En un proceso de fundición, una pieza puede verse correctamente diseñada en CAD y aun así presentar problemas una vez que el metal comienza a llenar el molde y solidificarse.
Temperaturas, geometría, espesores, sistema de alimentación y velocidad de enfriamiento interactúan durante el proceso. Una pequeña variación puede provocar defectos que quizá solo se descubran después de fabricar el molde, realizar el vaciado y finalmente inspeccionar la pieza.
La simulación de fundición permite analizar virtualmente parte de este comportamiento antes de llegar a producción, ayudando a los ingenieros a identificar zonas de riesgo y comparar modificaciones del proceso.
Estos son 7 defectos o condiciones asociadas a defectos que pueden anticiparse mediante simulación.
1. Porosidad por contracción
Cuando el metal pasa del estado líquido al sólido experimenta cambios volumétricos. Si determinadas zonas de la pieza no reciben suficiente metal líquido durante la solidificación, pueden desarrollarse cavidades o porosidad asociada a contracción.
Las geometrías con diferentes espesores pueden incrementar este riesgo debido a que no todas las regiones solidifican simultáneamente.
Mediante simulación es posible analizar el comportamiento térmico y de solidificación para localizar zonas susceptibles a problemas de alimentación y contracción.
Esto permite evaluar modificaciones antes de producir, como cambios en:
- ubicación y dimensiones de las mazarotas;
- geometría del sistema de alimentación;
- espesores de determinadas secciones;
- utilización de enfriadores;
- condiciones térmicas del proceso.
El objetivo no es simplemente agregar más alimentación, sino conseguir que la solidificación ocurra de una manera que permita alimentar adecuadamente las regiones críticas.
2. Rechupes
Los rechupes son cavidades relacionadas con la contracción del metal durante la solidificación y suelen aparecer en regiones que permanecen calientes durante más tiempo.
Un error común es intentar resolverlos únicamente aumentando el tamaño de una mazarota.
Sin embargo, primero conviene entender cómo está solidificando realmente la pieza.
Una simulación térmica permite observar qué regiones permanecen líquidas durante más tiempo y evaluar si el sistema de alimentación puede continuar suministrando metal a esas zonas.
De esta forma pueden compararse diferentes configuraciones de mazarotas y otros elementos antes de realizar modificaciones físicas al herramental.
3. Puntos calientes
Una pieza fundida no se enfría uniformemente.
Intersecciones, cambios bruscos de sección y acumulaciones de material pueden generar regiones donde el calor permanece concentrado durante más tiempo.
Estas regiones se conocen comúnmente como puntos calientes.
Aunque un punto caliente no es por sí mismo necesariamente un defecto final, puede convertirse en una zona crítica relacionada con problemas de contracción y alimentación.
La simulación permite visualizar la evolución de la temperatura y la solidificación a través del tiempo.
Por ejemplo, una geometría aparentemente sencilla puede presentar esta situación:
zona delgada → solidifica rápidamente
zona de transición → solidificación intermedia
acumulación de material → permanece caliente
Detectar esta condición virtualmente permite estudiar cambios en geometría, alimentación o enfriamiento antes de fabricar.
4. Llenado incompleto
No todos los defectos aparecen durante la solidificación. Algunos comienzan desde el momento en que el metal líquido entra al molde.
Si determinadas regiones pierden temperatura demasiado rápido antes de completarse el llenado, existe riesgo de obtener una pieza incompleta.
Las secciones delgadas, recorridos largos y geometrías complejas pueden ser especialmente sensibles.
Mediante una simulación de flujo y llenado pueden estudiarse variables como:
- recorrido del metal;
- secuencia de llenado;
- temperatura durante el llenado;
- velocidad del flujo;
- zonas que reciben metal al final del proceso.
Este análisis ayuda a identificar regiones potencialmente problemáticas antes de realizar el primer vaciado.
5. Uniones frías
Dos frentes de metal pueden avanzar por diferentes regiones del molde y posteriormente encontrarse.
Si al momento de unirse han perdido demasiada temperatura, la unión puede no producirse adecuadamente.
Este fenómeno puede generar discontinuidades conocidas como uniones frías.
La simulación del llenado permite visualizar cómo avanza el metal dentro de la cavidad y estudiar dónde convergen los diferentes frentes.
Si una región crítica recibe metal demasiado tarde o a una temperatura desfavorable, pueden evaluarse modificaciones en el sistema de canales, entradas o parámetros del proceso.
6. Atrapamiento de aire y comportamiento turbulento del flujo
La forma en que el metal entra y circula dentro del molde también es importante.
Cambios bruscos de dirección, velocidades elevadas o una configuración inadecuada del sistema de alimentación pueden producir patrones de flujo poco favorables y zonas donde existe riesgo de atrapamiento de aire.
Una simulación de llenado permite observar algo que físicamente resulta difícil de visualizar:
qué está ocurriendo dentro del molde mientras entra el metal.
El ingeniero puede analizar el recorrido del flujo e identificar regiones donde la estrategia de llenado podría mejorarse.
Esto permite comparar diferentes diseños de canales y entradas antes de modificar el herramental.
7. Solidificación no direccional
En muchos procesos interesa promover una secuencia de solidificación que permita mantener alimentadas las regiones críticas de la pieza.
El problema aparece cuando ciertas zonas solidifican prematuramente y aíslan regiones que todavía necesitan recibir metal líquido.
Aunque exista una mazarota suficientemente grande, su efectividad puede reducirse si se interrumpe el camino de alimentación hacia la zona que permanece líquida.
La simulación permite analizar la secuencia de solidificación y observar cómo progresa el frente sólido a través de la pieza.
Esto ayuda a responder preguntas como:
¿La pieza está solidificando hacia la mazarota?
¿Existen regiones líquidas que quedan aisladas?
¿Dónde termina realmente la solidificación?
¿Un enfriador modificaría favorablemente la secuencia?
¿La ubicación de la mazarota es adecuada?
Este tipo de análisis puede resultar más útil que realizar modificaciones basadas únicamente en prueba y error.
De reaccionar ante defectos a anticiparlos
En un proceso tradicional, muchos problemas se identifican después del primer vaciado.
Se fabrica el molde, se produce la pieza, se inspecciona, aparece un defecto, se modifica el proceso y se vuelve a intentar.
Cada iteración puede representar material, energía, horas de ingeniería, utilización de equipos y tiempo de producción.
La simulación cambia el momento en el que se toman muchas de estas decisiones.
En lugar de esperar a encontrar el defecto físicamente, el ingeniero puede evaluar virtualmente diferentes escenarios:
Diseño CAD → simulación → identificación de zonas críticas → modificación → nueva simulación → producción
Esto no significa que la simulación sustituya la validación física de la pieza. Su valor está en proporcionar información adicional para tomar decisiones antes de invertir en pruebas y modificaciones físicas.
SOLIDCast: simulación de solidificación para procesos de fundición
SOLIDCast, desarrollado por Finite Solutions, es una herramienta especializada en simulación de fundición que permite analizar el comportamiento térmico y la solidificación de una pieza.
El software puede ayudar a estudiar aspectos como la distribución de temperaturas, secuencia de solidificación, puntos calientes y condiciones relacionadas con contracción y alimentación.
Para analizar con mayor profundidad el comportamiento del metal durante el llenado del molde, el ecosistema de Finite Solutions también cuenta con FLOWCast, mientras que OPTICast permite trabajar en la optimización de determinadas variables del proceso.
La combinación de estas herramientas permite pasar de una pregunta como:
“¿Funcionará este diseño?”
a preguntas mucho más útiles para ingeniería:
“¿Dónde existe mayor riesgo?”
“¿Qué sucede si modificamos esta mazarota?”
“¿Cómo cambia la solidificación si modificamos esta condición?”
“¿Cuál de estas alternativas presenta un comportamiento más favorable antes de llevarla a producción?”
Simular antes de fabricar
En fundición, encontrar un defecto después del vaciado significa que buena parte de la inversión del proceso ya ocurrió.
Detectarlo durante una simulación permite que todavía exista margen para modificar el diseño y estudiar alternativas.
Por eso, la simulación no debe verse únicamente como una herramienta para investigar por qué falló una pieza.
También puede utilizarse como una herramienta preventiva para analizar, comparar y mejorar un proceso de fundición antes de fabricar.
En TCM contamos con soluciones de Finite Solutions para simulación de procesos de fundición, incluyendo SOLIDCast, FLOWCast y OPTICast.
Si tienes una pieza o proceso de fundición que presenta problemas de contracción, puntos calientes, alimentación o llenado, podemos ayudarte a evaluar cómo aplicar herramientas de simulación a tu proceso.