Cuando la industria manufacturera exige una menor probabilidad de fugas, deformaciones o grietas en el proceso de fundición a presión, la fundición a presión convencional a alta presión a veces no es suficiente. Por lo tanto, los profesionales de la industria ampliaron la idea y propusieron... fundición a presión al vacío como solución para la obtención de piezas de alta calidad. En este artículo, aprenderá sobre la definición, la mecánica y los casos de aplicación de este importante avance en la tecnología de fundición a presión.
¿Qué es la fundición a presión al vacío?
La fundición a presión al vacío es una variante de fundición a presión de alta presión que elimina activamente el aire y el gas de la cavidad del molde para crear un vacío justo antes y durante la inyección del metal fundido. Al reducir el contenido de gas en la cavidad, se minimiza el atrapamiento de gas, se reduce la porosidad, se mejora la densidad y se incrementa la consistencia de las propiedades mecánicas en comparación con la fundición a presión de alta presión (HPDC) convencional. Este método es esencial cuando la pieza fundida debe ser soldable, tratable térmicamente (T5/T6) o hermética.
En esencia, el método se basa en un molde sellado, un sistema de bombeo de vacío y un sistema de ventilación y inyección diseñado con precisión. El vacío debe alcanzar un nivel objetivo, generalmente inferior a 100 mbar y, con frecuencia, mucho menor para trabajos críticos, antes de que el metal llegue a la cavidad del molde. El resultado es un llenado más limpio y denso, con menor atrapamiento de aire por turbulencia y menos problemas posteriores.
Fundición a presión asistida por vacío frente a sistemas de alto vacío
Los sistemas de vacío asistido evacuan parcialmente el molde, mejorando la calidad de muchas piezas sin el coste ni la complejidad de un sistema de vacío completo. Suelen ser suficientes para fundiciones moderadamente exigentes, ofreciendo una reducción considerable en porosidad y un mejor comportamiento de llenado.
Los sistemas de alto vacío buscan una evacuación casi total y el menor contenido posible de gas residual. Los moldes se sellan herméticamente, los canales de vacío se optimizan y las bombas se dimensionan para lograr un descenso rápido de la presión y un vacío estable durante el llenado.
En qué se diferencia de la fundición a presión convencional
- Porosidad y atrapamiento de gas: El sistema de vacío integrado elimina activamente el aire de la cavidad del troquel, reduciendo drásticamente la retención de gas y la porosidad interna que afecta a la HPDC convencional.
- Propiedades mecánicas: Esta reducción de la porosidad da como resultado propiedades mecánicas superiores y más consistentes, con menor variación entre lotes en cuanto a resistencia a la tracción, elongación y comportamiento a la fatiga.
- Capacidad de postprocesamiento: A diferencia de las piezas fundidas convencionales porosas, las piezas fundidas a presión al vacío suelen ser lo suficientemente densas como para poder soldarse y someterse a tratamiento térmico de forma segura, lo que permite una gama más amplia de aplicaciones.
La diferencia práctica se manifiesta en la estabilidad de las propiedades. Con el vacío, la resistencia a la tracción, la elongación y el comportamiento ante la fatiga tienden a ser mayores y varían menos entre lotes.
Cómo funciona la fundición a presión al vacío
Equipos clave, características de las herramientas y métodos de sellado
- Máquina de fundición a presiónUna máquina de alta presión con control de disparo rápido y velocidad de compuerta precisa.
- Sistema de vacíoBombas de vacío, válvulas de control, depósitos/acumuladores y sensores capaces de alcanzar rápidamente el nivel de vacío objetivo y mantenerlo durante el llenado.
- Troqueles sellados: Juntas de separación robustas, juntas tóricas/empaquetaduras alrededor de los pasadores y correderas del eyector, y bloques de vacío que dirigen el flujo de evacuación.
- Ventilación y compuertasEl canal de vacío se coloca estratégicamente para evacuar el aire de las zonas que se llenan en último lugar. Las compuertas se dimensionarán y orientarán para favorecer el flujo laminar y evitar la congelación prematura en las secciones delgadas.
- Instrumentación: Transductores de presión (vacío de cavidad), termopares (fusión y matriz) y sensores de posición/velocidad de la camisa de inyección y del émbolo.
Los fabricantes de herramientas suelen utilizar insertos de acero endurecido para puertos de vacío, superficies de ventilación pulidas y elastómeros compatibles con la compresión. La inspección rutinaria de juntas tóricas y del desgaste de la línea de separación está integrada en los programas de mantenimiento preventivo.
Proceso paso a paso
- Preparación del disparoLa masa fundida se lleva a una temperatura objetivo determinada y se dosifica la camisa de inyección con el volumen correcto de metal.
- Evacuar la cavidadSe abre el circuito de vacío. El sistema reduce la presión en la cavidad del chip y los canales conectados hasta el punto de ajuste. Para piezas exigentes, un retardo de preevacuación garantiza la estabilidad de la presión.
- Inyección/rellenoComienza la inyección. La fase 1 empuja el metal hacia la compuerta, y la fase 2 acelera hasta alcanzar una alta velocidad de compuerta para un llenado rápido mientras el vacío permanece activo, extrayendo los gases residuales a medida que avanza el frente.
- Intensificación/mantenerDespués de inyectar el metal fundido en el molde, se mantiene la presión para compensar la contracción a medida que el metal se solidifica, aún bajo vacío hasta que el frente sella la ventilación.
- Liberar y solidificarLas válvulas de vacío se cierran según corresponda y, a continuación, se finaliza la fundición tras la solidificación.
- Abrir y expulsarLa matriz se abre, los pasadores eyectores se accionan y la pieza se extrae. A continuación, se separan las rebabas y los canales de alimentación.
Esta secuencia temporal está estrictamente coordinada. Si el metal llega antes de que el vacío alcance el valor establecido, la entrada de gas aumenta drásticamente. Del mismo modo, el retraso en el cierre de la válvula puede introducir metal líquido en el circuito de vacío.
Parámetros críticos del proceso de fundición a presión al vacío
- Nivel de vacíoPara lograr una reducción significativa de la porosidad, muchos fabricantes buscan alcanzar presiones inferiores a 100 mbar. Las piezas de alta integridad suelen operar con presiones del orden de decenas de mbar.
- MomentoEl vacío debe alcanzar el valor de consigna antes de que el metal impacte la compuerta y debe mantenerse durante todo el periodo crítico de llenado. Retrasos de respuesta de incluso 50 a 100 ms pueden ser importantes en inyecciones de paredes delgadas.
- Velocidad de la puerta y tiempo de llenadoEl llenado rápido y controlado (a menudo de 30 a 60 m/s en la entrada para el aluminio, según la geometría) limita la oxidación superficial y los cierres en frío, al tiempo que mantiene la turbulencia bajo control.
- TemperaturasTemperatura de fusión suficientemente alta para mantener la fluidez (p. ej., aleaciones de aluminio, generalmente entre 660 y 720 °C, según su composición química); temperaturas de los moldes estabilizadas para evitar la congelación y soldadura prematuras. La consistencia es mejor que los extremos.
- Condiciones de lubricación y de la camisaUna correcta lubricación del émbolo y un control adecuado de la temperatura del manguito evitan la generación de gas y estabilizan el llenado de la primera etapa.
El control de procesos integra estos parámetros en una ventana repetible. Muchas plantas adoptan un control de inyección en lazo cerrado que ajusta los perfiles de velocidad para que coincidan con la retroalimentación de presión de la cavidad en tiempo real.
Beneficios y limitaciones
Excelentes propiedades mecánicas: Menor porosidad
Al eliminar los gases, la fundición a presión al vacío reduce tanto la porosidad superficial como la interna. Las piezas fundidas a presión poseerían mayor densidad, mayor resistencia a la fatiga y menor dispersión en la resistencia a la tracción y el alargamiento.. Por ejemplo, componentes de fundición a presión de aluminio Los procesos realizados bajo un vacío robusto a menudo logran elongaciones adecuadas para el tratamiento térmico T6 que no se consiguen de forma consistente con el HPDC convencional.
Calidad de pieza mejorada: Superficie limpia y hermética
A un frente de llenado más limpio y un flujo menos turbulento Producen acabados superficiales más finos y menos defectos estéticos. Y lo que es más importante, las piezas fundidas logran rendimiento a prueba de fugas Sin necesidad de impregnaciones en muchos diseños. Gracias a la minimización de la porosidad por gas, las piezas toleran la soldadura (MIG/TIG) y responden de forma predecible a los ciclos de solubilización y envejecimiento, evitando ampollas o deformaciones asociadas a la expansión del gas.
Limitaciones de la fundición a presión al vacío
La fundición a presión al vacío es principalmente adecuada para aluminio y magnesio, ya que las altas temperaturas y la reactividad de las aleaciones ferrosas generalmente las hacen inadecuadas para el proceso.
Desde una perspectiva operativa, el método impone Requisitos importantes de equipamiento y mantenimiento. Se requieren herramientas selladas meticulosamente, equipos de vacío confiables y un programa de mantenimiento riguroso para abordar el desgaste de componentes como juntas tóricas y líneas de separación, así como la acumulación de carbón en las válvulas.
Sin embargo, para aplicaciones de alto volumen o de alta integridad, esta inversión se justifica frecuentemente por un mayor rendimiento, una menor necesidad de retrabajo y la capacidad de consolidar piezas y realizar tratamientos térmicos posteriores.
Aplicaciones de la fundición a presión al vacío
Sostenibilidad y tendencias futuras
Mayor eficiencia y menores emisiones
La fundición a presión al vacío contribuye a la producción sostenible al generar menos piezas defectuosas. Menos chatarra significa menos metal que fundir, lo que reduce significativamente el consumo de energía y las emisiones asociadas. Esto también disminuye el consumo de otros recursos, como los productos químicos de sellado. Dado que la mayoría de las fundiciones ya reciclan internamente su chatarra, un mayor rendimiento hace que este ciclo de reciclaje sea mucho más eficiente.
Tecnología avanzada y automatización
El proceso se está volviendo más preciso gracias a la tecnología. modelos de software de simulación El sistema de moldeo y vacío se utiliza para perfeccionar el diseño antes de iniciar la producción. Durante el moldeo, los gemelos digitales y los controles de bucle cerrado emplean datos de sensores en tiempo real para garantizar que cada inyección cumpla con el estándar ideal. Esto se complementa con un mejor hardware de vacío, aleaciones especializadas y una mayor robótica, lo que da como resultado un proceso altamente automatizado y fiable que cumple con los estrictos estándares de la industria.
Conclusión
Aunque el concepto de fundición a presión al vacío se remonta a la década de 1970 o incluso antes, sigue siendo un campo relativamente nuevo y en expansión en comparación con la fundición a presión tradicional. Sin embargo, representa el avance más práctico disponible cuando la porosidad, la soldabilidad o la respuesta al tratamiento térmico son factores determinantes.
Gracias a la fundición a presión al vacío, la inversión inicial en utillaje, hardware y formación se amortiza con un mayor rendimiento. Los fabricantes adquieren mayor seguridad a la hora de abordar los exigentes requisitos de precisión dimensional y los diseños estructurales.
Preguntas frecuentes
¿Existen aleaciones específicas que se beneficien más del moldeo por inyección al vacío?
Como se mencionó anteriormente, este método de fundición puede utilizar aluminio y magnesio. Pero, de hecho, es particularmente transformador para aleaciones de aluminio. Estas aleaciones son propensas a la retención de gases y a la porosidad por hidrógeno, lo que limita considerablemente su capacidad de tratamiento térmico. Por lo tanto, la fundición a presión al vacío resulta más beneficiosa para las series de aluminio de alta resistencia (como el aluminio). A356 o 360) que están destinados a un tratamiento térmico T5 o T6, ya que elimina el gas que causaría ampollas y debilidad.
¿Cómo se compara el coste de la fundición a presión al vacío con otros métodos de fundición de baja porosidad como la fundición por compresión o la fundición de metal semisólido (SSM)?
La fundición a presión al vacío se suele elegir como una solución más rentable para la producción en grandes volúmenes en comparación con la fundición por compresión o la fundición SSM. Si bien todos los métodos reducen la porosidad, la fundición por compresión requiere maquinaria especializada (y a menudo más lenta), y la fundición SSM implica el uso de materiales de alimentación complejos. La fundición a presión al vacío aprovecha las máquinas estándar de fundición a presión de alta presión con un sistema adicional, lo que la hace ideal para producir millones de piezas con alta integridad en un tiempo de ciclo competitivo.
¿Existen formas complejas específicas que no sean adecuadas para la fundición a presión al vacío?
Sí, el proceso tiene sus limitaciones. Las piezas con cavidades extremadamente profundas y estrechas pueden ser problemáticas, ya que el vacío podría no evacuar eficazmente el aire atrapado en estas zonas muertas antes de que el metal las selle. De igual modo, las piezas con núcleos internos que crean cavidades segmentadas y complejas pueden dificultar la colocación de respiraderos de vacío eficaces, lo que podría dejar bolsas de gas aisladas.