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RAPID CASTING Y NUEVAS TECNOLOGÍAS EN EL PROCESO DE MICROFUNDICIÓN

110 REVISTA INGENIERÍA E INVESTIGACIÓN VOL. 26 No.1, ABRIL DE 2006

REVISTA INGENIERÍA E INVESTIGACIÓN VOL. 26 No.1, ABRIL DE 2006 (110-119)

Rapid casting y nuevas tecnologías en el proceso deRapid casting y nuevas tecnologías en el proceso deRapid casting y nuevas tecnologías en el proceso deRapid casting y nuevas tecnologías en el proceso deRapid casting y nuevas tecnologías en el proceso demicrofundiciónmicrofundiciónmicrofundiciónmicrofundiciónmicrofundición

Rapid casting and new technologies in investment castingRapid casting and new technologies in investment castingRapid casting and new technologies in investment castingRapid casting and new technologies in investment castingRapid casting and new technologies in investment casting

Claudia Marcela Sánchez R.1 y Carlos Julio Cortés R.2

RESUMENSiendo el prototipado rápido un método de fabricación diferente de los tradicionales en que no remueve odeforma material sino que lo agrega para obtener las piezas que se han diseñado, es utilizado no solamente enla fabricación de productos terminados sino también en la elaboración de herramientas para agilizar diferentesprocesos de manufactura. Este artículo introduce el prototipado rápido como técnica de apoyo al proceso demicrofundición. Se hace una descripción corta de las diferentes técnicas que se han implementado hasta elmomento y los materiales que sirven para elaborar los artículos de las diversas etapas del proceso en las queprototipado rápido interviene.

PPPPPalabras clave:alabras clave:alabras clave:alabras clave:alabras clave: prototipado rápido, microfundición (fundición de precisión), ceras, ABS.

ABSTRACTRapid prototyping is a manufacturing process which is different to traditional methods as material is not removed orformed but added to obtain the designed pieces. It is not just used for manufacturing finished products but inmanufacturing tooling for speeding up other manufacturing processes. This paper introduces rapid prototyping asa support technique for the lost wax process (investment casting). It gives a brief description of the different techniquesimplemented to date and materials used for making articles as part of the lost wax process.

Keywords:Keywords:Keywords:Keywords:Keywords: rapid prototyping, lost wax process (investment casting), waxes, ABS.

Recibido: junio 15 de 2005Aceptado: enero 23 de 2006

Introducción

1 Ingeniera mecánica, Universidad Nacional de Colombia , Bogotá. Asesora del Programa Nacional de Desarrollo Tecnológico Industrial y Calidad.Colciencias. [email protected], [email protected] Ingeniero mecánico, M.Sc. materiales y procesos de manufactura, Comisión de Estudios de Doctorado en Manufactura, Profesor Asociado, Departa-mento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá. [email protected].

La tecnología del prototipado rápido (Rapid Prototyping) haestado disponible comercialmente desde hace dos décadas.Ha sido usada en una amplia variedad de aplicaciones. Du-rante los últimos ocho años el uso de tecnologías deprototipado rápido en la industria de la fundición ha jugadoun papel importante en el desarrollo de nuevos materiales ysistemas que apuntan a la fundición en sus diferentes for-mas (Tromans, 2002), debido a que permite la producciónde prototipos de geometrías complejas en poco tiempo, ymás recientemente, permitiendo la construcción de figuraspartiendo de modelos de programas CAD en 3D sin el usode moldes. La clave del prototipado rápido radica en quehay una conexión directa entre el modelo de CAD y losobjetos sólidos, permitiendo rápidamente fabricar piezashechas a la medida que el cliente requiere, o partes únicas,como en el caso de las aplicaciones protésicas.

En este artículo se muestran las diferentes técnicas deprototipado rápido que hoy en día están siendo usadas endiversos lugares como parte del proceso de fundición deprecisión (Investment Casting).

Proceso de microfundición

Este proceso es uno de los más antiguos de las técnicasmetalúrgicas. En términos sencillos, es un proceso de fun-dición en el cual se utiliza un patrón de cera o materialsimilar para ser recubierto por una mezcla cerámica. Des-pués el molde es secado, el patrón se funde y extrae, y elmetal fundido es vertido en el molde. Se puede decirque es una técnica que requiere una habilidad considera-ble para su ejecución.

Artículo de revisión de tema

SÁNCHEZ, CORTÉS

111REVISTA INGENIERÍA E INVESTIGACIÓN VOL. 26 No.1, ABRIL DE 2006

Los pasos básicos para la obtención de una pieza pormicrofundición, son: 1. La obtención de un modelo apartir del cual se genera un molde para inyección de ce-ras. 2. Inyección de la cera en el molde a fin de obtenerlos patrones de la pieza. 3. Preparación de la mezcla ce-rámica, que se compone de polvo refractario y un siste-ma de pegante coloidal; el patrón se introduce en la mezcla(baño húmedo) y después se hace aspersión de polvocerámico (baño seco), para luego ser secado. Esta opera-ción se repite hasta que se tiene el espesor requerido dela cáscara o molde cerámico. 4. Descerado, proceso enel cual se usan métodos para remover el patrón de cera;normalmente, se utiliza autoclave. 5. Vertido parte delproceso en el que las cáscaras son quemadas,precalentadas y llenadas con el metal fundido el cual sesolidifica dentro de la cáscara. 6. Remoción de la cáscarauna vez se ha solidificado el metal, la cáscara cerámica seremueve a través de métodos químicos o mecánicos(Sánchez, 2003).

Prototipado rápido

El prototipado rápido, conocido también como fabrica-ción libre de sólidos, tiene relación con "La fabricaciónde una parte física tridimensional, de forma geométricaarbitraria, partiendo directamente de una base de datosCAD por un proceso rápido altamente automatizado ytotalmente flexible". (Des Egan, 2000).

Los primeros modelos fabricados por esta técnica fueronfrágiles y tenían tolerancias medianamente inexactas. Hoyen día el prototipado rápido se define como la tecnologíade manufactura generativa o manufactura por capas. Esun método de fabricación diferente de los tradicionalesen que no remueve o deforma material para obtener laspiezas que se han diseñado.

En todo proceso de PR se parte de la construcción de unmodelo computacional usando herramientas como lossistemas de CAD/CAM. El modelo construido debe estardefinido por un volumen limitado. Posteriormente, se con-vierte el modelo en un archivo de formato STL(STereoLithography), que es un formato estándar quedescribe la geometría CAD usada en el sistema de PR.Este formato aproxima la superficie del modelo por me-dio de polígonos para llegar al objeto real. Finalmente, lamáquina fabrica el prototipo construyéndolo capa por capay formando el modelo en tres dimensiones por solidifica-ción de líquidos o polvo según la técnica de PR aplicada.Los rangos de las capas están entre 25 a 250 micrones.

Tecnologías de prototipado rápido

Actualmente hay más de 30 tecnologías de PR disponi-bles para modelos de producción basadas en el princi-pio de fabricación aditiva (Chen, 2001), algunas de ellasson: estereolitografía (Stereolithography SLA),sinterización selectiva con láser (Selective Laser SinteringSLS), modelado por deposición fundida (Fused Deposition

Figura 1. Clasificación de Herramental Rápido (Rapid Tooling).Fuente: Rosochowski y Matuszak 2000

Modeling FDM), Laminated Object Manufacturing (LOM),impresión en tres dimensiones (3D Printing), ExtrusionFreeform Fabrication (ACR, NASA), modelado por Inkjet(Inkjet Modeling)

Los elementos que hacen diferencia entre estas tecnologíasson dos: el material usado y la técnica de construcción delas partes. Los materiales usados en PR deben poderse,enarenar, maquinar, unir, manipular, pintar y ser baratos.

Clasificación de las técnicas de prototipado rápido

Por la forma inicial de los materiales que se utilizan, sepueden clasificar los procesos de PR como:

� Base líquida: Un material de base líquida se le haceun proceso de curado, del cual resulta el sólido quese estaba buscando (p. eje., SLA, SGC, SOUP, etc.).

� Base sólida: abarca todas las formas de material sólidotales como hilo, en enrollado, en lámina y en aglome-rados (p eje., LOM y FDM, etc.).

� Base de polvos: el material que se encuentra en gra-nos pequeñísimos se somete a un proceso de unión ocompactado para producir el sólido que se diseñó (p.eje., SLS y 3DP, etc.).

Por principios de generación de capas, los procesos seclasifican como: polimerización (p. eje., estereolitografía),fundición y resolidificación (p. eje., sinterizado por láser,recubrimiento por láser, extrusión), pegado (p. eje., im-presión en 3D (3D-Printing)), corte (p. eje., manufacturade capas laminadas).

La generación de capa en el plano se hace con diferentesherramientas (Tabla 1).

Tabla 1 Técnica de Prototipado vs. Herramienta



Prototipado rápido en el proceso demicrofundición

Estereolitografía (SLA)

Desarrollada en 1986 por 3D Systems. El principio queadopta es el siguiente: los objetos se logran polimerizandouna resina líquida de baja viscosidad, sección por sec-ción. La forma y dimensiones de las partes son transferi-das directamente de un programa CAD de 3D al equipo,donde un rayo láser (por lo general He-Cd o Ar) polimerizalas diferentes secciones. Una computadora controla queel láser dibuja el fondo, la sección transversal hacia lasuperficie de un polímero líquido. El polímero se endure-ce en el lugar donde es golpeado por el láser. La figura esescaneada por un sistema óptico y controlada por unmecanismo de elevación que baja la capa que ha sidofabricada (Cheng y Shu-Hung, 1992). La próxima seccióntransversal es directamente arrastrada encima de la ante-rior. Esto se repite hasta que la parte es terminada. Final-mente, la parte se retira del recipiente y es curada en unaparato especial (Figura 2) (Jacobs, 2000).

SLA en microfundición

Desde los primeros días del desarrollo de esta técnicael proceso de microfundición ha usado patrones cons-truidos en máquinas de SLA. Los materiales utilizadospara la fabricación de patrones son especiales para esteproceso, pero no las ceras que se usan en el procesode microfundición.

Figura 2. Proceso de SLA. Fuente: Klocke y Freyer, 1999

Características del proceso

Tabla 2. Características de SLA

Por cuanto la resina epóxica que se utiliza en el SLA es unmaterial termoendurecido, que no funde como las ceras,la cáscara puede romperse durante el proceso dedescerado. Cuando una cáscara cerámica con un patrónde resina epóxica es colocado en un autoclave, está suje-ta a altas temperaturas, expansión térmica y grandes es-fuerzos. Debido a que la diferencia de coeficientes deexpansión entre el material del patrón y el de la cáscaratienen divergencia de más de un orden de magnitud, lospatrones imprimen considerables esfuerzos sobre esta(Yaoa et al., 2000).

Los primeros pasos en el desarrollo de los patrones lleva-ron a problemas, puesto que el acrílico de las piezas deSLA se expandía durante el descerado, rompiendo la cás-cara cerámica; además, se presentaba también expansióntérmica en modelos construidos para recubrimiento sóli-do. Por esta y otras razones, como la pérdida de muchospatrones y el amplio uso del recubrimiento sólido, se desa-rrolló un nuevo método en la técnica de estereolitografíallamado Quickcast. Por tal método debían manufacturarsepiezas con propiedades que permitieran que los patronesmodelo pudieran quemarse más fácilmente y así eliminarla expansión del modelo y evitar la fractura de la cáscaracerámica o daños en el recubrimiento sólido.

El método de Quickcast crearía una pieza con redes inter-nas, con una serie de espacios vacíos interconectados quepermitirían drenar a la resina, que tiene una viscosidadmás baja que la usada en otros métodos, generando asíuna pieza semihueca que produce el quemado y la eva-cuación del material más fácilmente. Por este método seelimina el 95% de la masa interna de la parte hecha deresina epóxica (Rosochowski y Matuszak, 2000). Los patro-nes producidos por dicho este método requieren de untratamiento especial: si las resinas permanecen atrapadasen la red de Quickcast, estas paredes se solidificarán en ellugar de la depresión y durante el quemado y desceradopueden expandirse excesivamente y romper la cáscaracerámica. Para evitar este inconveniente se desarrolló unaresina epóxica de baja viscosidad. Se han estado llevando acabo investigaciones para establecer cuál es la configura-ción de red adecuada para evitar que durante el desceradolas piezas elaboradas por Quickcast colapsen antes de quela cáscara cerámica se sobrecargue. Adicionalmente, sólose produce una pequeña cantidad de ceniza (Rosochowskiy Matuszak, 2000).

Los prototipos de resina epóxica fabricados por SLA se usantambién como herramientas de resina (herramental directo,Figura 1). Se han utilizado moldes para inyección de cera enla fabricación de los patrones que se utilizan en el procesode microfundición. Con esta técnica se tiene la ventaja detener una temperatura de transición vítrea de la resina de80°C (176°F) que es mayor que el punto de fusión de mu-chas ceras (50 + 55°C) (122 + 131°F). La presión de inyec-ción que se utiliza para este mole es de 3,5 Mpa (5,07 KPsi)(Rosochowski y Matuszak, 2000).

SÁNCHEZ, CORTÉS


Sinterización selectiva con láser (SLS)

Proceso desarrollado por DTM Corporation en 1992. Enel proceso de SLS un rayo láser de CO2 modulado siguela forma de un objeto generado en un programa CAD.El objeto es trazado en un recipiente que contiene unpolvo del material que se va a procesar (de magnitudesdel orden de 50 m), calentando las partículas de ma-nera que se fundan o sintericen entre sí. La construc-ción de la pieza es hecha capa por capa. Cada capa dela figura contiene la sección transversal de una o variaspartes. La siguiente capa se genera directamente en laparte superior de la ya sinterizada después de que unacapa adicional de polvo es depositada por medio de unmecanismo de rodillo en la superficie de la capa formadaanteriormente (Figura3)[Handout et al., on line.www.Ee.Cityu.Edu.Hk/~Shc/]

SLS en microfundición

Sistemas populares de PR como SLS y FDM, son capacesde construir directamente patrones de cera, aunque unproblema que presenta el SLS es que el acabado superfi-cial de este proceso es más rugoso que muchos otrosprocesos de prototipado rápido, lo cual influye en el aca-bado superficial de la pieza que se va a fundir. Sin em-bargo, se ha encontrado una solución para la aplicaciónen el proceso de microfundición que consiste en mejorarlos patrones cubriéndolos con cera antes de hacer el re-cubrimiento con cáscara cerámica.

En la industria automotriz se ha utilizado esta técnica parala fabricación, junto con la fundición de precisión, departes metálicas para realizar sobre estas piezas ensayosmecánicos. Se utiliza SLS para la elaboración del patrónde cera, utilizando como material poliestireno, el cualpuede ser evacuado colocando el molde cerámico enautoclave. Esta combinación de procesos es recomenda-ble por costos, para cantidades superiores a 30 piezas(Wiedemann y Jantzen, 1999).

Figura 3. Proceso de SLS. Fuente: Klocke y Freyer, 1999


Tabla 3.Características de SLS

Desde 1999 se está trabajando en el Instituto Tecnologíade la Producción (IPT) de Fraunhofer una variación deesta técnica para realizar la producción directa de cásca-ras en el proceso de fundición de precisión usando polvocerámico, particularmente silicato de circonio. Para reali-zar este proceso se genera la geometría de la cáscarausando los datos de un programa CAD para posterior-mente producir en la máquina de SLS por fundición delpolvo cerámico la pieza. Usando esta técnica se eliminala necesidad de tener patrón de cera, y por lo tanto, elpaso de descerado es también eliminado, de manera queel tiempo de proceso de precalentado y limpiado de lacáscara toma sólo algunas horas, optimizando el tiempode producción sobre las técnicas convencionales con ven-taja de días o incluso semanas.

Con una producción de piezas como bombas y artículospara aeronaves se encontró que el proceso podía reducirinclusive en dos semanas (Klocke y Freyer, 1999) la pro-ducción de un artículo. Así, el proceso de SLS de cáscaracerámica en microfundición es una alternativa superiorpara producir rápidamente prototipos de cualquier mate-rial fundible. Actualmente se están llevando acabo traba-jos para encontrar la manera de proveer beneficios aldesarrollo de gran cantidad de aplicaciones industrialespara este proceso.

Materiales específicos utilizados para modelos defundición de precisión

El uso de patrones para la microfundición fue realizadopor primera vez en 1992 (Tromans, 2002.) En ese enton-ces se utilizó cera para manufactura de los patrones, peropresentó dificultades porque los patrones que produjo elproceso fueron muy frágiles, lo que representaba un pro-blema para el manejo y transporte de estas piezas. Poste-riormente, se utilizó el policarbonato. Este presentó tanbuenas propiedades que reemplazó totalmente el uso deceras en SLS para microfundición. En 1995 se comenzó autilizar un material desarrollado por DTM conocido comoTrueFormTM , que era un copolímero que conteníapolyestireno y polimetil metacrilato, materiales que ha-cían que el patrón tuviera excelente acabado superficial,mayor exactitud debido al tamaño pequeño de las partí-culas y de formas esféricas. Este material permitió que



hubiera secciones de pared más pequeñas para fundi-ción porque la expansión térmica del material es casi cero.

Se desarrolló después un nuevo material llamadoCastFormPS, que mejoraba las condiciones de espesorde pared permitiendo espesores para fundiciones del or-den de 1,14 mm (0.045 in) con menor contenido decenizas. Adicionalmente, reducía el tiempo de fundi-ción, ya que las temperaturas usadas para la remocióndel patrón son mucho menores que con los otros mate-riales y no se requiere que el molde cerámico esté total-mente seco. Tanto el CastFormPS como el EOS que seintrodujo posteriormente pueden ser usados en el proce-so de recubrimiento con cáscara.

Modelado por deposición fundida (FDM)

Este proceso sigue el principio de los tres ejes de unamaquina de control numérico. Una boquilla controladapor un computador a lo largo de los tres ejes guía elmaterial específico que se funde por calor. El materialdeja la boquilla en forma líquida, la cual se endureceinmediatamente a temperatura ambiente. Por ello es fun-damental en el proceso de FDM que la temperatura delmaterial líquido, para el modelo esté balanceada justopor encima del punto de solidificación. Construyendo elobjeto que se desea, el material se extruye y deposita encapas superdelgadas desde una máquina FDM de pocopeso (Figura 5).


Tabla 4. Características de FDM

FDM en microfundición

El acabado superficial de las partes fabricadas por FDMes generalmente mejor que en el proceso SLS, peroestas son un poco porosas. El parecido con las cerasconvencionales de microfundición permite que las par-tes FDM sean usadas sin modificar el proceso tradicio-nal de microfundición.

Materiales específicos utilizados para modelos defundición de precisión

El primer material utilizado para esta técnica aplicada amicrofundición fue la cera, material que aún es utilizadopara manufacturar los patrones de la máquina directa-mente. Pero al igual que en el proceso anterior, los patro-nes fabricados resultaron muy frágiles. Para reemplazarla cera se desarrolló el ABS, el cual, aunque es usado enla técnica FDM, se introdujo hace poco en el proceso demicrofundición. Con ABS se consiguió buena resistenciadel modelo y adicionalmente la posibilidad de producirespesores de pared muy delgados, permitiendo que laspartes sean limpiadas más fácilmente debido a la bajatasa de expansión de este material.

Los modelos de ABS para esta aplicación tienen que serquemados de la cáscara cerámica de la misma maneraque la mayoría de los modelos producidos por sistemasprototipado rápido, que usan un horno en lugar de auto-clave debido a las relativamente bajas temperaturas usa-das en el proceso del autoclave, y la alta temperatura defusión del ABS.

En la actualidad, en lugares como la Michigan StateUniversity utilizan ceras como ICW05 (Investment CastingWax) para permitir al operador modelar a través de lamáquina, procesar y crear un patrón de cera con caracte-rísticas semejantes a las del proceso de microfundiciòn,es decir, sin cambiar el proceso de descerado tradicional,con contenidos de ceniza bajos y bajos niveles de visco-sidad que permiten que la cera deje la cavidad fácilmen-te sin dejar residuos.

Manufactura de objetos laminados (LOM)

Desarrollado por Helisys Inc. en 1991. Las partes se cons-truyen capa por capa, laminando y uniendo con láser losmateriales que son enviados en forma de hoja. Se usa unláser para fabricar los modelos; los cortes del láser cons-truyen las capas consecutivas que se unen a la capa pre-viamente cortada por pegado, polimerizado. o soldadurapor difusión (Figura 6). Este proceso se emplea en lafabricación de modelos para fundición en arena. Tam-bién pueden usarse en la hechura de modelos para elproceso de microfundición. La aplicación de esta técnicaes amplia en equipos de industrias como la automotriz yaeroespacial, así como para artículos médicos. Es utiliza-da también para diseño, construcción de análisis y prue-bas funcionales de prototipos.

Figura 4. Proceso de FDM. Fuente: www.ame.arizona.edu/ame412a/slides/12.RapidProto.pdf

SÁNCHEZ, CORTÉS


En cuanto a los materiales utilizados en LOM se tieneque, por lo general, se utilizan papel, plásticos, y en al-gunas ocasiones, cerámicos y metal. Por lo general las pro-piedades de las piezas son anisotrópicas debido a que enel plano x-y son diferentes del plano z y no se puedencomparar con los materiales de ingeniería existentes.

Figura 6. Proceso de LOM. Fuente: Klocke y Freyer, 1999

LOM en microfundición

La aplicación de esta técnica al proceso de microfundiciónse puede ver reflejada en la Tabla 6. En algunas industriaseste proceso es utilizado para la generación de moldesblandos, que son utilizados como molde para inyecciónde ceras. En particular para microfundición se utiliza lageneración del molde primario que permitirá fabricar elmodelo patrón.

Tabla 5.Campos de aplicación para LOM (Mueller y Kochan, 1999)

Se ha podido ver en casos experimentales que la inyec-ción de la cera se puede realizar en moldes hechos poreste proceso con características de presión de 0,2 a 0,4MPa (29 a 58,01 Psi) y de temperatura de a 70oC (158oF).El control de los esfuerzos por presión y temperatura enel molde y del proceso de enfriamiento del patrón decera es problemático (Mueller y Kochan, 1999).

Sería posible aplicar LOM para la fabricación del modelopatrón, aunque en este caso el sistema debe utilizar supropio material de prototipado, que sería papel. El in-conveniente que presenta tal material es que al quemar-lo, aunque presenta baja expansión, podría dejar alto con-tenido de ceniza en el molde. Sin embargo, en investiga-ción se está trabajando en el desarrollo de materiales conbajo contenido de ceniza.

Impresión en tres dimensiones (3D PRINTING)

Fue inventada en MIT en 1994. Como en los otros pro-cesos de PR, la impresión en tres dimensiones crea par-tes mediante un proceso de manufactura por capas. Lamáquina esparce una capa de polvo de una cajaalimentadora para cubrir la superficie del pistón de cons-trucción. El sistema entonces imprime una soluciónadhesiva al polvo base, formando la primera sección trans-versal. Cuando el adhesivo es depositado, el polvo seune. El polvo que queda permanece como base y sopor-ta la capa que será impresa sobre él. Cuando la seccióntransversal se completa, el pistón se baja despacio, secoloca una nueva capa de polvo sobre su superficie y serepite el proceso. Finalmente, el pistón es elevado y elpolvo base evacuado, dejando ver la parte completa. Unavez una construcción se completa, el exceso de polvo seretira y las partes se levantan del lugar de construcción(Figura 7). Esta es una de las técnicas más flexibles deprototipado rápido. El proceso puede generar piezas decualquier geometría. El hecho de tener una extensa su-perficie de polvo extra permite crear salientes o cavida-des internas. La impresión en tres dimensiones tambiéntiene flexibilidad en los materiales que maneja y quepuede conformar cualquier material que se pueda obte-ner como polvo, es decir, casi cualquiera (Robinson, 1996).

3D Printing en microfundición

Uno de los procesos desarrollados por 3D Printing conSoligen Tecnologies Inc., es la producción directa de cás-cara cerámica (DSPC), tecnología que se usa para produ-cir moldes cerámicos en el proceso de fundición de pre-cisión. Compañías como Caterpillar Inc. y automotriceshan sido capaces de utilizar este sistema para producirpiezas funcionales en tiempos de fabricación muy cortos(Ashley, 1995).

Producción directa de la cáscara de fundición (DSPC)(Tromans, 2002)

Este proceso de impresión en tres dimensiones se dife-rencia de los demás en que se fabrican las cáscaras cerá-



Figura 6. Proceso de Impresión en 3D. Fuente: Robinson, 1996

micas directamente de datos provenientes de programasde CAD. Se puede usar DSPC para producir partes prác-ticamente de cualquier forma geométrica. La característi-ca de estos moldes es que son similares a los producidospor el método de sumergido (cáscara cerámica). Es máseficiente y barato que los procesos de sinterizado.

El uso de este proceso permite tener borradores del ne-gativo de la pieza, sin líneas de partición y con la posibi-lidad de no imprimir las partes vacías, es decir los aguje-ros. Por lo general en el modelo virtual del molde seincluye el sistema de alimentación y machos internos parapartes huecas. Una vez finalizado el diseño, este modelovirtual es usado directamente en el proceso de 3DP.

El sistema trabaja con un tipo de cabeza de impresiónque se mueve encima de una capa de polvo de alúminafina y deposita gotas diminutas de sílice coloidal en elpolvo en un modelo como el de la sección transversal dela parte. La siguiente capa de polvo es aplicada y el pro-ceso se repite hasta que la cáscara esté completa. Cuan-do esto ocurre, el polvo suelto es alejado y la cáscara sepone en el fuego, el polvo que no se quema se retira y sevierte el metal. El molde resultante se usa para producirpartes para cualquier aleación que sea posible fundir(Rosochowski y Matuszak, 2000). Se afirma que a travésde este proceso se fabrican partes metálicas en días, enlugar de tomar semanas o meses de producción.

Modelado por Inkjet (Maffezzoli, 2000)

El modelado de Inkjet usa una combinación de tecnolo-gía de impresión que produce prototipos de una cera quese usa como modelo en fundición de precisión. El siste-ma de ploteado es un ploter inkjet de líquido-a-sólidocon entrada del eje z separada. El subsistema utiliza doscabezas móviles: una para depositar el materialtermoplástico formado, y la otra para colocar la cera de

soporte para salientes y cavidades durante el ciclo deformado. Las cabezas inkjet depositan los materiales deconstrucción y de apoyo hacia el substrato de la figuracomo una serie uniformemente espaciada de "micro-go-tas". Los materiales de soporte y de la pieza son dediferente color, de manera que puedan diferenciarse en-tre sí. El modelo terminado se sumerge en un baño sol-vente para disolver la cera de apoyo y lo deja listo para lamicrofundición sin la necesidad de pasos de postproceso.

El material formado puede ser colocado en autoclavepara sacar la cera de la cáscara de fundición de la mismamanera que es removida la cera en microfundición. Elmétodo de los modelos construidos con capas de unespesor de 12,7 micrones produce una buena superfi-cie, de tal forma que es superior a cualquier otra técni-ca de prototipado.

Las ventajas de este proceso son las excelentes toleran-cias dimensionales, el acabado superficial y la alta exacti-tud. Adicionalmente, las desventajas serían el tamaño yla velocidad de construcción limitados debido a que lascapas que utiliza son muy delgadas y por lo tanto el tiem-po que se utiliza en dar forma a la pieza es mayor, por locual también el proceso se hace más costoso.


Tabla 6. Características de FDM

Prototipado rápido congelado (RFP)

Rapid Freeze Prototyping (FRP) es una técnica novedosaque permite generar patrones de hielo en tres dimensio-nes con buena exactitud dimensional y flexibilidad direc-tamente de modelos en CAD en corto tiempo. Hay dosmaneras como se pueden generar los sólidostridimensionales, por deposición continua y por deposi-ción demandada gota a gota. En el proceso de deposicióncontinua el agua se extruye desde una boquilla a la su-perficie del substrato o de la capa construida previamen-te. En el proceso gota a gota el agua es expulsada gota agota sólo si se necesita. La figura 8 muestra los principiosde este proceso.

El ambiente de construcción se mantiene a baja tempe-ratura, bajo la temperatura de congelamiento del agua. Elagua utilizada para el proceso es pura o con color. Esta esdepositada sobre la superficie de hielo previamente

SÁNCHEZ, CORTÉS


solidificada. El agua depositada es enfriada por el am-biente a través de convección y por la superficie del hielocon la que está en contacto por conducción. Como resul-tado, el material depositado se congela rápidamente y seadhiere a la capa previa firmemente a través de adhesiónde hidrógeno. Después de que una capa es terminada, laboquilla se eleva hasta alcanzar el espesor de una capa, seespera un tiempo determinado hasta que la solidificaciónse complete y se deposita agua nuevamente para construirotra capa. El proceso se repite hasta que la parte estécompletamente fabricada (Liu et al., 2002).

Figura 8. Proceso FRP. Fuente: Rosochowski y Matuszak, 2000.

Las ventajas más importantes de RFP incluyen: es unproceso más barato y limpio, suficiente adhesión en-tre capas, no se presenta encogimiento y tiene gran-des facilidades para compensación de material. Algu-nas variables del proceso se muestran en la tabla acontinuación. En este momento dicha técnica se en-cuentra en proceso de investigación con el fin de sa-carla al mercado.

RFP en microfundición

La utilización de esta técnica dentro del proceso de fun-dición de precisión se conoce como proceso de fundi-ción congelado (FCP). El FCP comienza con la construc-ción de un patrón de hielo, el cual es sumergido en unamezcla refrigerada de silicato etílico y estuco. Despuésde repetir la operación y de secar el modelo, la cáscaracerámica es colocada a temperatura ambiente y se lepermite al patrón fundirse, drenarse y secar.

Las ventajas que presenta el FCP son costos bajos, altacalidad, superficies en rugosidades superficiales finas, pro-cesos de operación sencillos, y no produce problemas deruptura de cáscara.

Síntesis de la aplicación de RP en microfundición

La Figura 9 ilustra los pasos del proceso de microfundiciónhaciendo énfasis en las partes del proceso en que puedeintervenir el prototipado rápido.

Finalmente, en la Tabla 9 se muestra la técnica deprototipado rápido relacionándola con el paso del proce-so de microfundición (Investment Casting) para el cualse fabrica la pieza.

Conclusiones

Por ser una técnica de copiado de forma, directamentedel archivo de CAD, el prototipado rápido es utilizado demanera eficiente como herramienta para facilitar el pro-ceso de microfundición.

Figura 8. Técnica de Prototipado en el paso del proceso IC enque participa

Tabla 7. Técnica de Prototipado vs. Parte del proceso de IC enque participa



El prototipado rápido puede ser utilizado en la generacióndel molde para inyección de ceras, los patrones de cera olas cáscaras cerámicas directamente, disminuyendo el tiem-po de producción, y dependiendo de la cantidad de pie-zas, disminuyendo también los costos de fabricación.

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