¿Qué es el moldeo a presión?

P: ¿Qué es el moldeo a presión?

R: El moldeo a presión es un proceso de fabricación para producir piezas metálicas con dimensiones precisas, bien definidas, lisas o con superficie con textura. Se logra al forzar metal fundido a alta presión en matrices de metal reutilizables. El proceso a menudo se describe como la distancia más corta entre la materia prima y el producto terminado. En inglés, el término "die casting" (moldeo a presión) se usa también para describir la pieza terminada.

El término "moldeo a presión por gravedad" se refiere a las piezas hechas en moldes de metal bajo la presión de la gravedad. En EE. UU. y Canadá se conoce como moldeo a presión en molde permanente. Lo que en Estados Unidos llamamos "die casting", en Europa se conoce como "pressure die casting".

¿CÓMO SE FABRICAN LOS PRODUCTOS DE MOLDEO A PRESIÓN?

Primero, se debe construir un molde capaz de producir decenas de miles de piezas de moldeo una tras otra en al menos dos secciones para permitir la extracción de las piezas. Estas secciones se montan de forma segura en una máquina y se disponen de manera tal que una sea fija (mitad fija de la matriz) y la otra sea móvil (mitad de inyección de la matriz). Para iniciar el ciclo de moldeo a presión, la máquina de moldeo a presión sujeta firmemente las dos mitades de la matriz una con la otra. El metal fundido se inyecta en la cavidad de la matriz en donde se solidifica rápidamente. Las mitades de la matriz se separan y se expulsa la pieza de moldeo a presión. Las matrices de moldeo a presión pueden ser simples o complejas, tener correderas móviles, centros u otras secciones según la complejidad de la pieza de moldeo a presión.

El ciclo de moldeo a presión completo es por lejos el más rápido que se conoce para producir piezas de metal no ferroso precisas. Esto contrasta marcadamente con el moldeo por arena, que requiere un nuevo molde de arena por cada pieza de moldeo. Aunque el proceso de molde permanente utiliza moldes de hierro o de acero en vez de arena, es significativamente más lento y no tan preciso como el moldeo a presión.

TIPOS DE MÁQUINAS PARA MOLDEO A PRESIÓN

Independientemente de la máquina que se utilice, es esencial que las mitades de la matriz, los centros y/u otras secciones móviles estén firmemente sujetos en su lugar durante el ciclo de moldeo a presión. Por lo general, la fuerza de sujeción de la máquina está dominada por (a) el área de superficie proyectada de la pieza de moldeo (medida en la línea de separación de la matriz) y (b) la presión utilizada para inyectar el metal en la matriz. La mayoría de las máquinas utilizan mecanismos tipo palanca accionados por cilindros hidráulicos (a veces neumáticos) para asegurar la matriz. Otras usan presión hidráulica de acción directa. Para evitar que la matriz se abra durante los ciclos de moldeo a presión, se utilizan sistemas de interbloqueo de seguridad.

Las máquinas de moldeo a presión, ya sean grandes o pequeñas, varían básicamente solo en el método que se utiliza para inyectar el metal fundido en la matriz. Estas se clasifican y describen como máquinas de moldeo a presión con cámara caliente o con cámara fría.

MÁQUINAS CON CÁMARA CALIENTE

Las máquinas con cámara caliente (fig. 1) se usan principalmente para zinc y aleaciones con bajo punto de fusión que no atacan ni erosionan fácilmente ollas de metal, cilindros ni pistones. La tecnología de avanzada y la creación de materiales nuevos y resistentes a temperaturas más altas ha extendido el uso de este equipo a las aleaciones de magnesio.

En la máquina con cámara caliente, el mecanismo de inyección se sumerge en el metal fundido en un horno adosado a la máquina. Cuando el pistón se eleva, se abre un puerto que permite que el material fundido llene el cilindro. A medida que el pistón se desplaza hacia abajo para sellar el puerto, empuja el metal fundido a través del cuello de cisne y la boquilla hacia la matriz. Una vez que el metal se solidifica, el pistón se retrae, la matriz se abre y se expulsa la pieza de moldeo a presión resultante.

Las máquinas con cámara caliente funcionan rápidamente. Los tiempos de los ciclos varían de menos de un segundo para los componentes pequeños que pesan menos de una onza a treinta segundos para las piezas de moldeo de varias libras. Las matrices se llenan rápido (normalmente en entre cinco y cuarenta milisegundos) y el metal se inyecta a altas presiones (1 500 a más de 4 500 psi). No obstante, la tecnología moderna permite controlar de cerca estos valores, lo que brinda la posibilidad de producir piezas de moldeo con detalles finos, tolerancias cercanas y alta resistencia.

Figura 1: máquina con cámara caliente. El diagrama ilustra el mecanismo de pistón que se sumerge en el material fundido. Las máquinas modernas se operan hidráulicamente y están equipadas con controles de ciclo automáticos y dispositivos de seguridad.

MÁQUINAS CON CÁMARA FRÍA

Las máquinas con cámara fría (fig. 2) difieren de las máquinas con cámara caliente principalmente en un aspecto: el pistón de inyección y el cilindro no se sumergen en el material fundido. El metal fundido se vierte en una "cámara fría" a través de un puerto o ranura de vertido con una cuchara manual o automática. Un pistón operado de forma hidráulica, que avanza hacia adelante, sella el puerto de la cámara fría y lleva el metal hacia la matriz cerrada a alta presión. Las presiones de inyección varían de 3 000 a más de 10 000 psi para las aleaciones de aluminio y magnesio, y de 6 000 a más de 15 000 psi para las aleaciones a base de cobre.

En una máquina con cámara fría, se vierte en la cámara más material fundido del que se necesita para llenar la cavidad de la matriz. Esto ayuda a sostener la presión suficiente para llenar la cavidad firmemente con la aleación de moldeo a presión. El metal sobrante se expulsa junto con la pieza de moldeo y es parte de la inyección completa.

El funcionamiento de una máquina con "cámara fría" es un poco más lento que el de una con "cámara caliente" debido a la operación con cuchara. Las máquinas con cámara fría se utilizan para aleaciones de moldeo a presión con puntos de fusión altos porque los ensambles de pistón y cilindro son menos propensos a los ataques debido a que no se sumergen en el metal fundido.

Figura 2: máquina con cámara fría. El diagrama ilustra la matriz, la cámara fría y el cilindro horizontal o pistón (en posición de carga).

DE QUÉ ESTÁN HECHAS LAS MATRICES DE MOLDEO A PRESIÓN

Las matrices de moldeo a presión (fig. 3) están hechas de aceros de aleación de herramientas en al menos dos secciones que se denominan mitad fija de la matriz y mitad de expulsión de la matriz. La mitad fija de la matriz está ubicada en dirección al sistema de inyección del metal fundido. La mitad de expulsión de la matriz, a la que se adhiere la pieza de moldeo y desde la cual se expulsa cuando se abre la matriz, está ubicada en el plato móvil de la máquina.

La mitad fija de la matriz está diseñada para contener el orificio de colada mediante el cual el metal fundido ingresa a la matriz. La mitad de expulsión normalmente contiene las correderas (pasajes) y compuertas (entradas) que trasladan el metal fundido a la cavidad (o cavidades) de la matriz. La mitad de expulsión también está conectada a una caja de expulsión en la que se encuentra el mecanismo para expulsar la pieza de moldeo de la matriz. La expulsión ocurre cuando los cuatro pernos conectados a la placa de expulsión se mueven hacia adelante para empujar la pieza de moldeo de la cavidad. Esto generalmente ocurre como parte del golpe de apertura de la máquina. La colocación de los pernos expulsores debe diseñarse con cuidado de manera tal que la fuerza que se aplique sobre la pieza de moldeo durante la expulsión no provoque que esta se deforme. Los pernos de retroceso unidos a la placa de expulsión regresan la placa a su posición de moldeo a presión a medida que se cierra la matriz.

Usualmente, se utilizan núcleos fijos y móviles con las matrices. Si el núcleo es fijo, su eje debe estar paralelo a la dirección de apertura de la matriz. Si es móvil, por lo general está sujeto a correderas de núcleos. Si el lado del diseño de una pieza de moldeo a presión necesita un hueco, la matriz puede hacerse con una o más correderas para obtener el resultado deseado sin incidir en la expulsión de la pieza de moldeo de la cavidad de la matriz. Todas las correderas y núcleos deben sujetarse con cuidado y deben quedarse firmemente en su lugar durante el ciclo de moldeo a presión. De otro modo, el metal fundido podría salirse de sus correderas y se tendría que interrumpir la operación. Aunque las correderas y núcleos aumentan la complejidad y el costo de la construcción de la matriz, posibilitan la producción de piezas de moldeo en una amplia variedad de diseños y usualmente más económicas que cualquier otro proceso de trabajo en metal.

Figura 3

TERMINOLOGÍA DE MATRICES

Los orificios de colada son ahusados y el extremo más pequeño está ubicado en el punto de quiebre cuando se abre la matriz. Un perno de colada, ubicado en la mitad de expulsión, ahueca la colada y desvía el metal que ingresa en la matriz hacia el sistema de correderas.

Las correderas son canales ubicados en la línea de separación para dirigir el metal líquido desde el orificio de colada hacia la compuerta.

Las compuertas son pasajes a través de los cuales el metal ingresa a la cavidad de matriz. Cumplen una función importante en dirigir el flujo de metal de manera que la cavidad se llene correctamente. A medida que el metal ingresa a la cavidad de la matriz, se exhala aire a través de las ventilaciones.

Los pernos guía garantizan la alineación adecuada de las mitades de la matriz y el registro correcto de las cavidades.

Las paredes laterales y núcleos están diseñados con una leve conicidad. El diámetro más grande o sección transversal de la cavidad debe estar ubicado en la línea de separación (a no ser que se utilicen correderas) de manera que la pieza de moldeo pueda quitarse de la matriz. A medida que el metal fundido que se encuentra en la cavidad de la matriz se solidifica, se encoge retirándose de las paredes sobre los pernos de núcleo y otras proyecciones. El diseño de la matriz debe permitir la extracción de los pernos de núcleo y la expulsión de la pieza de moldeo sin aplicar demasiada presión ya que esto podría deformarla.

Los núcleos, fijos o móviles, así como las "partes sueltas", deben colocarse de manera tal que faciliten la extracción mecánica o manual. El operador debe colocar las partes sueltas que se utilizan para formar socavados. Esto requiere de trabajo extra, y por lo general enlentece el ciclo de moldeo a presión.

Los insertos pueden moldearse de forma integral para brindar características especiales.

La mayoría de las matrices se enfrían con agua que circula por canales construidos para ese fin.

TIPOS DE MATRICES

Las matrices se clasifican de la siguiente manera: de una sola cavidad, de varias cavidades, combinadas y unitarias (figuras 4-A a 4-D).

No es necesario explicar lo que es una matriz de una sola cavidad. Las matrices de varias cavidades tienen cavidades idénticas. Si la matriz tiene cavidades de diferentes formas, se denomina matriz combinada. Las matrices combinadas se utilizan para producir varias piezas de un ensamble. En el caso de piezas simples, se pueden utilizar matrices unitarias para realizar herramientas y trabajos para economías de producción. Con las matrices unitarias también se pueden moldear al mismo tiempo varias piezas de un ensamble o para distintos clientes. Una o más matrices unitarias se ensamblan en un soporte común y se conectan a un orificio común u orificio de colada mediante correderas. Esto posibilita el llenado simultáneo de todas las cavidades.

Figura 4

LA AUTOMATIZACIÓN EN EL MOLDEO A PRESIÓN

"Automatización y mecanización" son términos que por lo general se utilizan como sinónimos en la industria de moldeo a presión. La automatización de un proceso de fabricación es más sofisticada y compleja que la mecanización de varias operaciones.

Un fabricante de moldeo a presión logra la automatización al mecanizar varios pasos del proceso de moldeo a presión. Por ejemplo:

  1. La lubricación de la matriz puede lograrse al instalar sistemas de pulverización fijos o giratorios.
  2. La cuchara manual puede reemplazarse por un dispositivo de cuchara automática.
  3. Las piezas de moldeo pueden extraerse de la matriz mediante extractores o robots, o ser arrojadas a una cinta transportadora debajo de la máquina.
  4. El funcionamiento de la máquina de moldeo a presión puede configurarse para integrar el moldeo, enfriamiento y expulsión de las piezas y regresar los sobrantes al horno en una cinta transportadora.

Al cerrar el círculo, el proceso de moldeo a presión puede automatizarse, utilizando controles de retroalimentación y microprocesadores que compensan las variables del proceso de manera automática. Cuando las plantas de moldeo a presión adoptan la automatización, se dan cambios visibles. La operación tiende a volverse más segura. La producción y la calidad mejoran considerablemente. La automatización hace que la fuerza laboral mejore ya que requiere el desarrollo de nuevas destrezas para la configuración, programación, electrónica, mecánica y mantenimiento de las máquinas.

CALIDAD EN EL MOLDEO A PRESIÓN

La calidad en el moldeo a presión se mantiene mediante el uso de controles de proceso y la retroalimentación entre la computadora que controla el proceso y la máquina de moldeo a presión.

Los controladores de proceso pueden utilizar microprocesadores para acceder a los transductores instalados en la máquina de moldeo a presión, para obtener datos de velocidad, posición, presión hidráulica y tensión de la barra guía. El controlador de proceso también recopila datos del desempeño de la máquina para el análisis estadístico durante el control de calidad.

MONITOREO COMPUTARIZADO CONTINUO DEL PROCESO

Paso 1, monitoreo de alarma. Una terminal remota computarizada instalada cerca de la máquina de moldeo a presión monitorea lo siguiente de manera continua: velocidad, posición, presiones en el acumulador, cilindro de bloqueo de la matriz, lado del cabezal y vara del cilindro de inyección, temperaturas del aceite hidráulico, metal (hasta en diez ubicaciones la matriz) y tensiones de las cuatro barras guía. Para cada una de estas variables, se revisan los límites alto y bajo en cada inyección. Si una variable de moldeo a presión se encuentra fuera de los límites, suena o titila una alarma.

Paso 2, control. En la máquina de moldeo a presión se instalan válvulas de control automáticas y motores de ajuste de barras guía que están conectadas a la unidad de la terminal remota computarizada. La computadora ajusta los controles para mantener una fuerza de bloqueo satisfactoria en la matriz, reducir la velocidad de inyección, optimizar el tiempo de llenado y mantener una sincronización adecuada durante la intensificación. La computadora también puede tener la interfaz de un robot y/o un controlador programable.

Paso 3, obtención de datos. Luego de instalar unidades de terminales remotas computarizadas en cada máquina, se puede formar un sistema de obtención de datos al interconectar estas unidades y transmitir toda la información a la computadora de una terminal maestra en la oficina. La computadora maestra imprime un informe de información administrativa que resume la operación de todo el taller de moldeo a presión, incluyendo qué máquinas están en funcionamiento, cuándo se detienen, los disparos realizados (malos y buenos), qué máquinas se encuentran fuera de los límites y qué hacer. En la estación maestra, el gerente puede analizar el proceso al estudiar los perfiles de disparo en un monitor de video y los informes estadísticos de una impresora de alta velocidad.