Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena Autor: Pablo Falcón Ganfornina Tutor: Aida Estévez Urra Dpto. Ingeniería Mecánica y Fabricación Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 iii Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena Autor: Pablo Falcón Ganfornina Tutor: Aida Estévez Urra Profesora colaboradora Dpto. Ingeniería Mecánica y Fabricación Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 v Trabajo Fin de Grado: Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena Autor: Pablo Falcón Ganfornina Tutor: Aida Estévez Urra El tribunal nombrado para juzgar el Trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2023 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis maestros ix Agradecimientos Me gustaría agradecer a mi familia y seres queridos por todo el apoyo recibido durante todos mis años de estudiante y por haberme animado hasta conseguir mi objetivo. También, agradecer a mi tutora Aida Estévez por su total implicación en este proyecto. 3.5.2. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN 53 3.5.3. CONTRAPESOS 59 4. FABRICACIÓN ADITIVA 61 4.1. INTRODUCCIÓN 61 4.1.1. VENTAJAS Y DESVENTAJAS 61 4.1.2. ETAPAS DEL PROCESO 62 4.1.3. TECNOLOGÍAS 65 4.1.4. APLICACIONES 68 4.2. INSTRUMENTACIÓN 69 4.3. MODELACIÓN 71 4.4. FABRICACIÓN 74 4.4.1. MODELO DEL SOPORTE RODAMIENTO 75 4.4.2. MODELO DE LA HORQUILLA PARA EJE 77 4.4.3. MODELO DEL CENTRADOR EN V 79 5. DEMOSTRACIÓN EXPERIMENTAL 81 5.1. ENSAYO DEL SOPORTE DE RODAMIENTO 85 5.2. ENSAYO DE LA HORQUILLA PARA EJE 86 5.3. ENSAYO DEL CENTRADOR EN V 89 6. CONCLUSIONES 93 REFERENCIAS 95 ANEXO A: PLANOS 97 ANEXO B: CÓDIGOS MATLAB 117 xvii Índice de figuras Figura 2.1. Esquema de las partes de la fundición en arena [5] 6 Figura 2.2. Dimensiones caja de moldeo empleadas en las prácticas 7 Figura 2.3. Caja de moldeo en la práctica de Tecnología de Fabricación I 7 Figura 3.4. Modelo de madera de la práctica de Tecnología de Fabricación I [5] 8 Figura 2.5. Representación del sobredimensionado aplicado al modelo de la práctica 9 Figura 2.6. Molde con macho de la práctica de Tecnología de Fabricación [5] 9 Figura 2.7. Componentes de un sistema de alimentación 10 Figura 2.8. Mazarota abierta contrarrestando la contracción en la pieza [6] 10 Figura 2.9. Configuración mazarota superior 12 Figura 2.10. Configuración mazarota lateral 12 Figura 2.11. Modelo fabricado en PLA por una impresora 3D 12 Figura 3.1. Soporte de rodamiento 13 Figura 3.2. Horquilla para eje 14 Figura 3.3. Centrador en V 14 Figura 3.4. Gráfica que relaciona la constante A con la temperatura de fusión 16 Figura 3.5. Gráfica que relaciona la constante n con la conductividad térmica 17 Figura 3.6. Gráfica que relaciona la constante m con la densidad 17 Figura 3.7. Dimensiones del soporte de rodamiento 18 Figura 3.8. Propuesta de ubicación del modelo para el soporte en la caja de moldeo 19 Figura 3.9. Representación de los ángulos de salida aplicados a las superficies del modelo soporte 20 Figura 3.10. Propuesta de ubicación de la mazarota superior en la pieza soporte 21 Figura 3.11. Distancias de alimentación en placas obtenidas experimentalmente [3] 22 Figura 3.12. Representación de la distancia de alimentación de la mazarota del soporte 23 Figura 3.13. Mazarota superior para el soporte de rodamiento 23 Figura 3.14. Representación del salto efectivo para un llenado por la línea de partición 25 Figura 3.15. Dimensiones bebedero para el soporte de rodamiento 26 Figura 3.16. Dimensiones de la copa de vertido 27 Figura 3.17. Bebedero y copa de vertido para el soporte de rodamiento 27 Figura 3.18. Dimensionado recomendado para el pozo de colada [ ] 27 Figura 3.19. Dimensionado canal de colada [11] 28 Figura 3.20. Dimensiones canal de colada para el soporte de rodamiento 28 Figura 3.21. Distancia entre ataques para el soporte 29 Figura 3.22. Dimensionado ataque [11] 29 Figura 3.23. Dimensiones ataque para el soporte de rodamiento 29 Figura 3.24. Pozo de colada, canales de colada y ataques para el soporte 30 Figura 3.25. Modelo 3D AutoCad del modelo completo para el soporte 31 Figura 3.26. Fuerzas producidas en la fundición del soporte 32 Figura 3.27. Dimensiones de la horquilla para eje 34 Figura 3.28. Propuesta de ubicación del modelo para la horquilla en la caja de moldeo 35 Figura 3.29. Representación de los ángulos de salida aplicados a las superficies del modelo horquilla 36 Figura 3.30. Propuesta de ubicación de la mazarota lateral en la pieza horquilla 37 Figura 3.31. Dimensiones recomendadas para el ataque de mazarotas laterales [11] 37 Figura 3.32. Distancias de alimentación en barras obtenidas experimentalmente [3] 38 Figura 3.33. Representación de la distancia de alimentación de la mazarota de la horquilla 39 Figura 3.34.Mazarota lateral para la horquilla para eje 40 Figura 3.35. Dimensiones bebedero para la horquilla para eje 42 Figura 3.36. Bebedero y copa de vertido para la horquilla para eje 42 Figura 3.37. Dimensiones canal de colada para la horquilla para eje 43 Figura 3.38. Distancia entre ataques para la horquilla 44 Figura 3.39. Pozo de colada y canales de colada para la horquilla para eje 44 Figura 3.40. Dimensiones ataque para la horquilla para eje 44 Figura 3.41. Pozo de colada, canales de colada y ataques para la horquilla 45 Figura 3.42. Modelo 3D AutoCad del modelo completo para la horquilla 46 Figura 3.43. Fuerzas producidas en la fundición de la horquilla 46 Figura 3.44. Dimensiones del centrador en V 48 Figura 3.45. Propuesta de ubicación del modelo para el centrador en V en la caja de moldeo 49 Figura 3.46. Representación de los ángulos de salida aplicados a las superficies del modelo centrador 50 Figura 3.47. Propuesta ubicación de la mazarota superior en el centrador en V 50 Figura 3.48. Representación de la distancia de alimentación de la mazarota del centrador 52 Figura 3.49. Mazarota superior para el centrador en V 53 Figura 3.50. Dimensiones bebedero para el centrador en V 55 Figura 3.51. Bebedero y copa de vertido para el centrador en V 55 Figura 3.52. Dimensiones de canal de colada para el centrador en V 56 Figura 3.53. Distancia entre ataques para el centrador 57 Figura 3.54. Dimensiones ataque para el centrador en V 57 Figura 3.55. Pozo de colada, canal de colada y ataques para el centrador 58 Figura 3.56. Modelo 3D AutoCad del modelo completo para la pieza 59 Figura 3.57. Fuerzas producidas en la fundición del centrador 59 Figura 4.1. Piñón fabricado mediante fabricación aditiva 61 Figura 4.2. Soporte de rodamiento generado en AutoCAD 63 Figura 4.3. Soporte rodamiento en formato STL 63 Figura 4.4. Soporte de rodamiento laminado en CURA 64 Figura 4.5. Segmento de G-code (código ISO) generado por CURA 64 Figura 4.6. Soporte rodamiento impreso 3D 64 Figura 4.7. SLA, Stereolithography [14] 65 Figura 4.8. PolyJet [14] 65 Figura 4.9. SGC, Solid Ground Curing [14] 66 Figura 4.10. DMLS, Direct Metal Laser Sintering [14] 66 Figura 4.11. 3DP, Three Dimensional Printing [14] 66 Figura 4.12. DMD, Direct Metal Deposition [14] 66 Figura 4.13. SLM, Selective Laser Melting [14] 66 Figura 4.14. EBM, Electron Beam Melting [14] 67 Figura 4.15. LOM, Laminated Object Manufacturing [14] 67 Figura 4.16. FDM, Fused Deposition Modeling [14] 67 Figura 4.17. Impresora Ender 3 – V2 69 Figura 4.18. Volumen de impresión Ender 3 – V2 70 xix Figura 4.19. Sistema de ejes Ender 3 – V2 70 Figura 4.20. Pantalla digital Ender 3 - V2 70 Figura 4.21. Visualización principal del programa Ultimaker Cura 72 Figura 4.22. Parámetros de la impresora 72 Figura 4.23. Modelo stl del soporte de rodamiento cargado en Cura 72 Figura 4.24. Desplegable de ajustes de impresión 73 Figura 4.25. Ajustes básicos de impresión 73 Figura 4.26. Segmentación del soporte de rodamiento 74 Figura 4.27. Visualización de la capa 46 de la impresión del soporte de rodamiento 74 Figura 4.28. Imprimiendo primera capa para la pieza soporte rodamiento 75 Figura 4.29. Error de impresión pieza soporte de rodamiento 76 Figura 4.30. Impresión del soporte de rodamiento con balsa 76 Figura 4.31. Modelo pieza - soporte de rodamiento 77 Figura 4.32. Modelo mazarota - soporte de rodamiento 77 Figura 4.33. Modelo bebedero y cubeta de vertido - soporte de rodamiento 77 Figura 4.34. Modelo ataques, pozo y canales de colada - soporte de rodamiento 77 Figura 4.35. Modelo pieza – horquilla para eje 78 Figura 4.36. Modelo mazarota – horquilla para eje 78 Figura 4.37. Modelo pozo y canales de colada – horquilla para eje 78 Figura 4.38. Modelo ataques – horquilla para eje 79 Figura 4.39. Modelo bebedero y cubeta de vertido – horquilla para eje 79 Figura 4.40. Modelo pieza – centrador en V 80 Figura 4.41. Modelo mazarota – centrador en V 80 Figura 4.42. Modelo bebedero y cubeta de vertido – centrador en V 80 Figura 4.43. Modelo ataques, pozo y canales de colada – centrador en V 80 Figura 5.1. Posicionamiento del modelo en la caja superior 81 Figura 5.2. Compactación de la arena en la caja superior 81 Figura 5.3. Proceso de moldeo caja inferior 82 Figura 5.4. Extracción del modelo 82 Figura 5.5. Eliminación de impurezas del molde 83 Figura 5.6. Molde ensamblado 83 Figura 5.7. Horno eléctrico 83 Figura 5.8. Colada, llenado del molde 83 Figura 5.9. Desmoldeo 84 Figura 5.10. Limpieza de la fundición 84 Figura 5.11. Eliminación de sistemas auxiliares 85 Figura 5.12. Corte a la pieza para su estudio 85 Figura 5.13. Resultado pieza soporte de rodamiento con mazarota (propuesta inicial) 86 Figura 5.14. Resultado pieza soporte de rodamiento sin mazarota (propuesta inicial) 86 Figura 5.15. Resultado pieza horquilla con mazarota (propuesta inicial) 86 Figura 5.16. Resultado pieza horquilla sin mazarota (propuesta inicial) 87 Figura 5.17. Propuesta final de ubicación del modelo para la horquilla para eje en la caja de moldeo 88 Figura 5.18. Mazarota lateral cerrada para la horquilla para eje (Anexo A: plano 2.2.1) 88 Figura 5.19. Resultado pieza horquilla con mazarota (propuesta final) 89 Figura 5.20. Resultado pieza horquilla sin mazarota (propuesta final) 89 Figura 5.21. Resultado pieza centrador en V con mazarota (propuesta inicial) 89 Figura 5.22. Resultado pieza centrador en V sin mazarota (propuesta inicial) 90 Figura 5.23. Propuesta final de ubicación del modelo para el centrador en V en la caja de moldeo 90 Figura 5.24. Mazarota lateral cerrada para el centrador en V (Anexo A: plano 3.2.1) 91 Figura 5.25. Resultado pieza centrador en V con mazarota (propuesta final) 91 Figura 5.26. Resultado pieza centrador en V sin mazarota (propuesta final) 92 xxi Índice de tablas Tabla 3.1. Propiedades generales del estaño (Sn) [9] 15 Tabla 3.2. Constantes de Mikhailov [2] para distintos metales 15 Tabla 3.3. Propiedades de distintos metales [10] 16 Tabla 3.4. Constantes de Milkhailov obtenidas para el estaño. 18 Tabla 3.5. Volúmenes del sistema de alimentación para el soporte de rodamiento 30 Tabla 3.6. Volúmenes que generan empuje en la caja superior para el soporte de rodamiento 33 Tabla 3.7. Volúmenes que generan peso en la caja superior para el soporte de rodamiento 33 Tabla 3.8. Empujes y pesos producidos en la caja superior al fabricar el soporte de rodamiento 33 Tabla 3.9 . Volúmenes del sistema de alimentación para la horquilla 45 Tabla 3.10. Volúmenes que generan empuje a la caja superior para la horquilla 47 Tabla 3.11. Volúmenes que generan peso en la caja superior para la horquilla 47 Tabla 3.12. Empujes y pesos producidos en la caja superior al fabricar la horquilla 47 Tabla 3.13. Volúmenes del sistema de alimentación para el centrador 58 Tabla 3.14. Volúmenes que generan empuje a la caja superior para el centrador 60 Tabla 3.15. Volúmenes que generan peso en la caja superior para el centrador 60 Tabla 3.16. Empujes y pesos producidos en la caja superior al fabricar el centrador 60 Tabla 4.1. Clasificación de las distintas tecnologías según el método de aporte de material y energía [14] 68 Tabla 4.2. Especificaciones impresora Ender 3 – V2 71 Tabla 4.3. Ficha técnica filamento STARFIL coral 75 Tabla 4.4. Datos de fabricación para el modelo del soporte de rodamiento 77 Tabla 4.5. Ficha técnica filamento SMARTFIL gold 78 Tabla 4.6. Datos de fabricación para el modelo de la horquilla para eje 79 Tabla 4.7. Ficha técnica filamento SMARTFIL true black 79 Tabla 4.8. Datos de fabricación para el modelo del centrador en V 80 Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 1. Introducción 1 1. INTRODUCCIÓN 1.1. ANTECEDENTES La fundición en arena verde es uno de los procesos más antiguos y versátiles utilizados en la industria de la fundición para crear piezas metálicas complejas con una amplia gama de formas y tamaños. Esta técnica, también conocida como fundición en molde de arena, se basa en el uso de arena húmeda y aglutinantes para crear moldes temporales mediante modelos, donde tras dar forma al molde y ser extraídos se vierte el metal fundido, creando así la pieza deseada tras solidificar. A lo largo de los siglos, la fundición en arena verde ha demostrado su eficacia en la producción de componentes esenciales para diversas industrias, desde automotriz hasta aeroespacial, pasando por la fabricación de maquinaria y equipamiento industrial. Con constantes avances en tecnología y materiales, esta antigua técnica continúa evolucionando y manteniéndose relevante en el panorama de la fabricación moderna. Es, por tanto, que este proceso de fabricación es enseñado y practicado en Tecnología de Fabricación I donde a los alumnos se les explica y demuestra el proceso de moldeo y la obtención de la pieza final de estaño. Siguiendo esta metodología docente, se pretende hacer similitud en Tecnología de Fabricación II. El desarrollo y la evaluación de la asignatura están orientado a la realización de un proyecto donde los alumnos, organizados en grupos, deben planificar y diseñar el proceso de fabricación de una pieza real [1], profundizando de la manera más práctica posible, en los principales procesos de fabricación, particularmente los procesos de fundición manual en arena y mecanizado. Donde, en las prácticas llevadas a cabo en el taller, se hará mayor hincapié en la importancia del sistema de compensación para contrarrestar la contracción del metal al solidificar. Un área de estudio de gran interés se enfoca en el diseño adecuado del sistema de alimentación y sus componentes auxiliares. El investigador F. Nielsen (1956) realizó estudios pioneros en el diseño de los canales de colada y sistemas relacionados como parte de la investigación en la optimización del sistema de alimentación y sus componentes auxiliares. Posteriormente, surgió una nueva forma de optimizar el diseño del sistema de alimentación con los estudios de Mikhailov (1989) sobre el tiempo de llenado de los moldes en fundición [2]. El dimensionado y la ubicación del sistema de compensación (mazarotas) son aspectos cruciales para evitar contracciones internas en la pieza final e influyentes en otros factores como los tiempos de llenado y solidificación. Destacan en este sentido los estudios de Caine (1949) y W.S. Pellini (1953), quienes buscaron el diseño óptimo del sistema de compensación, especialmente enfocado en aceros [3]. El diseño y cálculo, y especialmente la ubicación de los elementos del sistema de alimentación y compensación, puede resultar complejo y en algunos casos insatisfactorio desde el punto de vista de la calidad de las piezas obtenidas, ya que los estudios mencionados anteriormente son reales para casos aislados en ubicaciones optimas. Por ello las simulaciones toman un papel vital, donde se pueden Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 1. Introducción 2 realizar los procesos de llenado, solidificación y enfriamiento [4]. De esta forma se pueden corregir parámetros de diseño antes de tener que fabricar el modelo. Respecto a la fabricación del modelo, actualmente se están implementando nuevas tecnologías en la fundición en arena como es la fabricación aditiva (impresión 3D) para la creación de los modelos. Este enfoque busca mejorar la complejidad, rapidez, coste y precisión en la creación de modelos. La fabricación aditiva ha experimentado un crecimiento constante desde sus inicios en la década de 1980 y ha evolucionado desde una tecnología centrada en prototipos hasta una herramienta de fabricación viable para una amplia gama de aplicaciones en diversas industrias. Su futuro promete avances continuos y una mayor integración en los procesos de fabricación. 1.2. OBJETIVOS El objetivo principal de este proyecto es estudiar la influencia del sistema de compensación en una fundición en arena verde, que tiene como función contrarrestar la contracción del metal al solidificar, particularmente por la presencia de rechupes en la pieza. Para ello se ha elegido una serie de piezas de diferentes tipologías geométricas para estudiar diferentes condiciones de moldeo, de llenado y de colocación de la mazarota. Las fundiciones se harán en estaño, un material poco habitual en fundición, pero económico para las prácticas de taller por su bajo punto de fusión. También se estudiará la mejor ubicación de la mazarota, de manera analítica y experimental, de forma que el resultado sea, en una misma caja de fundición, una pieza buena (con mazarota) y otra con defectos por contracción (sin mazarota). Por otro lado, con este proyecto se busca la implementación de nuevas tecnologías en la fundición, como es la fabricación aditiva. Por tanto, tras realizar los diseños de los moldes, se fabricarán en una impresora 3D en material plástico (PLA). 1.3. TAREAS A REALIZAR Primeramente, se deben definir las piezas de estudio justificando su elección. La elección de las piezas se basará en el tamaño, forma y complejidad para abarcar a un mayor estudio de la contracción. Antes de comenzar el diseño del molde, se debe obtener la mayor información acerca del material a fundir, el estaño. Ya que como se ha dicho con anterioridad, no es un metal habitual en la fundición y esto podrá causar falta de datos para los cálculos. Luego, ya una vez definidas las piezas y el material, se procede al cálculo y diseño de los moldes para cada pieza de estudio. Ahí se incluye tanto el sistema de alimentación como el sistema de compensación que llevará una de las piezas, para así estudiar la influencia de la mazarota en el mismo molde a fundir. Para el diseño se debe inicialmente la ubicación de los modelos en la caja de fundición, aunque luego puedan ser reubicados por motivos de comprobaciones experimentales. Para el diseño del sistema de alimentación se crea un software para el cálculo de cada elemento del sistema. Este programa informático, básico, en base a datos generales de la pieza de estudio y el material de fundición, realiza todos los cálculos para obtener las dimensiones óptimas del bebedero, pozo de colada, canal de colada y ataques. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 1. Introducción 3 Tras diseñar cada molde para cada pieza, se deben fabricar los modelos. Para ello, se hará uso de una impresora 3D, obteniendo los modelos impresos en plástico. Cada modelo se fabricará con un material (PLA) de marcas y colores diferentes lo que provocará variaciones en los parámetros de fabricación para cada pieza, para evitar irregularidades en la impresión. Estos parámetros también dependerán del tamaño y forma del modelo. Finalmente, de manera experimental, se llevará acabo la etapa de fundición en el taller del departamento de ingeniería mecánica y fabricación, en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla. Donde se obtendrán los resultados y se estudiará la importancia de tener un correcto sistema de compensación para cada modelo. Para el estudio, se la hará una serie de cortes a las piezas fundidas para poder analizar la aparición de defectos internos, como rechupes. Tal como se mencionó previamente, en algunos casos será necesario ajustar tanto la disposición de las piezas en la caja de moldeo como su diseño después de evaluar resultados insatisfactorios, con el fin de alcanzar un resultado correcto. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 2. Innovación docente en prácticas de fundición 10 • Sistema de alimentación: Su objetivo principal es asegurar un suministro adecuado de metal líquido para llenar completamente el molde y formar la pieza deseada. En la figura 2.7 se detalla cada parte que forman el sistema. Figura 2.7. Componentes de un sistema de alimentación • Sistema de compensación: Cuando el metal fundido se enfría y se solidifica, experimenta una contracción volumétrica. Esta contracción puede resultar en defectos como rechupes, porosidades u otros defectos en la pieza fundida si no se tiene en cuenta adecuadamente. El sistema de compensación se utiliza para prevenir o minimizar estos problemas. Para ello, se tiene: - Mazarota: es un depósito de metal líquido con un volumen adecuado que se utiliza para suministrar continuamente material al modelo con el fin de compensar las contracciones volumétricas. (ver figura 2.8) - Enfriadores: elementos metálicos que facilitan el enfriamiento en zonas con una alta relación volumen/área exterior. - Respiraderos: Canales estrechos que comunican la cavidad con el exterior para facilitar la evacuación del aire inicial y gases. Figura 2.8. Mazarota abierta contrarrestando la contracción en la pieza [6] Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 2. Innovación docente en prácticas de fundición 11 5. ARENA La arena de moldeo está compuesta por sílice (SiO2) + otros minerales (88 %), aglomerantes como arcilla (silicato alumínico hidratado), bentonita (silicato sódico), resinas orgánicas (9 %), agua (3 %) y aditivos para mejorar resistencia, permeabilidad y evitar expansión y adherencia (óxido férrico, serrín, carbón vegetal, grafito). Esta composición te ofrece una arena con capacidad de resistir altas temperaturas sin fundirse ni degradarse, mantener la forma y soportar la erosión, y capacidad de evacuar gases. Durante el desarrollo de la práctica los alumnos se van familiarizando con todos los elementos mencionados antes conforme van elaborando el molde, excepto con el empleo de un sistema de compensación o mazarota para contrarrestar la posible contracción que se produzca. Es por ello, que en el siguiente epígrafe se platea una nueva propuesta de prácticas donde se realice este estudio. 2.3. PROPUESTA DE NUEVAS PRÁCTICAS DE TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN La nueva propuesta de prácticas de fundición está enmarcada inicialmente en la asignatura de Tecnología de Fabricación II, siendo extensible a otras asignaturas del área de conocimiento. En el proyecto a realizar por los alumnos, se incorporará el diseño de un molde que permita el estudio de la contracción, siendo este, además, elaborado mediante fabricación aditiva. El estudio se realizará mediante la fabricación de dos piezas idénticas por caja, con su sistema de alimentación y colocando una mazarota en una sola pieza. Con ello se pretende comprobar que la pieza con mazarota, si está bien diseñada, calculada y colocada, será capaz de contrarrestar la contracción, mientras que en la pieza sin mazarota se producirán rechupes externos que se comprobarán a simple vista, y rechupes internos que se comprobarán cortando la pieza por las zonas consideradas nudos térmicos, que será donde se espera que aparezcan las contracciones internas. Para ello, las 3 piezas elegidas tienen diferentes tipologías, geometrías y formas que permitirán el estudio de posibles defectos, fundamentalmente la contracción, además de plantear distintas ubicaciones en la caja de moldeo y tipos de mazarotas. Para contrarrestar la contracción del metal, se diseñará y fabricará un sistema de compensación controlado por mazarotas. Cada pieza se analizará previamente y se le determinará una ubicación en la caja de moldeo y por consiguiente el tipo de mazarota. El tipo de mazarota dependerá de la disposición del modelo en la caja, teniendo tanto mazarotas superiores o laterales como abiertas o cerradas. El uso de la mazarota abierta, tanto lateral como superior, es por la gran capacidad de expulsión de gases, eliminando así la aparición de cavidades en el interior de la pieza. Por otro lado, las mazarotas cerradas, al estar aislada del exterior, conserva más la temperatura garantizando su función durante más tiempo. Las mazarotas superiores son bastante eficientes ya que su radio de acción, para evitar la rápida solidificación, sería 360 puesto que se situaría encima de la pieza como se puede ver en la figura 2.9. Por tanto, se conseguiría un menor gasto de material, ya que no necesita ataques hacia la pieza, en diferencia de las mazarotas laterales. Debido a que su radio de acción es mayor por lo dicho anteriormente, se necesitaría unas menores dimensiones de la mazarota para cumplir su objetivo. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 2. Innovación docente en prácticas de fundición 12 Por otro lado, la mazarota lateral es mucho más cómoda para ser eliminada tras la fundición, ya que se comunica con la pieza mediante un ataque dispuesta en el contorno de la pieza como se puede ver en la figura 2.10. Figura 2.9. Configuración mazarota superior Figura 2.10. Configuración mazarota lateral Por otra parte, se implementará la elaboración de los modelos mediante fabricación aditiva, dejando atrás los modelos de madera o metal que requerían mayor tiempo y coste de fabricación. Con la fabricación de modelos en materiales termoplásticos (ver figura 2.11), también se acercará al alumno a la aplicación de nuevas tecnologías en procesos tan tradicionales como es la fundición manual en arena en verde. Figura 2.11. Modelo fabricado en PLA por una impresora 3D Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 13 3. DISEÑO DE LOS MOLDES En este apartado, se llevará a cabo la elección de las piezas que se emplearán en las prácticas y se justificará dicha elección. Además, se aporta la información necesaria sobre el material a fundir, así como los diseños y cálculos de los modelos y los sistemas de alimentación y compensación. 3.1. SELECCIÓN DE PIEZAS TIPO Debido a que el objetivo de las prácticas es el estudio experimental de la contracción, se han elegido tres piezas con tipologías varias pero que tienen en común la presencia de nudos térmicos importantes. También se ha tenido en cuenta su diferencia en cuanto a que puedan ser fundidas en una o en dos cajas, y a las varias posiciones que se pueden adoptar en el sistema de compensación Pieza 1: Soporte de rodamiento. Un soporte de rodamiento es un componente mecánico utilizado para montar y apoyar un rodamiento. En este caso la pieza a fabricar es la base del llamado soporte de rodamiento abierto, ya que consiste en una base y un cerramiento superior que abraza al rodamiento atornillándose a la base. Esta pieza se caracteriza por tener un gran volumen y sin espesores pequeños en general. Es una pieza simple, pero con una zona que acumulará mucha energía calorífica, considerándose un nudo térmico y que pudiera presentar defectos por contracción una vez fundida. Figura 3.1. Soporte de rodamiento Pieza 2: Horquilla para eje. La horquilla para eje se encuentra comúnmente en vehículos de dos ruedas, como bicicletas y motocicletas, aunque también es frecuente para uso industrial. La horquilla para eje se compone de dos brazos laterales que se fijan al eje, y se extienden hacia arriba y se unen en un punto en la parte superior. Esta pieza también tiene bastante volumen, aunque se divide en una zona gruesa y zonas de menor espesor. Suponiendo así una geometría un poco más compleja, pudiendo provocar defectos por altos gradientes de temperatura entre las zonas gruesa y fina. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 14 Figura 3.2. Horquilla para eje Pieza 3: Centrador en V. Un centrador en V es una herramienta utilizada en la industria para alinear y sostener piezas de trabajo cilíndricas o tubulares durante el proceso de mecanizado. Consiste en un bloque de metal en forma de "V". En esta pieza se puede apreciar una gran similitud a una placa plana, ya que cuenta con un área mucho mayor al espesor medio de la pieza. Debido a su geometría esta pieza es susceptible a defectos si no se alimenta a una correcta temperatura de colada, ya que al tener tanta área tiene más frentes de solidificación y provocar uniones frías. Figura 3.3. Centrador en V 3.2. MATERIAL El material por utilizar para la fundición de las piezas será el estaño, ya que posee baja temperatura de fusión (Tª = 232 ⁰C, ver tabla 3.1) y así se ahorra energía, además de tiempo, a la hora de la realización de la práctica de fundición en arena verde en la asignatura de Tecnología de Fabricación. Aunque el precio del estaño es más caro que un metal de fundición, a largo plazo renta más el estaño por lo comentado anteriormente. Además de su propiedad más destacada, que es su baja temperatura de fusión, el estaño se distingue por ser un metal maleable y dúctil a bajas temperaturas. Es un metal de color blanco-plateado que se utiliza ampliamente en numerosos procesos industriales, como revestimientos de cobre o aleaciones de cobre, soldaduras y también se utiliza en la industria aeroespacial en aleaciones con titanio. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 15 Tabla 3.1. Propiedades generales del estaño (Sn) [9] Propiedades generales del estaño Densidad: 7,3 g/cm³ Calor específico: 228 J/(K·kg) Tª de fusión: 232⁰C Conductividad térmica: 30 W/(K·m) Tª de ebullición: 2602⁰C Capacidad calorífica: 0,256 J/g·⁰C Entalpía de fusión: 7,03 kJ/mol Difusividad térmica: 3,45 m²/s ·10⁵ Viscosidad: 2,71 mPa/s Coeficiente de contracción: 2,51 % Ha sido muy difícil encontrar información acerca del estaño para fundición, pues, aunque es un material con buena colabilidad, no es usado comúnmente en este proceso como es el caso del hierro gris, hierro nodular, aceros, aleaciones no ferrosas, entre otros. Numerosa bibliografía consultada como Mikhailov. (1989). Metal Casting. Mir Publishers. [2], Campbell. (2004). Castings practice: the 10 rules of castings. Butterworth-Heinemann. [3], Beeley. (2001). Foundry Technology. Elsevier Science. [7], Campbell. (2015). Complete Casting Handbook: Metal Casting Processes, Metallurgy, Techniques and Design: Second Edition. [8], entre otras, no aportan datos sobre el estaño asociado a procesos de fundición. Para solventar este problema de falta de información y poder realizar los diseños y cálculos de los elementos del modelo, sistema de alimentación y de compensación, se han tomado como referencia valores de propiedades ya conocidas de metales de fundición como los mostrados en la tabla 3.2, donde se exponen los valores de las constantes A, m y n, necesarias para calcular el tiempo de llenado tf según Mikhailov (ecuación 3.1) Posteriormente se han hecho correlaciones con otras propiedades, para determinar las características del estaño. 𝑡𝑓=𝐴∙𝛿𝑛∙𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑚 (3.1) Donde: 𝑡𝑓 Tiempo de llenado 𝛿 Espesor mínimo de la pieza 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 Peso total del modelo (piezas, sistema de alimentación y sistema de compensación) 𝐴,𝑛,𝑚 Constantes de Milkhailov (Tabla 3.2) Tabla 3.2. Constantes de Mikhailov [2] para distintos metales Tipo de aleación A m n Acero 1,47 0,21 0,34 Hierro gris 0,76 0,23 0,50 Hierro maleable 1,89 0,43 0,50 Hierro nodular 0,97 0,00 0,50 Aluminio 1,42 0,18 0,50 Bronce 0,47 0,20 0,50 Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 16 Se ha realizado un análisis de las constantes y se ha determinado lo siguiente: • La constante A influye significativamente en el tiempo de llenado. Por tanto, esta constante mantiene relación con propiedades del metal como su temperatura de fusión, capacidad calorífica y conductividad La constante n influye en el grosor mínimo de la pieza, por lo que se puede relacionar con propiedades del metal como su conductividad térmica y viscosidad. • La constante m influye directamente en el peso total del modelo, y, por tanto, afecta a la densidad y al volumen. Una vez atribuidas propiedades de los metales (ver tabla 3.3) a las distintas constantes Milkhailov, se pueden obtener unas líneas de tendencia para cada constante, como se puede ver en las siguientes gráficas de las figuras 3.4, 3.5 y 3.6. Tabla 3.3. Propiedades de distintos metales [10] Propiedad Acero Hierro gris Hierro maleable Hierro nodular Aluminio Bronce Tª fusión (⁰C) 1516 1260 1260 1150 660,3 1000 Conductividad térmica (W/m·K) 29,9 38 40 29,3 94,03 75 Densidad (g/cm³) 7,85 7,15 7,15 7,3 2,7 8,77 Figura 3.4. Gráfica que relaciona la constante A con la temperatura de fusión 1,47 1,42 0,47 0,76 0,97 1,89 1,47 1,42 0,47 0,76 0,97 1,89 y = 0,0003x + 0,8207 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 A Tº de fusión (⁰C) Acero Aluminio Bronce Hierro gris Hierro nodular Hierro maleable Línea de tendencia Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 17 Figura 3.5. Gráfica que relaciona la constante n con la conductividad térmica Figura 3.6. Gráfica que relaciona la constante m con la densidad 0,34 0,50,5 0,34 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 y = 0,0009x + 0,4258 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 015 30 45 60 75 90 105 120 n Conductividad térmica (W/m∙K) Acero Aluminio Bronce Hierro gris Hierro nodular Hierro maleable Línea de tendecia 0,21 0,18 0,2 0,23 0 0,43 0,21 0,18 0,2 0,23 0 0,43 y = 0,0037x + 0,1831 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0 2 4 6 8 10 12 m Densidad (g/cm3) Acero Aluminio Bronce Hierro gris Hierro nodular Hierro maleable Línea de tendecia Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 18 Analizando las gráficas de las figuras 3.4, 3.5 y 3.6, tomando como referencia las propiedades del estaño en cada caso, e interceptando la línea de tendencia, se infieren los valores de las constantes de Milkhailov para el estaño para poder realizar diseños y los cálculos de los elementos del molde. Tabla 3.4. Constantes de Milkhailov obtenidas para el estaño. Tipo de aleación A m n Estaño 0,99 0,21 0,453 3.3. DISEÑO Y CÁLCULO DEL MODELO PARA EL SOPORTE DE RODAMIENTO En la figura 3.7 se indican las dimensiones del soporte. Como se ha comentado anteriormente, es una pieza de gran volumen sin espesores pequeños, aunque cuenta con un nervio de 8 mm como refuerzo. Este nervio cumple con el mínimo espesor a fabricarse por fundición, que en material de fundición como el estaño tiene que ser mayor a 2,5 mm, determinado mediante la Guía de fundición [11]. Figura 3.7. Dimensiones del soporte de rodamiento En la figura 3.7 se aprecian 4 agujeros, dos pasantes y dos ciegos, los cuales se desprecian para la fabricación por fundición, ya que al tratarse de orificios de pequeñas dimensiones no cumplen con el mínimo de dimensión para fabricarse mediante machos según las ecuaciones 3.2 y 3.3. Esto se justifica por la dificultad de fabricar machos esbeltos y finos, y a la dificultad de eliminar la mezcla de moldeo de los propios machos. En la pieza final, estos agujeros, se realizarían mediante un taladrado. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 19 Acero: d  0,4 h + 10 (3.2) Fundición gris, maleable, nodular y no ferrosas: d  0,3 h + 10 (3.3) Siendo d el diámetro de los agujeros y h la profundidad de los mismos. Como puede apreciarse, tampoco se tiene en cuenta el estaño, pero se han considerado ambas ecuaciones y de ahí la decisión de no hacer los agujeros mediante machos Con respecto a la posición y orientación de la pieza en la caja de moldeo como la pieza tiene una cara plana y la otra con un saliente (el nervio), la mejor forma de ubicarla será completamente en la caja inferior con la cara plana coincidiendo con la línea de partición. (Ver figura 3.8) Figura 3.8. Propuesta de ubicación del modelo para el soporte en la caja de moldeo También, como se puede ver en la figura 3.8, se ha elegido alimentar las piezas con 4 ataques y 2 canales de colada que parten de un pozo de colada justo en el centro de la caja, todas estas piezas ubicadas en la caja inferior. La mazarota y cubeta de vertido-bebedero se encuentran en la caja superior. 3.3.1. DISEÑO DEL MODELO Un modelo de fundición es una representación en 3D de la pieza que se desea fabricar. El modelo de fundición es el encargado de dar la forma y dimensiones de la pieza final y se utiliza como patrón para crear el molde en el cual se verterá el metal fundido. Para el diseño del modelo, se debe tener en cuenta ciertos aspectos: • Contracción: Esta sobremedida se aplica en base al coeficiente de contracción del metal a fundir, en este caso el coeficiente de contracción para el estaño es de 2,51 % (tabla 3.1). Considerando una contracción volumétrica en la pieza, el diseño del modelo se escala aumentándolo en un 2,51 % Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 26 𝑡 − tiempo de llenado [s] 𝐶 − constante según tipo de bebedero (troncocónico C = 0,88) 𝑔 − gravedad [cm/s2] 𝐻 − salto efectivo (figura 3.14) El área superior del bebedero 𝐴𝐵𝑠 viene dada por la ecuación 3.9: 𝐴𝐵𝑠 = 𝐴𝐵𝑖 ∙(ℎ𝑠 ℎ𝑐)12 ⁄ (3.9) Donde: ℎ𝑠 − Altura del bebedero (cm) ℎ𝑐 − Altura de la copa de vertido (cm) Los valores obtenidos se representan en la figura 3.15. 𝐴𝐵𝑖 = 1,70 𝑐𝑚2 𝐴𝐵𝑠 =2,60 𝑐𝑚2 Figura 3.15. Dimensiones bebedero para el soporte de rodamiento Para terminar con el dimensionado de la copa de vertido, se ha considerado que el diámetro inferior de la cubeta 𝐷𝑐𝑖 sea igual a 2 veces el diámetro superior del bebedero 𝐷𝑏𝑠, y que el diámetro superior de la cubeta 𝐷𝑐𝑠 sea 1,3 veces el 𝐷𝑐𝑖. Las dimensiones se representan en la figura 3.16. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 27 Figura 3.16. Dimensiones de la copa de vertido En el plano 1.3.1 del anexo A, se muestra el conjunto bebedero – cubeta de vertido (ver figura 3.17). Figura 3.17. Bebedero y copa de vertido para el soporte de rodamiento Para dimensionar el pozo de colada se toman las recomendaciones de la figura 3.18, resultando una profundidad del pozo de colada de 2.8 cm, un área de 8.4 cm2 y un diámetro de 3,3 cm. Al pozo de colada también se le asignan unos ángulos de salida para facilitar su extracción del molde, en este caso son de 3. Figura 3.18. Dimensionado recomendado para el pozo de colada [ ] Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 28 Para determinar las medidas de los ataques y de los canales de colada se emplea la relación de colada, la cual establece las relaciones entre las áreas de la base del bebedero, del canal de colada y de los ataques. Al ser el tiempo de solidificación la variable más restrictiva en la fundición en arena se ha escogido un sistema con presión para aumentar la velocidad del metal fundido y así mejorar su colabilidad. Esto trae consigo que las áreas de los elementos se irán reduciendo en la medida en que avance el metal al interior del molde. La relación de colada propuesta es la siguiente: 𝐴𝐵𝑖 ∶∑𝐴𝑐𝑐 ∶∑𝐴𝑎 =1,2∶1,1∶1 (3.10) Donde: ∑𝐴𝑐𝑐 − Área canal de colada (cm2) x 2 ∑𝐴𝑎− Área ataque (cm2) x 4 En base a la figura 3.19 se diseña un canal de colada con geometría trapezoidal para el facilitar el desmoldeo. Como se comentó antes (ver figura 3.8), el pozo de colada irá en el centro y de él saldrán dos ramas canal de colada, una en cada dirección de la alimentación. Al canal de colada se le aplicará una prolongación de 5 cm por lado para que se depositen las escorias. Figura 3.19. Dimensionado canal de colada [11] Para el dimensionamiento se ha hecho uso de la tabla Dimensiones normalizadas de los canales de colada [11], de donde a partir del área de canal de colada según la relación de colada (3.10), se obtienen las cotas de la figura 3.20. 𝐴𝑐𝑐 =1,2∙1,1∙𝐴𝑏𝑒𝑏𝑒𝑑𝑒𝑟𝑜 𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 2 =1,20 𝑐𝑚2 Figura 3.20. Dimensiones canal de colada para el soporte de rodamiento Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 29 La longitud total del canal de colada viene determinada por la distancia entre los ataques (6,9 cm), ver figura 3.21, más las prolongaciones para escorias (5 cm) de cada extremo menos el diámetro del pozo de colada (3,3 cm) al encontrarse entre los ataques. Figura 3.21. Distancia entre ataques para el soporte 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑙𝑎𝑑𝑎= 5 + 6,9 + 5 − 3,3=13,60 𝑐𝑚 En base a la figura 3.22, se han dimensionado los 4 ataques del modelo con geometría trapezoidal para facilitar el desmoldeo del modelo. Figura 3.22. Dimensionado ataque [11] Para el dimensionamiento se ha hecho uso de la tabla Dimensiones normalizadas de los ataques [11], de donde a partir del área de ataque según la relación de colada (3.10), se obtienen las cotas de la figura 3.23. 𝐴𝑎=1,2∙𝐴𝑏𝑒𝑏𝑒𝑑𝑒𝑟𝑜 𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 4 =0,50 𝑐𝑚2 Figura 3.23. Dimensiones ataque para el soporte de rodamiento Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 30 Para definir la longitud de los ataques, se rige por la distancia mínima permisible entre el canal de colada y la pieza. Estos valores se encuentran tabulados en la tabla Distancias permisibles entre las piezas y elementos del molde [11]. Para este caso son 5 cm de longitud. En el plano 1.3.2 del anexo A, se muestra el conjunto pozo de colada – canales de colada – ataques (ver figura 3.24). Figura 3.24. Pozo de colada, canales de colada y ataques para el soporte Finalmente, como se han definido las geometrías de cada elemento del sistema de alimentación, se pueden definir todos los volúmenes como se puede ver en la tabla 3.5. Tabla 3.5. Volúmenes del sistema de alimentación para el soporte de rodamiento Volumen sistema de alimentación (cm3) Bebedero 13,23 Ataques 10,04 Canales de colada 15,02 Pozo de colada 23,42 Copa de vertido 36,71 Total 98,42 Mediante la densidad del estaño y los volúmenes (tabla 3.5), se obtiene una masa total del sistema alimentación de 0,72 kg y una masa del modelo completo igual a 5,15 kg. Luego, mediante la ecuación 3.1 del tiempo de llenado de Milkhailov, confirmamos que la masa estimada al principio coincide con la calculada. 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑙𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 (𝑀𝑖𝑘ℎ𝑎𝑖𝑙𝑜𝑣)= 3,62 𝑠 En la figura 3.25 muestra el modelo acabado para el soporte de rodamiento. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 31 Figura 3.25. Modelo 3D AutoCad del modelo completo para el soporte 3.3.3. CONTRAPESOS El fenómeno de presión interna que se produce al verter metal líquido en un molde puede ocasionar que la parte superior del molde se eleve, lo cual afecta gravemente a la fabricación. Esta situación sería perjudicial para la calidad final de la pieza, ya que podría causar la formación de rebabas en la línea de partición, falta de suficiente metal líquido para llenar el molde entero, entre otros problemas. En caso de ser necesario, se implementarán contrapesos en la parte superior del molde con el fin de contrarrestar este efecto. Estos contrapesos estarán diseñados para ejercer la cantidad de peso adecuada que permita mantener la posición estable de la caja superior durante todo el proceso de fundición. Justo en el momento en el que la caja superior se levante, la reacción de la caja inferior se hará nula, por lo que mediante equilibrio se define la ecuación 3.11. 𝑊𝑐𝑎𝑗𝑎+𝑊𝑐𝑝+ 𝑊𝑎+ 𝑊𝑓 =𝐸 (3.11) Donde (ver figura 3.26): Wcaja – Peso de la caja superior y de moldeo de la copa de vertido Wcp – Contrapeso Wa – Peso de la arena del molde Wf – Peso del fluido sobre la caja superior E – Empuje de las partes del sistema que no inciden verticalmente al exterior (E = Ep* + Ep + Esa) Ep – Empuje de la pieza sin mazarota Ep* – Empuje de la pieza con mazarota Esa – Empuje del sistema de alimentación Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 32 R – Reacción de la caja inferior Figura 3.26. Fuerzas producidas en la fundición del soporte Los empujes de las piezas y el sistema de alimentación se calcularán mediante la ecuación 3.12. 𝐸 =⍴𝑚·𝑉𝐸· 𝑔 (3.12) Donde: VE – Volumen de metal que genera empuje (m3) ⍴𝑚 – Densidad del estaño (7300 kg/m3) 𝑔 – Gravedad (9,81 m/s2) Por otro lado, los pesos se calcularán según la ecuación 3.13. 𝑊 =⍴ · 𝑉· 𝑔 (3.13) Donde: 𝑉 – Volumen que genera peso (m3) ⍴ – Densidad (Estaño: 7300 kg/m3, Arena: 2100 kg/m3, Acero caja: 7850 kg/m3) Para determinar VE (ecuación 3.12), hay que tener en cuenta que los volúmenes que conecten verticalmente con el exterior (mazarota y bebedero) no generan empuje metalostático y, por tanto, no deberán ser incluidos en los cálculos, como se puede ver en la tabla 3.6. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 33 Tabla 3.6. Volúmenes que generan empuje en la caja superior para el soporte de rodamiento Volúmenes que generan empuje (mm3) Pieza sin mazarota 466857,9 Pieza con mazarota 375770,9 Sistema de alimentación 67349,9 Igualmente, el peso generado por el fluido en la caja superior (Wf), ecuación 3.13, sólo se debe tener en cuenta aquel volumen que está libre de conexión con la caja inferior, prácticamente el peso generado por la copa de vertido (ver tabla 3.7). Tabla 3.7. Volúmenes que generan peso en la caja superior para el soporte de rodamiento Volúmenes que generan peso (mm3) Copa de vertido y bebedero 51321,3 Arena caja superior 10099230 Caja superior 800748,1 Aplicando las ecuaciones 3.12 y 3.13 a los volúmenes de las tablas 3.6 y 3.7, respectivamente se obtienen las fuerzas de la tabla 3.8. Tabla 3.8. Empujes y pesos producidos en la caja superior al fabricar el soporte de rodamiento E = Ep* + Ep + Esa 65,1 N Wcaja 61,6 N Wa 207,8 N Wf 3,7 N Finalmente, mediante la ecuación 3.11 el contrapeso mínimo resultante necesario es de Wcp = -208 N, es decir, no necesita contrapesos. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 34 3.4. DISEÑO Y CÁLCULO DEL MODELO PARA LA HORQUILLA PARA EJE En la figura 3.27 se muestran las dimensiones de la horquilla para eje. Como se ha comentado con anterioridad, la horquilla para eje es una pieza de un volumen considerable, donde cuenta con una zona gruesa y otras zonas de menor espesor. Estas zonas de menor espesor cumplen con el mínimo para fabricarse por fundición, que en material de fundición como el estaño tiene que ser mayor a 2,5 mm, determinado mediante la Guía de fundición [11]. Figura 3.27. Dimensiones de la horquilla para eje En la figura 3.27 se aprecian 3 agujeros, 2 agujeros pasantes y 1 agujero ciego, los cuales se desprecian para la fabricación por fundición, ya que al tratarse de orificios de pequeñas dimensiones no cumplen con el mínimo de dimensión para fabricarse mediante machos según las ecuaciones 3.2 y 3.3. Debido a la dificultad de fabricar machos esbeltos y finos, y a la dificultad de eliminar la mezcla de moldeo de los propios machos. En la pieza final estos agujeros, se realizarían mediante un taladrado. Con respecto a la posición y orientación de la pieza en la caja de moldeo, como la pieza cuenta con simetría, se colocará una mitad en la caja superior y su simétrico en la caja inferior. (ver figura 3.28) Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 35 Figura 3.28. Propuesta de ubicación del modelo para la horquilla en la caja de moldeo Como se puede ver en la figura 3.28, se ha decidido alimentar las piezas con 2 ataques y 2 canales de colada que parten de un pozo de colada. El pozo de colada junto con los canales de colada se ubica en la caja inferior, y los ataques en la caja superior. La mazarota lateral tiene partes en ambas mitades de la caja. La cubeta de vertido-bebedero irán en la caja superior. 3.4.1. DISEÑO DEL MODELO Igual que en el apartado 3.3.1 de este documento, para el diseño del modelo, se debe tener en cuenta ciertos aspectos: • Contracción: Sobredimensionar el modelo por la contracción al solidificar del metal. Considerando una contracción lineal en la pieza, el diseño del modelo se escala aumentándolo en un 2,51% (tabla 3.1). • Ángulos de salida o de despulla: En esta pieza, al ir una mitad en la caja inferior y la otra en la caja superior, se le aplica el ángulo de desmoldeo en función de la dirección de desmoldeo de cada mitad. Estos ángulos de salida se toman de la tabla 13 de Guía de fundición [11] según el material de fabricación del modelo y la longitud de la cara a la que se le aplicara la inclinación. Para la fabricación del modelo se usará el material termoplástico PLA de la marca SMARTFIL, el cual según la norma UNE-EN 12890 [13] está catalogado como modelo de calidad K1. Por tanto, se encuentra en un acabado superficial entre el modelo de madera (H1) y el metálico (M1). Es por ello, que, al no haber información de ángulos de salida para plásticos, se han usado los tabulados para modelos de madera. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 42 El área de la base inferior del bebedero se obtiene mediante la ecuación 3.8, y el área superior del bebedero 𝐴𝐵𝑠 viene dada por la ecuación 3.9. Los valores obtenidos se representan en la figura 3.35. 𝐴𝐵𝑖 = 1,55 𝑐𝑚2 𝐴𝐵𝑠 =2,40 𝑐𝑚2 Figura 3.35. Dimensiones bebedero para la horquilla para eje Para terminar con el dimensionado de la copa de vertido, se ha considerado que el diámetro inferior de la cubeta 𝐷𝑐𝑖 sea igual a 2 veces el diámetro superior del bebedero 𝐷𝑏𝑠, y que el diámetro superior de la cubeta 𝐷𝑐𝑠 sea 1,3 veces el 𝐷𝑐𝑖. Las dimensiones se representan en la figura 3.16. En el plano 2.3.1 del anexo A, se muestra el conjunto bebedero – cubeta de vertido (ver figura 3.36). Figura 3.36. Bebedero y copa de vertido para la horquilla para eje Para dimensionar el pozo de colada se toman las recomendaciones de la figura 3.18, resultando una profundidad del pozo de colada de 2,8 cm, un área de 7,74 cm2 y un diámetro de 3,14 cm. Al pozo de colada también se le asignan unos ángulos de salida para facilitar su extracción del molde, en este caso son de 3. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 43 Para determinar las medidas de los ataques y de los canales de colada se emplea la relación de colada, la cual establece las relaciones entre las áreas de la base del bebedero, del canal de colada y de los ataques. Al ser el tiempo de solidificación la variable más restrictiva en la fundición en arena se ha escogido un sistema con presión para aumentar la velocidad del metal fundido y así mejorar su colabilidad. Esto trae consigo que las áreas de los elementos se irán reduciendo en la medida en que avance el metal al interior del molde. La relación de colada propuesta es la siguiente: 𝐴𝐵𝑖 ∶∑𝐴𝑐𝑐 ∶∑𝐴𝑎 =1,6∶1,3∶1 (3.14) Donde: ∑𝐴𝑐𝑐 − Área canal de colada (cm2) x 2 ∑𝐴𝑎− Área ataque (cm2) x 2 En base a la figura 3.19 se diseña un canal de colada con geometría trapezoidal para el facilitar el desmoldeo. Como se comentó antes (ver figura 3.28), el pozo de colada irá en el centro y de él saldrán dos ramas canal de colada, una en cada dirección de la alimentación. Al canal de colada se le aplicará una prolongación de 5 cm por lado para que se depositen las escorias. Para el dimensionamiento se ha hecho uso de la tabla Dimensiones normalizadas de los canales de colada [11], de donde a partir del área de canal de colada según la relación de colada (3.14), se obtienen las cotas de la figura 3.37. 𝐴𝑐𝑐 =1,6∙1,3∙𝐴𝑏𝑒𝑏𝑒𝑑𝑒𝑟𝑜 𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 2 =1,60 𝑐𝑚2 Figura 3.37. Dimensiones canal de colada para la horquilla para eje La longitud total del canal de colada viene determinada por la distancia entre los ataques (17,6 cm), ver figura 3.38, más las prolongaciones para escorias (5 cm) de cada extremo menos el diámetro del pozo de colada (3,14 cm) al encontrarse entre los ataques. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 44 Figura 3.38. Distancia entre ataques para la horquilla 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑙𝑎𝑑𝑎 = 5+ 17,6+5−3,14=24,46 𝑐𝑚 Figura 3.39. Pozo de colada y canales de colada para la horquilla para eje En base a la figura 3.22, se han dimensionado los 2 ataques del modelo con geometría trapezoidal para facilitar el desmoldeo del modelo. Para el dimensionamiento se ha hecho uso de la tabla Dimensiones normalizadas de los ataques [11], de donde a partir del área de ataque según la relación de colada (3.14), se obtienen las cotas de la figura 3.40. 𝐴𝑎=1,6∙𝐴𝑏𝑒𝑏𝑒𝑑𝑒𝑟𝑜 𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 2 =1,24 𝑐𝑚2 Figura 3.40. Dimensiones ataque para la horquilla para eje Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 45 Para definir la longitud de los ataques, se rige por la distancia mínima permisible entre el canal de colada y la pieza. Estos valores se encuentran tabulados en la tabla Distancias permisibles entre las piezas y elementos del molde [11]. Para este caso son 5 cm de longitud. En el plano 2.3.2 del anexo A, se muestra el conjunto pozo de colada – canales de colada – ataques (ver figura 3.41). Figura 3.41. Pozo de colada, canales de colada y ataques para la horquilla Finalmente, como se han definido las geometrías de cada elemento del sistema de alimentación, se pueden definir todos los volúmenes como se puede ver en la tabla 3.9. Tabla 3.9 . Volúmenes del sistema de alimentación para la horquilla Volumen sistema de alimentación (cm3) Bebedero 12,24 Ataques 12,40 Canales de colada 38,65 Pozo de colada 21,68 Copa de vertido 34,00 Total 118,97 Mediante la densidad del estaño y los volúmenes (tabla 3.9), se obtiene una masa total del sistema alimentación de 0,86 kg y una masa del modelo completo igual a 4,52 kg. Luego, mediante la ecuación 3.1 del tiempo de llenado de Milkhailov, confirmamos que la masa estimada al principio coincide con la calculada. 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑙𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 (𝑀𝑖𝑘ℎ𝑎𝑖𝑙𝑜𝑣)= 3,56 𝑠 En la figura 3.42 muestra el modelo acabado para la horquilla para eje. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 46 Figura 3.42. Modelo 3D AutoCad del modelo completo para la horquilla 3.4.3. CONTRAPESOS En caso de ser necesario, se implementarán contrapesos en la parte superior del molde con el fin de contrarrestar este efecto. Estos contrapesos estarán diseñados para ejercer la cantidad de peso adecuada que permita mantener la posición estable de la caja superior durante todo el proceso de fundición. Justo en el momento en el que la caja superior se levante, la reacción de la caja inferior se hará nula (ver figura 3.43), por lo que mediante equilibrio se define la ecuación 3.11. Figura 3.43. Fuerzas producidas en la fundición de la horquilla Los empujes de las piezas y el sistema de alimentación se calcularán mediante la ecuación 3.12. Por otro lado, los pesos se calcularán según la ecuación 3.13. Para determinar VE (ecuación 3.12), hay que tener en cuenta que los volúmenes que conecten verticalmente con el exterior (mazarota y bebedero) no generan empuje metalostático y, por tanto, no deberán ser incluidos en los cálculos, como se ve en la tabla 3.10. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 47 Tabla 3.10. Volúmenes que generan empuje a la caja superior para la horquilla Volúmenes que generan empuje (mm3) Pieza 202575,9 Sistema de alimentación 140202,5 Igualmente, el peso generado por el fluido en la caja superior (Wf), ecuación 3.13, sólo se debe tener en cuenta aquel volumen que está libre de conexión con la caja inferior, prácticamente el peso generado por la copa de vertido (ver tabla 3.11). Tabla 3.11. Volúmenes que generan peso en la caja superior para la horquilla Volúmenes que generan peso (mm3) Copa de vertido y bebedero 64960,3 Arena caja superior 9999250,7 Caja superior 800748,1 Aplicando las ecuaciones 3.12 y 3.13 a los volúmenes de las tablas 3.11 y 3.12, respectivamente se obtienen las fuerzas de la tabla 3.14. Tabla 3.12. Empujes y pesos producidos en la caja superior al fabricar la horquilla E = 2×Ep + Esa 39,1 N Wcaja 61,6 N Wa 206,0 N Wf 4,7 N Finalmente, mediante la ecuación 3.11 el contrapeso mínimo resultante necesario es de Wcp = -233,2 N, es decir, no necesita contrapesos. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 48 3.5. DISEÑO Y CÁLCULO DEL MODELO PARA EL CENTRADOR EN V En la figura 3.44 se indican las dimensiones del centrador en V. Como se ha comentado anteriormente, el centrador en V es una pieza de bastante área en comparación a su volumen, muy similar a una placa plana. La zona de menor espesor es de 19 mm, por tanto, se puede fabricar por fundición sin problemas, ya que el espesor mínimo en material de fundición como el estaño tiene que ser mayor a 2,5 mm determinado mediante la Guía de fundición [11]. Figura 3.44. Dimensiones del centrador en V En la figura 3.44 se pueden observar tres incisiones, dos son las cogidas para fijar la pieza a una estructura mediante tornillos, y la otra es donde acaba la V en el interior de la pieza. Este tipo de entradas tienen que cumplir con la mínima distancia que debe existir entre metal y metal, que es 0,3 por la altura de la pieza [11]. Una vez comprobado, se mantiene el diseño de la pieza. Con respecto a la posición y orientación de la pieza en la caja de moldeo, la pieza tiene una cara plana y la otra es a dos niveles. Por tanto, la mejor forma de ubicarla será completamente en la caja inferior con la cara plana coincidiendo con la línea de partición. (Ver figura 3.47) Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 49 Figura 3.45. Propuesta de ubicación del modelo para el centrador en V en la caja de moldeo También, como se puede ver en la figura 3.45, se ha elegido alimentar las piezas con 4 ataques y 2 canales de colada que parten de un pozo de colada justo en el centro de la caja, todas estas piezas ubicadas en la caja inferior. La mazarota y cubeta de vertido-bebedero se encuentran en la caja superior. 3.5.2. DISEÑO DEL MODELO Igual que en el apartado 3.3.1 de este documento, para el diseño del modelo, se debe tener en cuenta ciertos aspectos: • Contracción: Sobredimensionar el modelo por la contracción al solidificar del metal. Considerando una contracción lineal en la pieza, el diseño del modelo se escala aumentándolo en un 2,51% (tabla 3.1). • Ángulos de salida o de despulla: Los ángulos de salida se toman de la tabla 13 de Guía de fundición [11] según el material de fabricación del modelo y la longitud de la cara a la que se le aplicara la inclinación. Para la fabricación del modelo se usará el material termoplástico PLA de la marca SMARTFIL, el cual según la norma UNE-EN 12890 [13] está catalogado como modelo de calidad K1. Por tanto, se encuentra en un acabado superficial entre el modelo de madera (H1) y el metálico (M1). Es por ello, que, al no haber información de ángulos de salida para plásticos, se han usado los tabulados para modelos de madera. Estos ángulos son de 1,5 y de 2 según la superficie para la que se aplique. Según se muestra en la figura 3.46, para las superficies coloreadas en azul, las inclinaciones son de 1 y para las que se indican en cian son de 1,5. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 50 ▪ Inclinaciones 1,5⁰ ▪ Inclinaciones 2⁰ Figura 3.46. Representación de los ángulos de salida aplicados a las superficies del modelo centrador 3.5.2. SISTEMA DE COMPENSACIÓN Para comenzar con el dimensionado de la mazarota, hay que tener presente que esta ha de solidificar más tarde que la pieza, con el fin de suministrar material a la misma durante la solidificación. Para garantizar que esto ocurra, han de cumplirse las reglas de la contracción (ecuación 3.4) y la del módulo (ecuación 3.5). Este es uno de los varios criterios de dimensionado de mazarota que plantean otros autores [12]. Las dimensiones de la mazarota en el caso de esta pieza vienen condicionadas, por una parte, por la altura de la caja de moldeo (figura 2.2) que se empleará que es de 9 cm (mazarota caja superior), y al ser una mazarota lateral, por la altura del ataque a la pieza (mazarota caja inferior), como se ve en la figura 3.47. Figura 3.47. Propuesta ubicación de la mazarota superior en el centrador en V Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 51 De lo anterior, se propone una mazarota de 3,6 cm de diámetro y una altura de 9 cm. Con estas dimensiones se comprueba que se cumplen la regla del módulo y contracción. Primeramente, se realizan los cálculos geométricos tanto para pieza como para mazarota: 𝑉𝑝 =231,42 𝑐𝑚3 ; 𝐴𝑝= 355,2 𝑐𝑚2 (𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑑𝑒 𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙𝑜 𝑒𝑛 𝐴𝑢𝑡𝑜𝐶𝐴𝐷) 𝐴𝑐 = 𝜋∙𝐷2 4 =𝜋∙3,62 4=10,18 𝑐𝑚2 𝑀𝑝= 𝑉𝑝 𝐴𝑝−𝐴𝑐= 231,42 𝑐𝑚3 355,2 𝑐𝑚2− 10,18 𝑐𝑚2=0,67 𝑐𝑚 Comprobando la regla del módulo (ecuación 3.4): 𝑀𝑚 ≥1,2 ∙ 1 ∙ 𝑀𝑝≥1,2∙1∙0,67 𝑐𝑚 ≥0,805 𝑐𝑚 𝑀𝑚= 𝑉𝑚 𝐴𝑚−𝐴𝑐 ≥0,805 𝑐𝑚 𝜋𝐷 42∙𝐻 𝜋𝐷 42+ 𝜋∙ D ∙ 𝐻 ≥0,805 𝑐𝑚 ( 𝐻 =9 𝑐𝑚) 𝐷 ≥3,54 𝑐𝑚 CUMPLE Comprobando la regla de la contracción (ecuación 3.5): 𝑉𝑚 ≥3 ∙ 0,0251∙(231,42 𝑐𝑚3)≥17,43 𝑐𝑚3 𝜋𝐷 4 2∙𝐻 ≥17,43 𝑐𝑚3 (𝐻 =9 𝑐𝑚 ) 𝐷 ≥1,57 𝑐𝑚 CUMPLE Como puede verse, ambas condiciones se cumplen, por lo que la mazarota tendrá como dimensiones finales D = 3,6 cm y H = 9 cm. Como la mazarota también hay que extraerla del molde al igual que el modelo, se le aplicarán también unos ángulos de salida. Según las recomendaciones de la tabla 13 de Guía de fundición [11], estos serán de 1. El aumento en volumen que puede significar la aplicación de estas inclinaciones es insignificante por lo que no se recalculan las reglas probadas antes. Una vez dimensionada la mazarota partiendo de la ubicación representada en la figura 3.48, hay que comprobar que la misma cumple con la distancia de alimentación. Esta distancia, representada en la figura 3.11, una se puede comprobar a partir de lo que propone Pellini [3]. Para ello, se considera la pieza como una placa plana de espesor medio entre 13 mm y 100 mm (en este caso espesor T=26 mm) la distancia de alimentación desde el borde de la mazarota es 4.5 veces el espesor de la pieza. 𝐿𝑚𝑎𝑥 =10,2 𝑐𝑚 (Distancia desde el punto más alejado de la pieza al centro de la mazarota) Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 58 Figura 3.55. Pozo de colada, canal de colada y ataques para el centrador Finalmente, como se han definido las geometrías de cada elemento del sistema de alimentación, se pueden definir todos los volúmenes como se puede ver en la tabla 3.13. Tabla 3.13. Volúmenes del sistema de alimentación para el centrador Volumen sistema de alimentación (cm3) Bebedero 8,20 Ataques 6,22 Canales de colada 13,35 Pozo de colada 9,85 Copa de vertido 22,76 Total 60,40 Mediante la densidad del estaño y los volúmenes (tabla 3.13), se obtiene una masa total del sistema alimentación de 0,44 kg y una masa del modelo completo igual a 4,47 kg. Luego, mediante la ecuación 3.1 del tiempo de llenado de Milkhailov, confirmamos que la masa estimada al principio coincide con la calculada. 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑙𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 (𝑀𝑖𝑘ℎ𝑎𝑖𝑙𝑜𝑣)= 5,15 𝑠 En la figura 3.56 muestra el modelo acabado para la horquilla para eje. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 59 Figura 3.56. Modelo 3D AutoCad del modelo completo para la pieza 3.5.3. CONTRAPESOS En caso de ser necesario, se implementarán contrapesos en la parte superior del molde con el fin de contrarrestar este efecto. Estos contrapesos estarán diseñados para ejercer la cantidad de peso adecuada que permita mantener la posición estable de la caja superior durante todo el proceso de fundición. Justo en el momento en el que la caja superior se levante, la reacción de la caja inferior se hará nula (ver figura 3.57), por lo que mediante equilibrio se define la ecuación 3.11. Figura 3.57. Fuerzas producidas en la fundición del centrador Los empujes de las piezas y el sistema de alimentación se calcularán mediante la ecuación 3.12. Por otro lado, los pesos se calcularán según la ecuación 3.13. Para determinar VE (ecuación 3.12), hay que tener en cuenta que los volúmenes que conecten verticalmente con el exterior (mazarota y bebedero) no generan empuje metalostático y, por tanto, no deberán ser incluidos en los cálculos, como se ve en tabla 3.14. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 3. Diseño y cálculo de los moldes 60 Tabla 3.14. Volúmenes que generan empuje a la caja superior para el centrador Volúmenes que generan empuje (mm3) Pieza sin mazarota 231420,2 Pieza con mazarota 198378,5 Sistema de alimentación 27692,3 Igualmente, el peso generado por el fluido en la caja superior (Wf), ecuación 3.13, sólo se debe tener en cuenta aquel volumen que está libre de conexión con la caja inferior, prácticamente el peso generado por la copa de vertido (ver tabla 3.15). Tabla 3.15. Volúmenes que generan peso en la caja superior para el centrador Volúmenes que generan peso (mm3) Copa de vertido y bebedero 21574 Arena caja superior 10064782,5 Caja superior 800748,1 Aplicando las ecuaciones 3.12 y 3.13 a los volúmenes de las tablas 3.14 y 3.15, respectivamente se obtienen las fuerzas de la tabla 3.14. Tabla 3.16. Empujes y pesos producidos en la caja superior al fabricar el centrador E = Ep* + Ep + Esa 32,8 N Wcaja 61,6 N Wa 207,3 N Wf 1,5 N Finalmente, mediante la ecuación 3.11 el contrapeso mínimo resultante necesario es de Wcp = -237,6 N, es decir, no necesita contrapesos. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 4. Fabricación aditiva 61 4. FABRICACIÓN ADITIVA 4.1. INTRODUCCIÓN La fabricación aditiva es un proceso de fabricación innovador que se refiere a la creación de objetos tridimensionales mediante la superposición de capas sucesivas de material. También se conoce como impresión 3D debido a su capacidad para construir objetos complejos a partir de un diseño digital (CAD). A diferencia de los métodos tradicionales de fabricación, que implican eliminar material de una pieza bruta para obtener la forma deseada (mecanizado), la fabricación aditiva agrega material capa por capa, lo que permite una mayor flexibilidad y precisión en la creación de objetos personalizados, y un ahorro importante en el material usado. Figura 4.1. Piñón fabricado mediante fabricación aditiva 4.1.1. VENTAJAS Y DESVENTAJAS La fabricación aditiva presenta múltiples ventajas que se detallan a continuación. • Rapidez: Los procesos de fabricación aditiva son rápidos, lo que se traduce en tiempos de producción reducidos. Además, al no requerir herramientas personalizadas (utillaje, herramientas de corte, etc.), el tiempo de entrega de las piezas se acorta significativamente. • Complejidad de la pieza: La ausencia de herramientas permite la creación de superficies y características internas complejas directamente durante la construcción de la pieza. A diferencia de otros métodos de fabricación, la complejidad de la pieza tiene poco impacto en los tiempos de construcción. En procesos como la fundición, la complejidad de la pieza puede no afectar los tiempos de ciclo, pero puede ocupar semanas para crear el modelo si se fabrica por los métodos convencionales. En el mecanizado, las características complejas afectan directamente el tiempo de ciclo y pueden requerir equipos o accesorios costosos. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 4. Fabricación aditiva 62 • Variedad de materiales: La fabricación aditiva puede utilizar diversos materiales, como plásticos, metales, cerámicas, compuestos e incluso papel con propiedades similares a la madera. Además, algunos procesos permiten la construcción de piezas con múltiples materiales, distribuyendo el material según su ubicación en la pieza. • Producción de bajo volumen: En comparación con los métodos convencionales, la fabricación aditiva resulta más rentable para producciones de bajo volumen. Los altos costos iniciales asociados con herramientas personalizadas y largos tiempos de configuración se minimizan en la fabricación aditiva, que requiere una configuración mínima y crea la pieza directamente a partir del modelo CAD. Esto permite reducir los costos por pieza en producciones de bajo volumen. A pesar de todas estas ventajas, la fabricación aditiva no reemplazará por completo los métodos de fabricación convencionales en todas las aplicaciones. Los procesos como el mecanizado, el moldeo y la fundición aún son preferidos en casos específicos, como los siguientes: • Piezas grandes: Los procesos aditivos son más adecuados para piezas relativamente pequeñas, ya que los tiempos de fabricación dependen en gran medida del tamaño de la pieza. Las piezas grandes requieren más tiempo para construir cada capa, lo que limita su tamaño en comparación con otros métodos de fabricación. • Alta precisión y acabado superficial: Actualmente, los procesos de fabricación aditiva no pueden igualar la precisión y el acabado superficial que se logra mediante el mecanizado. Por lo tanto, las piezas fabricadas mediante fabricación aditiva pueden requerir operaciones secundarias para alcanzar los estándares de precisión y acabado necesarios según su uso previsto. • Producción de alto volumen: Aunque las capacidades de producción de los procesos aditivos están mejorando con la tecnología, el moldeo y la fundición siguen siendo preferidos para la producción en grandes volúmenes. En casos de producción masiva, el costo por pieza de las herramientas es insignificante y los tiempos de ciclo son más cortos que los de la fabricación aditiva. • Propiedades de los materiales: Aunque la fabricación aditiva tiene la capacidad de utilizar varios tipos de materiales, las opciones de materiales individuales están algo limitadas. Esto significa que los materiales que ofrecen propiedades específicas y deseables pueden no estar disponibles en todos los casos. Además, debido a los métodos de fabricación utilizados, es posible que las propiedades de la pieza final no cumplan con ciertos requisitos de diseño establecidos. Por último, es importante tener en cuenta que los precios actuales de los materiales utilizados en los procesos aditivos suelen ser significativamente más altos en comparación con los materiales más comúnmente utilizados en otros métodos de fabricación. 4.1.2. ETAPAS DEL PROCESO Existen diversas variantes de fabricación aditiva disponibles comercialmente o en desarrollo en la actualidad. Cada una de estas variantes puede emplear diferentes materiales y técnicas para construir Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 4. Fabricación aditiva 63 las capas de una pieza. No obstante, todos estos procesos siguen los mismos pasos fundamentales, que se describen a continuación. 1. Generación del modelo CAD: En todos los métodos de fabricación aditiva se comienza utilizando un software de diseño asistido por ordenador (CAD) para crear un modelo tridimensional de la pieza, como son CATIA V5, AutoCAD, Solid Edge, etc. La pieza debe ser un modelo sólido y con superficie cerrada. También, en el caso de que la pieza a fabricar ya exista, se podría generar el modelo mediante escáner 3D, aunque luego habría que analizar y optimizar el modelo generado. Figura 4.2. Soporte de rodamiento generado en AutoCAD 2. Conversión del modelo CAD a formato STL: Cada programa de CAD almacena los datos geométricos que representan el modelo 3D de formas diferentes; CATIA V5 (.CATPART), AutoCAD (.dwg), Solid Edge (.par), etc. No obstante, el formato STL (STereoLithography, Standard Triangulation Language) se ha convertido en el archivo estándar para los procesos de fabricación aditiva. Por tanto, los archivos CAD deben ser convertidos a archivo STL. El formato STL representa las superficies del modelo 3D como un mallado de triángulos, almacenando las coordenadas de los vértices y las normales de cada triángulo. Cuanto más pequeños sean los triángulos del mallado, mayor es la precisión de conversión de la pieza. Este formato sólo describe geometría, no color o textura. Triángulos: 644 Vértices: 1932 Tamaño en X: 166,70 mm Tamaño en Y: 68,81 mm Tamaño en Z: 42,07 mm Volumen: 242.894,86 mm3 Área: 33.463,68 mm3 Figura 4.3. Soporte rodamiento en formato STL 3. División del modelo STL en capas: Utilizando un software especializado (UltiMaker Cura, PrusaSlicer, OctoPrint, etc.), se prepara el archivo STL que se va a construir, especificando la posición y orientación de la pieza en la máquina, todos los parámetros de los que depende la impresión como velocidades, altura de capas, añadir Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 4. Fabricación aditiva 64 refuerzos, etc. La orientación de la pieza afecta diversos parámetros, como el tiempo de construcción, la resistencia de la pieza y la precisión. A continuación, el software divide el modelo STL en capas extremadamente delgadas (altura de capa impuesta en los parámetros) a lo largo del plano XY. Cada capa será construida sobre la capa anterior, desplazándose en dirección Z. Finalmente, el software te crea el código de operaciones para la impresión en formato G-code u otros formatos similares. Figura 4.4. Soporte de rodamiento laminado en CURA Figura 4.5. Segmento de G-code (código ISO) generado por CURA 4. Construcción de la pieza capa a capa: La máquina fabrica la pieza a partir del código de operaciones creado por el software de laminado, creando secuencialmente capas de material sobre las capas previamente formadas. La técnica utilizada para construir cada capa varía ampliamente según el proceso de fabricación aditiva, así como los materiales empleados. Estos procesos pueden utilizar papel, polímeros, metales en polvo o compuestos metálicos, dependiendo del método utilizado. Figura 4.6. Soporte rodamiento impreso 3D Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 4. Fabricación aditiva 65 5. Posprocesamiento de la pieza: Una vez finalizada la construcción, se retira la pieza junto con los soportes de la máquina. Si la pieza se ha fabricado con un material fotosensible, deberá someterse a un proceso de curado para alcanzar su máxima resistencia. Además, se puede llevar a cabo una limpieza superficial y aplicar un acabado, como el lijado, revestimiento o pintura, para mejorar tanto la apariencia como la durabilidad de la pieza. 4.1.3. TECNOLOGÍAS Existen diversas tecnologías disponibles para construir piezas de forma incremental y se encuentran en diferentes etapas de desarrollo. Con el objetivo de adaptarse a distintos materiales, así como mejorar los tiempos de construcción y la resistencia de las piezas, han surgido numerosas tecnologías. Algunas de estas tecnologías están comercialmente disponibles para la fabricación de prototipos, mientras que otras se están convirtiendo rápidamente en métodos viables para la producción y continúan desarrollándose constantemente. Estos diferentes métodos de fabricación aditiva pueden clasificarse según la naturaleza del material aportado: • Tecnologías basadas en líquidos: Estas tecnologías aditivas suelen emplear resinas poliméricas fotocurables. Utiliza un láser ultravioleta para curar con precisión secciones transversales de fotopolímeros (capa a capa), convirtiéndolos de líquidos en sólidos. La estereolitografía (SLA, Stereolithography), figura 4.7, es el método aditivo basado en líquidos más común y fue el primero en estar disponible comercialmente. Las piezas producidas con esta tecnología ofrecen alta precisión y una apariencia similar a las piezas moldeadas. No obstante, los polímeros fotocurables pueden presentar propiedades mecánicas relativamente pobres que pueden deteriorarse con el tiempo. Otros procesos basados en líquidos incluyen el fotopolímero inyectado (PolyJet), figura 4.8, y el curado en base sólida (SGC, Solid Ground Curing), figura 4.9. Figura 4.7. SLA, Stereolithography [14] Figura 4.8. PolyJet [14] Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 4. Fabricación aditiva 66 Figura 4.9. SGC, Solid Ground Curing [14] • Tecnologías basadas en polvo: En los procesos basados en polvo, como la sinterización selectiva por láser (SLS), funde o sinteriza una porción seleccionada de material en polvo para formar cada capa de la pieza. El uso de material en polvo permite la fabricación de piezas con polímeros, metales o cerámicas. Además, las propiedades mecánicas de estas piezas son mejores y más estables que las de una pieza de polímero fotocurable. Otros métodos basados en polvo incluyen la sinterización directa de metal por láser (DMLS, Direct Metal Laser Sintering), figura 4.10, la impresión tridimensional (3DP, Three Dimensional Printing), figura 4.11, deposición directa de metal (DMD, Direct Metal Deposition), figura 4.12, fundido selectivo por láser (SLM, Selective Laser Melting), figura 4.13, y fundido por haz de electrones (EBM, Electron Beam Melting), figura 4.14. Figura 4.10. DMLS, Direct Metal Laser Sintering [14] Figura 4.11. 3DP, Three Dimensional Printing [14] Figura 4.12. DMD, Direct Metal Deposition [14] Figura 4.13. SLM, Selective Laser Melting [14] Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 4. Fabricación aditiva 67 Figura 4.14. EBM, Electron Beam Melting [14] • Tecnologías basadas en sólidos: Los procesos basados en sólidos utilizan una variedad de materiales sólidos, sin polvo, y cada proceso difiere en la forma en que construye las capas de una pieza. La mayoría de estos procesos emplean métodos de apilamiento de láminas, donde se superponen láminas muy delgadas de material una encima de la otra y se recorta la forma de cada capa. El método de fabricación de objetos laminados (LOM, Laminated Object Manufacturing), figura 4.15, es el proceso de apilamiento de hojas delgadas de papel, aunque otros procesos emplean hojas de polímero o metal. Otros métodos basados en sólidos utilizan filamento sólido de polímero en lugar de láminas, como el modelado por deposición fundida (FDM, Fused Deposition Modeling), figura 4.16, que extruye y deposita el polímero en capas. Figura 4.15. LOM, Laminated Object Manufacturing [14] Figura 4.16. FDM, Fused Deposition Modeling [14] Aparte de la naturaleza del material, los procesos de fabricación aditiva también se pueden clasificar según el método de aporte de material o el método de aporte de energía (ver tabla 4.1). En el caso de aporte de material, se puede diferenciar: - Punto: el material se aporta punto a punto mediante inyectores, la máquina puede tener 3 o 5 ejes. - Línea: el aporte es mediante barridos con inyectores. - Lecho: cada capa de la pieza a fabricar se rellena toda la superficie de trabajo (aporte masivo de material) y luego el exceso se retira después. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 4. Fabricación aditiva 74 Figura 4.26. Segmentación del soporte de rodamiento A continuación, se chequea cada capa observando que no haya movimientos extraños o saltos de capa que supongan una mala impresión. (ver figura 4.27) Figura 4.27. Visualización de la capa 46 de la impresión del soporte de rodamiento Y, por último, se extrae el código G de la pieza para ser leído e impreso por la impresora 3D. 4.4. FABRICACIÓN En este apartado, se contemplará la etapa de fabricación de los modelos para cada pieza. Todos los modelos se han impreso en PLA a un 20 % de relleno y con una altura de capa de 0,2 mm (calidad intermedia). Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 4. Fabricación aditiva 75 4.4.1. MODELO DEL SOPORTE RODAMIENTO Para fabricar este modelo se ha usado el material PLA de la marca STARFIL color coral (tabla 4.3). Tabla 4.3. Ficha técnica filamento STARFIL coral Ficha técnica Peso: 1 kg Diámetro: 1,75 mm Temperatura de impresión: 210 ± 10⁰C Densidad: 1,24 g/cm3 (ASTM D792) Temperatura de transición vítrea: 56/64⁰C (ASTM D3418) Módulo elástico en flexión: 3600 MPa (ISO 178) Dureza: 85 Sh D (ASTM D2240) Reciclable: Sí Conocida la temperatura de impresión para este material, se comienza a imprimir (ver figura 4.28) con una temperatura de extrusor de 200⁰C y 60⁰C de temperatura de cama. Figura 4.28. Imprimiendo primera capa para la pieza soporte rodamiento Tras la primera impresión, se comprueba si existen errores que se puedan modificar para mejorar las siguientes impresiones. Al ver la figura 4.29, se comprueba que la temperatura era demasiado baja ya que se ha separado de la base la primera capa, falta de adherencia. Esto es común en piezas grandes Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 4. Fabricación aditiva 76 donde la impresora tarda más tiempo en crear cada capa y la temperatura del extrusor y la cama es baja, aunque este dentro del rango de impresión del material. Figura 4.29. Error de impresión pieza soporte de rodamiento Para solucionar este error, se decide aumentar la temperatura del extrusor a 205⁰C y la cama a 65⁰C. Si se aumenta más la temperatura, al ser una pieza pesada, se podría provocar el defecto llamado “pie de elefante” donde las capas al estar tan calientes producen abombamientos de las paredes de la pieza, por tanto, para garantizar que no se vuelva a producir el despegue de la primera capa de impresión se implementa un aumento de adherencia. Esta adherencia se consigue con una balsa donde las 4 primeras capas de la impresión son un soporte que hacen de base para la pieza (ver figura 4.30). Figura 4.30. Impresión del soporte de rodamiento con balsa En la figura 4.30, es la impresión una vez finalizada, donde luego se le debe retirar la balsa y lijar imperfecciones residuales de la impresión. Finalmente, las piezas del modelo están listas para su función (ver figuras 4.31, 4.32, 4.33, 4.34). Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 4. Fabricación aditiva 77 Figura 4.31. Modelo pieza - soporte de rodamiento Figura 4.32. Modelo mazarota - soporte de rodamiento Figura 4.33. Modelo bebedero y cubeta de vertido - soporte de rodamiento Figura 4.34. Modelo ataques, pozo y canales de colada - soporte de rodamiento En la tabla 4.4 se muestra el tiempo, peso y longitud de material por cada pieza fabricada. Tabla 4.4. Datos de fabricación para el modelo del soporte de rodamiento Tiempo/Ud. Peso/Ud. Longitud PLA /Ud. Unidades Soporte de rodamiento 8 h 43min 99 g 33,17 m 2 Mazarota 4 h 24 min 48 g 16,26 m 1 Bebedero 2 h 44 min 23 g 7,79 m 1 Ataques, pozo y canales de colada 3 h 52 min 39 g 13,11 m 1 Tiempo total 28 h 26 min 4.4.2. MODELO DE LA HORQUILLA PARA EJE Para fabricar este modelo se ha usado el material PLA de la marca SMARTFIL color gold (tabla 4.5). Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 4. Fabricación aditiva 78 Tabla 4.5. Ficha técnica filamento SMARTFIL gold Ficha técnica Peso: 1 kg Diámetro: 1,75 mm Temperatura de impresión: 205 - 220⁰C Densidad: 1,24 g/cm3 (ASTM D792) Temperatura de transición vítrea: 60⁰C (ASTM D3418) Módulo elástico en flexión: 3200 MPa (ISO 178) Dureza: 85 Sh D (ASTM D2240) Reciclable: Sí Conocida la temperatura de impresión para este material, se decide imprimir con una temperatura de extrusor de 207⁰C y 65⁰C de temperatura de cama. También se mantuvo la balsa para aumentar la adherencia a la cama. En las figuras 4.35, 4.36, 4.37, 4.38 y 4.39, se puede ver el modelo completo terminado. Figura 4.35. Modelo pieza – horquilla para eje Figura 4.36. Modelo mazarota – horquilla para eje Figura 4.37. Modelo pozo y canales de colada – horquilla para eje Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 4. Fabricación aditiva 79 Figura 4.38. Modelo ataques – horquilla para eje Figura 4.39. Modelo bebedero y cubeta de vertido – horquilla para eje En la tabla 4.6 se muestra el tiempo, peso y longitud de material por cada pieza fabricada. Tabla 4.6. Datos de fabricación para el modelo de la horquilla para eje Tiempo/Ud. Peso/Ud. Longitud PLA /Ud. Unidades Horquilla para eje 10 h 21 min 100 g 33,47 m 2 Mazarota 3 h 47 min 37 g 12,57 m 1 Bebedero 2 h 39 min 22 g 7,26 m 1 Pozo y canales de colada 2 h 55 min 27 g 9,16 m 1 Ataques 1 h 31 min 14 g 4,56 m 1 Tiempo total 31 h 34 min 4.4.3. MODELO DEL CENTRADOR EN V Para fabricar este modelo se ha usado el material PLA de la marca SMARTFIL color true black (tabla 4.7). Tabla 4.7. Ficha técnica filamento SMARTFIL true black Ficha técnica Peso: 1 kg Diámetro: 1,75 mm Temperatura de impresión: 205 - 220⁰C Densidad: 1,24 g/cm3 (ASTM D792) Temperatura de transición vítrea: 60⁰C (ASTM D3418) Módulo elástico en flexión: 3200 MPa (ISO 178) Dureza: 85 Sh D (ASTM D2240) Reciclable: Sí Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 4. Fabricación aditiva 80 Conocida la temperatura de impresión para este material, se decide imprimir con una temperatura de extrusor de 207⁰C y 65⁰C de temperatura de cama. También se mantuvo la balsa para aumentar la adherencia a la cama. En las figuras 4.40, 4.41, 4.42 y 4.43, se puede ver el modelo completo terminado. Figura 4.40. Modelo pieza – centrador en V Figura 4.41. Modelo mazarota – centrador en V Figura 4.42. Modelo bebedero y cubeta de vertido – centrador en V Figura 4.43. Modelo ataques, pozo y canales de colada – centrador en V En la tabla 4.8 se muestra el tiempo, peso y longitud de material por cada pieza fabricada. Tabla 4.8. Datos de fabricación para el modelo del centrador en V Tiempo/Ud. Peso/Ud. Longitud PLA /Ud. Unidades Centrador en V 9 h 11 min 100 g 33,66 m 2 Mazarota 3 h 12min 32 g 10,83 m 1 Bebedero 2 h 14 min 16 g 5,24 m 1 Ataques, pozo y canales de colada 3 h 18 min 29 g 9,84 m 1 Tiempo total 27 h 6 min Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 5. Demostración experimental 81 5. DEMOSTRACIÓN EXPERIMENTAL Este capítulo se ha llevado a cabo en las instalaciones de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla, concretamente en el taller de fundición del departamento de ingeniería mecánica y fabricación. Partiendo de la propuesta de distribución inicial presentada en el capítulo 3 para cada pieza (ver figuras 3.8, 3.28, 3.47), se realiza la fabricación del molde y fundición siguiendo los siguientes pasos de forma general. • Moldeo: Inicialmente, de la caja de moldeo (ver figura 2.2), se moldea la mitad inferior. Se colocan las piezas del modelo que pertenezcan a esta mitad de la caja. Se ha de tener en cuenta la distancia mínima recomendada entre modelo y paredes de la caja de moldeo. Ver figura 5.1. Figura 5.1. Posicionamiento del modelo en la caja superior Antes de verter la arena, se debe espolvorear la zona de compactación con grafito en polvo, esto ayudará a retirar el modelo con mayor facilidad del molde una vez compactado. A continuación, como se puede ver en la figura 5.2, se vierte la arena de moldeo y se comienza a compactar con ayuda de los útiles, punzón de cabeza fina y ancha. Finalmente debe de quedar la caja totalmente maciza y compactada. Figura 5.2. Compactación de la arena en la caja superior Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 5. Demostración experimental 82 Luego, se procede a realizar las mismas operaciones anteriores, pero con la caja superior. Para ello, se usa la caja inferior como placa modelo para hacer coincidir las piezas del modelo en ambas mitades. Ver figura 5.3. Figura 5.3. Proceso de moldeo caja inferior El proceso de moldeo se finaliza con la extracción del modelo. Primero, haciendo uso de un punzón y un martillo se golpea el modelo para generar un pequeño desplazamiento y se despegue de las paredes del molde. Luego, haciendo uso de unos tornillos M6, se rosca en los agujeros de los modelos y se extraen verticalmente. Ver figura 5.4. Figura 5.4. Extracción del modelo Tras la retirada de los modelos, como se puede ver en la figura 5.5, se sopla al molde con un fuelle para eliminar impurezas de partículas de arena y grafito. Finalmente, se alinea la caja superior con la caja inferior con precaución de no producir derrumbamientos y se fija por las orejeras mediante pernos M20, cerrando así el molde y preparado para verter la colada. Ver figura 5.6. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 5. Demostración experimental 83 Figura 5.5. Eliminación de impurezas del molde Figura 5.6. Molde ensamblado • Colada: Antes de fundir el estaño en el horno eléctrico (ver figura 5.7), se debe pesar la cantidad necesaria de metal. Para ello, se hace uso del peso calculado en el capítulo 3 y se aumenta un 15%, este aumento es por la pérdida de material al retirar escorias de cazo de colada antes de verterlo en el molde. Para todas las experimentaciones se aplica al metal fundido un sobrecalentamiento de 120 °C por encima de la temperatura de fusión del estaño (232 ⁰C), es decir, verter el metal en el molde a una temperatura de 350 °C. Así se mejora la fluidez del llenado y se evitan solidificaciones prematuras que puedan producir defectos. Una vez se tiene el estaño líquido a 350 ⁰C, se procede a verterlo en el molde (ver figura 5.8). Para evitar pérdidas de calor por la mazarota abierta (contacto con el exterior) y que ésta solidifique antes que la pieza, se usa un ladrillo refractario a 200 ⁰C para colocarlo encima de la mazarota tras ser llenado el molde, y así actuar de aislante térmico. Figura 5.7. Horno eléctrico Figura 5.8. Colada, llenado del molde Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 5. Demostración experimental 90 Figura 5.22. Resultado pieza centrador en V sin mazarota (propuesta inicial) Por tanto, para apaliar esta situación se reorganiza ligeramente la distribución de los modelos en la caja de moldeo (ver figura 5.23) y se modifica la mazarota abierta a una mazarota cerrada (ver figura 5.24) que alimenta a la pieza. Al igual que en el apartado anterior, se busca que la mazarota sea la última en solidificar para que realice su trabajo compensatorio en la pieza al completo. Figura 5.23. Propuesta final de ubicación del modelo para el centrador en V en la caja de moldeo Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 5. Demostración experimental 91 Figura 5.24. Mazarota lateral cerrada para el centrador en V (Anexo A: plano 3.2.1) Tras volver a realizar la fundición de este modelo, se obtiene la pieza con mazarota (figura 5.25) completamente sana y la pieza sin mazarota (figura 5.26) con defectos internos, rechupes, por la contracción. Por tanto, se mantiene este nuevo diseño y distribución final. Figura 5.25. Resultado pieza centrador en V con mazarota (propuesta final) Mazarota Pieza Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 5. Demostración experimental 92 Figura 5.26. Resultado pieza centrador en V sin mazarota (propuesta final) Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena 6. Conclusiones 93 6. CONCLUSIONES En el proceso de fundición en arena verde, resulta crítica la selección de las propiedades de los sistemas empleados para la alimentación y la compensación, ya que estas elecciones influyen de manera significativa en la aparición de defectos de contracción en las piezas. Los diversos componentes diseñados y producidos han demostrado, en la mayoría de los casos, concordancia entre los principios teóricos y los resultados obtenidos en experimentos prácticos. Esto subraya la importancia crítica de posicionar adecuadamente los elementos auxiliares y las piezas dentro del molde, ya que las demostraciones experimentales han demostrado que la ubicación de la mazarota, aunque tenga el mismo volumen, en diferentes posiciones alrededor de la pieza puede tener consecuencias negativas. Este factor es algo que no se aborda de manera completamente precisa en los análisis teóricos. Por lo tanto, habría sido beneficioso, en conjunto con este proyecto, realizar un análisis previo de cada diseño utilizando software de simulación de fundición. Este software tiene la capacidad de proporcionar resultados realistas, lo que permitiría identificar la disposición más eficiente de las piezas en el molde. Otro aspecto de gran relevancia es la selección del material de fundición, ya que influye en las dimensiones de todos los componentes involucrados en el modelo. En este contexto, dado que el estaño, un material poco común en fundiciones y por ello en las fuentes bibliográficas, es el material de trabajo empleado, y esto ha planteado desafíos para los cálculos y diseño, lo que ha requerido una investigación más profunda. Para trabajar con el estaño, fue necesario realizar una aproximación teórica en base a datos de otros materiales comunes en la fundición, con el fin de obtener los valores de las constantes en la ecuación de Mikhailov para el estaño. En consecuencia, a pesar de haber logrado resultados finales precisos y correctos, es posible que se haya desviado levemente del diseño óptimo. Esto se debe a que las constantes de Mikhailov se obtuvieron mediante cálculos teóricos basados en otros metales, y la ecuación del tiempo de llenado se utiliza como base en el diseño del sistema de alimentación para cada modelo. En cuanto al nuevo enfoque de fabricación que se ha incorporado en el proceso de fundición en arena verde, la fabricación aditiva, es evidente que esta nueva tecnología tiene una ventaja significativa y se integra de manera efectiva con el método tradicional ya establecido. Gracias a la rapidez y la eficiencia económica de la fabricación aditiva, se ha podido generar nuevos modelos de manera ágil en función de los resultados experimentales obtenidos, todo esto sin que se traduzca en una ralentización del progreso del estudio. Desde una perspectiva industrial, esta tecnología podría suponer un avance continuo en la línea de producción de una pieza, permitiendo la fabricación de diversas opciones de modelos con el objetivo de encontrar la forma más óptima. Es relevante destacar que la impresión 3D en PLA (ácido poliláctico) es especialmente adecuada debido a sus propiedades intrínsecas, como su ligereza, resistencia y la capacidad de resistir la humedad de la arena de moldeo. Esto representa una gran ventaja en comparación con modelos de madera o metal. Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena Anexo A 97 ANEXO A: PLANOS R21 67 8 4040 8 16 Ø11 Ø7 Ø11 Ø7 33 17 31 29 31 29 8 8 66 23 338 R4 15 15 17 166,7 164,9 18,5 16,7 50,4 50,4 R20,6 R21,4 31,5 31,5 29,7 29,7 33,8 84,1 85 31,3 8,28,2 33,8 8,2 68,8 67 65,9 67,6 31,3 6,5 90 1,00° Ø45 Ø42 Ø6 27 63 R2 R2 6,5 6,5 Ø47 Ø6 Ø15 Ø18 Ø36 276 1414 14 14 28 Ø6 Ø6 Ø6 Ø30 Ø31,4 6,5 6,5 R8 R8 176 R1,4 10 6,5 Ø6 Ø6 R0,8 16 8 68 16 14 3,00° 3,00° R8 6,5 28 6,5 6,5 9,41 R1,4 14 14 Ø6 Ø6 Ø31 Ø29,5 Ø6 R8 80 14 90 6,5 16 55 Ø6 Ø6 14 16 8 R0,8 12,712,7 R12,7 R11,1 R11,1 20,6 20,622,2 41,2 22,2 126,7 31,7 19 31,7 95 50,744,3 25,3 12,7 13,47 13,5 14,2 13,5 99,1 32,5 19,5 45,4 52,3 10,7 12,9 R13 R11,4 R11,4 90,00° 14,2 13,5 129,8 131,5 R10,2 R10,2 23,144,523,1 21,1 42,2 21,1 26 46,2 45,8 90 6,5 Ø36 Ø6 1,00° Ø32,9 50 Ø41 15 15 R4 7 R50 10 5020 Ubicada en caja superior Ubicada en caja inferior R4 Sistema de alimentación 3,00° 1,00° Ø37 Ø11,5 Ø6 6,5 63 27 R2 R2 Ø28 Ø14,5 Ø26 Ø6 9 99 9 6,5 R10 3,00° 108,5 50 50 19 9 9 7 R0,9 R0,9 R3 4 R0,4 R0,4 R10 Ø25,6 5015 Ø19 Ø20 Ø30 400 50 Ø20 300 90 10 75 15 5 20 30 R2 50 R2 45 75 25 25 Elaboración de modelos mediante fabricación aditiva para moldeo manual en arena Anexo B 117 ANEXO B: CÓDIGOS MATLAB