Manufactura de piezas fundidas aplicadas en ingeniería mediante la tecnología de impresión 3D

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1 1 Manufactura de piezas fundidas aplicadas en ingeniería mediante la tecnología de impresión 3D A.F Gil-Plazas 1, Omar Torres Torres 2, L.K Herrera 3 RESUMEN En la actualidad la industria de procesamiento de metales en estado líquido, se basa en la fabricación de modelos mediante modeleria industrial haciendo uso de procesos convencionales de manufactura los cuales generan tiempos de obtención de los modelos relativamente prolongados. Actualmente con el fin de minimizar tiempo producción de los modelos utilizados para los procesos de fundición se ve la necesidad de implementar tecnologías de tipo CAD- CAE que involucren procesos innovadores como lo es la impresión 3D. Dentro de este trabajo, se implementa el uso de los conocimientos PLM e impresión 3D mediante FDM para la obtención de geometrías complejas mediante procesos de fundición de modelo perdido, para plasmar esta metodología se ha seleccionado un impulsor. El objetivo de este trabajo es obtener dichas geometrías minimizando costos de producción, disminuyendo los tiempos de procesos en la fabricación de modelos y/o piezas, logrando generar una geometría con una buena estabilidad dimensional y acabado superficial adecuado para desarrollar la fundición por PLA perdido. Palabras clave: CATIA, PLA, Fundición, PROCAST. I. INTRODUCCIÓN Industrialmente en los departamentos I+D+I del área de fundición, es necesario involucrar metodologías de trabajo como el PLM (Product Life cycle Management), con el objetivo de desarrollar el proyecto en el marco de la convocatoria del programa nacional de semilleros de investigación, creación e innovación de la universidad nacional de Colombia , Procesamiento de materiales en ingeniería los estudiantes de la Universidad Nacional en la asignatura de procesos de manufactura I y en cooperación con los aprendices del SENA del centro de Materiales y Ensayos implementaron procedimientos que buscan un mejor manejo de los recursos físicos y humanos Andres Fernando Gil Plazas: Instructor SENA- Centro de Materiales y Ensayos, Regional Distrito Capital. Omar Torres Torres: Estudiante de Ingeniería - Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de Colombia. Liz K. Herrera: Profesora, Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica, Universidad Nacional de Colombia. Grupo AFIS. 1 dentro de los procesos de manufactura [1]. Se ha logrado desarrollar una metodología aplicando varias herramientas informáticas para optimizar los procesos de selección de material, diseño de productos y/o procesos que satisfagan las necesidades ingenieriles en el área de fundición, para continuar con la simulación utilizando manufactura asistida como son los programas CATIA y PROCAST que buscan simular y estudiar los diferentes defectos posibles a obtener en función de la composición química y la geometría existente. II. MÉTODO DE FABRICACIÓN Para la obtención de las piezas fundidas previamente se ha planteado un método con el fin de establecer un flujo de trabajo organizado durante el proceso de diseño, validación y fabricación de la geometría, Fig. 1. Diseñar geometría 3d. Generar mallado Insertar parámetros de fundición Fusión y colada Fig. 1 Flujo de trabajo. A. Diseño de Geometría 3d Analizar ángulos de salida. Ensamblar de volúmenes y creación de moldes. Análisis de resultados Fraguado del molde Crear de parámetros de sistemas de colada Generar de volúmenes a partir de parámetros. Impresión 3d Fabricació n de Se ha realizado el modelamiento de la geometría utilizando el software Catia V5 específicamente con el módulo de superficies GSD (Generative Shape Design), la geometría seleccionada ha sido impulsor, en un comienzo se ha construido la geometría a partir de superficies puesto que la continuidad de las aspas está compuesta por superficies de doble curvatura y no es posible crear estas geometrías como elementos sólidos desde un principio, luego que la geometría

2 2 se encuentra totalmente construida y cerrada se convierte en elemento solido en el módulo de diseño mecánico PDG (Part Design), en la Fig. 2, se muestra el proceso de construcción de forma general. Fig. 2. Proceso de diseño 3d; (a),: superficies generadas en GSD,( b): modelo solido generados en PDG. B. Análisis de ángulos de salida. En los procesos de obtención de piezas mediante fundición de metales por moldeo en verde es necesario que la geometrías cuenten con una línea de partición determinada la cual permite la creación del molde generalmente en dos partes base y tapa, de igual forma es conveniente que las geometrías cuenten con ángulos de salida a fin de facilitar la extracción de los modelos y generar la cavidad [2], actualmente con la ayuda de los software de diseño es posible correr un análisis de ángulos de salida (Draft Angle), estos análisis son muy visuales puesto que permiten identificar por colores aquellas zonas que se encuentran en contrasalida, cuando una pieza se encuentra dividida únicamente por dos colores significa que una zona pertenecerá a la base y otra zona a la tapa, pero si existe una zona de color rojo generalmente significa que esta zona se encuentra a 90 y que no será posible su extracción del molde, de igual forma es necesario que no coexistan zonas mezcladas por colores, estas geometrías que se encuentra con más de una zona de deslmoldeo no son posibles de obtener mediante procesos convencionales de fundición, como el moldeo en arena, estas geometrías se denominan complejas y para poder obtenerlas mediante fundición de metales convencionalmente se usa el proceso de cera perdida. C. Creación de parámetros de colada y sistema colada. Una pieza para ser obtenida por fundición de metales debe conducir el metal líquido desde un bebedero luego a través de un canal y finalmente a unas entradas que llenaran la pieza a obtener, estas geometrías se deben calcular con el objetivo de generar un correcto llenado de la pieza, las cuales dependen de varias variables en el proceso como la masa a colar, el espesor promedio de la pieza, la altura de molde, el metal a fundir, etc. la ecuación que determina estas dimensiones, ha sido llevada a parámetros dentro de CATIA con el módulo de Knowledge Advisor puesto que el parámetro más relevante es la masa de la pieza y dentro del software es un parámetro fácilmente de extraer a su vez se realiza la traducción de los mismos en geometrías de volumen Fig. 3. Fig. 3 Sistema de colada. D. Mallado. Una vez obtenidos los modelos 3D en el software CATIA tanto de la pieza con su sistema de colada y el molde se procede a ingresar al software PROCAST para poder generar las simulación de llenado del metal líquido, el primer paso es generar el mallado de la pieza este se realiza en el módulo Mesh, en esta etapa del proceso es muy importante haber generado previamente en el software de modelado 3d una geometría que no contenga errores dentro de ellos cabe enmarcar volúmenes inmersos dentro de otro volumen, mal contacto entre superficies de la cavidad y la pieza [4]. Luego que la geometría se encuentra enmallada se ingresa al módulo CAST, donde se ingresan los parámetros de la fundición como el material a colar temperaturas de trabajo, tiempos de llenado, velocidades de flujo del metal líquido, etc. que previamente se han determinado en el momento que se calculó el sistema de colada [3] y así se da inicio al proceso de cálculo y así generar las simulaciones correspondientes. E. Resultados de simulaciones Una vez obtenidos los resultados se procede a analizar las simulaciones con el objetivo principalmente de encontrar contracciones volumétricas o rechupes sobre la pieza. Una vez que ha llenado la geometría comienza el proceso de solidificación, es allí donde el metal producto de la contracción de estado líquido a solido presentara zonas indeseables puesto que son zonas donde no existe metal en la Fig. 4 se puede apreciar como el proceso de contracción se genera en la zona del bebedero más no en la pieza a obtener, nótese como el proceso de solidificación inicia desde las paredes del molde hacia el centro de la pieza Fig. 4, las zonas de color gris oscuro representan el metal en estado pastoso es decir una mezcla entre sólido y líquido y las zonas de color gris representan el metal una vez ha finalizado el proceso de solidificación.

3 3 F. Impresión 3D Con base en los resultados obtenidos en las etapas posteriores se procede a generar la impresión de las diversas geometrías mediante la técnica FDM [5] que utiliza la máquina de impresión Makerbot Replicator 2 [6]. durante este proceso y en la Fig.7 se muestra la curva de calentamiento que se generó para poder generar la cavidad una vez eliminado el material impreso. Previo al proceso de impresión es necesario generar el código de impresión con la ayuda del software Makerware, es allí donde se insertan los archivos en formato.stl, y se añaden en el área de trabajo según lo deseado, los impulsores son impresos mediante FDM en material PLA. Por la misma técnica se genera la impresión del sistema de colada y luego se procede a ensamblar las geometrías con silicona Fig. 5. Fig. 4 Solidificación del impulsor Fig.5. Impulsor impreso en FDM con sistema de colada. G. Fabricación de moldes. Para la fabricación del recubrimiento refractario se hace uso de dos materiales capaces de soportar la temperatura del metal a colar y de igual forma que tengan la capacidad de aglomerarse y copiar los detalles de la pieza impresa, para este caso se utiliza arena sílice de malla 180 y yeso blanco, una vez conocido el volumen del recipiente donde se colara la mezcla refractaria se realiza una relación de 70% de yeso y 30% de arena sílice, y sobre el volumen del yeso un porcentaje de agua de 45%, de igual forma se pueden utilizar recubrimientos refractarios como en el proceso de cascara o cera perdida [7]. Fig. 6 Horno de calentamiento. La posición del molde dentro del horno debe ser boca baja así a medida que el material PLA comience a fluir caerá por acción de la gravedad y aquel que no pueda fluir será evaporado cuando el molde alcance temperaturas de 400 y 600 Celsius. H. Fraguado del molde Luego que el molde ha sido construido este debe ser insertado en un horno para eliminar la humedad presente en el molde así como eliminar la pieza que ha sido impresa con el objetivo que quede una cavidad que luego será llenada por el metal en estado líquido este proceso se ha denominado PLA perdido [8], [9], en la Fig. 6 se puede observar el horno utilizado Fig.7 Curva de calentamiento del molde.

4 4 I. Fusión y colada Transcurrido el proceso de la Fig. 7 se procede a la extracción del molde para poder colar el metal. Por tal razón se decidió mezclar el yeso de otro proveedor con arena sílice para aumentar la permeabilidad del molde y aumentar la resistencia del mismo y de esta manera se han obtenido las geometrías observadas en la Fig. 10. La fusión del metal se realizó en paralelo al proceso de calentamiento del molde una hora antes, este proceso se realiza en un horno de quemador a gas natural de crisol en carburo de silicio, el material que fundido es una aleación de aluminio en la Fig.8 se aprecia el proceso de fusión y colada. Fig. 8 Fusión y colada de aleación de aluminio; (a) fusión de metal, (b) colada del metal. Transcurrido el proceso de solidificación del metal y enfriamiento del molde se destruye el molde para extraer la geometría correspondiente Fig. 10. III. PIEZAS FUNDIDAS Fig. 10 Geometrías fundidas mediante PLA perdido; (a) impulsor fundido imagen general, (b) detalle de las aspas del impulsor. Previo al proceso descrito anteriormente se había ejecutado el mismo proceso pero la creación de los moldes fue exclusivamente en yeso con el inconveniente que el yeso utilizado era muy frágil en caliente así como baja capacidad de permitir la salida de gases obteniéndose piezas defectuosas Fig. 9. Fig. 9. Piezas fundidas defectuosas; (a) molde en proceso de eliminación de la humedad y PLA, (b) moldes colados en aleación de aluminio, (c) impulsor fundido mostrando partículas de yeso incrustadas en la pieza producto de la baja resistencia del molde, (d) impulsor mostrando llenado incompleto debido al atrapamiento de gases en las aspas.

5 5 IV. CONCLUSIONES Con la creación del semillero de investigación en el área de la ciencia de los materiales que se vincula y vertebra de forma directa con la asignatura de procesos de manufactura I. se logró fortalecer la formación en investigación y ampliación de los conocimientos vistos en clase desde un punto de vista práctico y aplicado proponiendo procesar materiales metálicos de aplicaciones ingenieriles con la ayuda del diseño y simulación asistidos por computador. [7] Coreprint Patterns Inc, 3d Printing: Lost PLA Investment Casting, [En linea] Disponible: [8] 3DTOPO, Lost PLA Casting from 3D Prints [En linea] Disponible: [9] Rob Bryan, Lost-PLA Aluminum Casting[En linea] Disponible: A través de este proceso es posible obtener geometrías de gran complejidad como se observa en la Fig.10 el acabado superficial de la pieza dependerá principalmente del recubrimiento refractario así como del acabado superficial de la modelo impreso mediante FDM, es de vital importancia que el modelo a fundir cuente con gran cantidad de vientos puesto que estos ayudan a la eliminación de los gases que quedan atrapados en el molde impidiendo el correcto llenado de las piezas por el metal líquido, teniendo en cuenta que uno de los limitantes es su producción a baja escala. Actualmente es necesario utilizar herramientas CAD así como la simulación de procesos puesto que ayudan a la obtención de productos de gran calidad disminuyendo los tiempos de fabricación en vista que se elimina gradualmente la obtención de prototipos reales para la toma de decisiones. AGRADECIMIENTOS Al apoyo financiero recibido Convocatoria del programa nacional de semilleros de investigación, creación e innovación de la universidad nacional de Colombia hacia los proyectos de la DIB: Procesamiento de materiales metálicos y poliméricos y procesamiento de materiales en ingeniería Al SENA centro de Materiales y Ensayos por el apoyo suministrado con el objetivo de generar conocimiento aplicado el área de los procesos de manufactura. REFERENCIAS [1] Herrera L.K. Semillero de curso: procesos de manufactura I. Convocatoria del programa nacional de semilleros de investigación, creación e innovación de la universidad nacional de Colombia , Procesamiento de materiales en ingeniería. [2] ASM, AMS Metals Handbook Volume 15 Casting, 9th ed., AMS Handbook, Ed. [3] Casting Solutions Pty Ltd, Gating of casting. 1st ed, Casting Solutions Pty Ltd, Ed. [4] Bhunpendra J. Chudasama, Solidification Analysis and Optimization Using Pro-Cast, vol 1. Issue 4, May [5] FDM processing. [En linea] Disponible: [6] Makerbot, Replicator 2 Technical data. [En linea] Disponible:

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