor como las de la turbina suelen fabricarse mediante fundición de precisión.
• Válvulas industriales y componentes de bombasLos conductos internos complejos, los impulsores y los cuerpos de válvulas se funden a una forma casi final. El proceso elimina la necesidad de mecanizar conductos complejos o soldar varias piezas.
• Joyas y piezas de arteDesde anillos producidos en masa hasta esculturas únicas, la fundición a la cera perdida captura intrincados detalles artísticos en metales preciosos y bronce. El proceso se mantiene prácticamente inalterado respecto a las antiguas técnicas de fundición artística.

Comparación con otros métodos de fundición