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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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Regenerating of moulding sands,environment, emissions
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