Tipos de fundición: visión general

La fundición es casi tan antigua como la propia metalurgia, y la idea fundamental no ha cambiado: fundir el metal, verterlo en un molde hueco, dejarlo enfriar y el resultado es una pieza que se ajusta a la cavidad del molde. Sin cortes ni soldaduras, sin unir piezas separadas. Con un solo vertido se puede producir una pieza cuya fabricación con máquinas llevaría horas, y luego repetirla miles de veces.

Por eso la fundición sigue manteniendo su posición en la industria. Bloques de motor, accesorios para tuberías, carcasas de bombas, álabes de turbina: la mayoría de las piezas metálicas que no se forjan ni se mecanizan a partir de material macizo se fabrican inicialmente mediante fundición. La gama de procesos es amplia, y las diferencias son importantes. Algunos métodos sacrifican la precisión en favor del coste, otros hacen lo contrario. Algunos son adecuados para lotes pequeños, mientras que otros solo resultan rentables a gran escala.

Esta guía repasa los principales procesos de fundición que encontrarás en la industria: fundición en arena, a presión, a la cera perdida, en molde permanente, centrífuga, continua y de espuma perdida. Para cada uno de ellos, verás cómo funciona, cuáles son sus puntos fuertes y cuáles sus limitaciones, de modo que puedas observar una pieza y hacer una suposición razonable sobre cómo se ha fabricado.

Fundición en arena: el proceso tradicional

Empieza por aquí, porque la mayoría de las fundiciones siguen haciéndolo así. La fundición en arena funciona según el mismo principio que un castillo de arena de niño, pero con más cuidado. Se presiona un modelo, una réplica de la pieza, contra la arena de moldeo dentro de un marco de dos partes llamado «moldera». La mitad superior es la «copa», y la inferior, la «base». Se retira el modelo, se cierran las dos mitades y se obtiene una cavidad con la forma de la pieza, conectada al exterior mediante canales: un bebedero por el que se vierte el metal, canales de distribución y entradas para repartir el metal, y coladas de alimentación que alimentan la pieza a medida que se contrae. Se vierte el metal fundido, se espera a que se solidifique, luego se rompe el molde y se sacude la pieza fundida. La arena se reutiliza; el molde, no.

Su atractivo radica en el coste y la flexibilidad. Los moldes son baratos y el proceso permite fabricar piezas que van desde unos pocos kilogramos hasta muchas toneladas, en casi cualquier aleación que se pueda fundir. Bloques de motor, culatas, cuerpos de bomba, bastidores de máquinas: todas ellas son piezas clásicas de fundición en arena.

Las desventajas son la textura y la precisión. Las superficies quedan rugosas y las tolerancias son holgadas, por lo que la mayoría de las piezas se someten posteriormente a un mecanizado; además, dado que cada pieza fundida destruye su molde, el proceso resulta más lento por pieza que el de algunos competidores. La figura 1 muestra el esquema básico.

Figura 1. Fundición en arena: un molde de dos piezas, el canal de colada y el canal de subida, y el metal fundido durante el vertido.

Fundición a presión: precisión y eficiencia

La fundición a presión sigue el proceso inverso. En lugar de un molde desechable, se utiliza un par de matrices de acero endurecido que se cierran y se bloquean bajo presión hidráulica. El metal fundido se inyecta en la cavidad a alta presión —miles de veces superior a la atmosférica— y rellena las secciones más delgadas antes de solidificarse en cuestión de segundos. Los troqueles se abren, los pasadores expulsores empujan la pieza hacia fuera y el ciclo vuelve a comenzar. Un juego de troqueles puede producir decenas de miles de piezas, a veces incluso millones.

La velocidad y la repetibilidad son las ventajas. Las tolerancias suelen situarse en torno a ±0,1 mm, las superficies son lo suficientemente lisas como para utilizarlas tal y como salen de la fundición, y las paredes pueden ser finas, de menos de 1 mm en el caso del aluminio. Por eso la fundición a presión domina los nichos de producción en serie: carcasas para el sector de la automoción, cajas de cambios, bastidores para dispositivos electrónicos, cuerpos de cámaras y accesorios. La figura 2 muestra la disposición de la máquina.

Figura 2. Fundición a presión: moldes, manguito de inyección y émbolo que impulsa el metal hacia la cavidad

La inversión inicial no es barata: el diseño y el mecanizado de los moldes suponen un coste elevado, por lo que el proceso solo resulta rentable a gran escala. El zinc, el aluminio y el magnesio son los materiales predominantes, ya que se funden a temperaturas que los moldes pueden soportar; el acero y el hierro alcanzan temperaturas demasiado altas para que la vida útil de los moldes resulte rentable.

Fundición por colada: formas complejas y detalles precisos

La fundición por inversión, también conocida como fundición a la cera perdida, es el método que se utiliza tanto para la joyería fina como para las álabes de los motores a reacción. El proceso comienza con un modelo de cera, normalmente un “árbol” completo de modelos unidos a un canal de colada central. El «árbol» se sumerge repetidamente en una pasta cerámica y estuco hasta que se forma una capa dura. Al calentar la capa, la cera se derrite y se escurre, dejando tras de sí una cavidad precisa, de ahí el término «perdida» en «fundición a cera perdida». A continuación, se vierte o se inyecta el metal, se rompe la capa y se corta cada pieza del árbol. La figura 3 muestra la secuencia.

Figura 3. Fundición por cera perdida: modelo de cera, molde de cerámica, descerado y colada

El resultado es un nivel de detalle y precisión que la fundición en arena no puede igualar, además de la libertad para crear formas que resultarían difíciles de conseguir mediante mecanizado: socavados, conductos internos y aletas delgadas. Las tolerancias suelen situarse en torno a ±0,1 mm, y el acabado de las superficies es tan bueno que muchas piezas se envían sin necesidad de un acabado posterior.

El coste radica en el molde: su fabricación es lenta, requiere mano de obra cualificada y es difícil de automatizar. Por eso, la fundición por colada perdida resulta rentable en piezas complejas y de gran valor, así como en aleaciones que se resisten al mecanizado, como álabes de turbina, implantes médicos y soportes aeroespaciales de precisión.

Fundición en molde permanente: resistencia y reutilización

La fundición en molde permanente se sitúa a medio camino entre la fundición en arena y la fundición a presión, tanto en cuanto a coste como a resultados. En lugar de un molde de arena de un solo uso, se utiliza un molde metálico, normalmente de hierro o acero, mecanizado en dos o más piezas. El metal se vierte por gravedad, sin inyección a alta presión; a continuación, el molde se abre, la pieza sale y el molde se reutiliza miles de veces.

Dado que el molde metálico enfría la pieza fundida más rápido que la arena, la estructura es más densa y las propiedades mecánicas son mejores. Esto hace que el proceso sea el preferido para llantas de aluminio, pistones y piezas similares que requieren resistencia, en series que van desde unos pocos cientos hasta decenas de miles de unidades. Las superficies y las tolerancias se sitúan entre las de la fundición en arena y las de la fundición a presión.

Los límites son reales: la vida útil del molde es limitada, el molde es caro y las geometrías con muchos socavados quedan fuera de nuestro alcance. Las piezas sencillas y de volumen medio son la opción ideal.

Fundición centrífuga: piezas de cilindro de alta calidad

La fundición centrífuga es la más especializada de todas. En este proceso, el molde gira sobre su eje, normalmente en horizontal, mientras se vierte el metal fundido a lo largo de la línea central. La fuerza centrífuga impulsa el metal hacia fuera, contra la pared del molde, donde se solidifica formando un tubo. La figura 4 ilustra este principio.

Figura 4. Fundición centrífuga: un molde giratorio en el que la fuerza centrífuga da forma a la pared del tubo.

El resultado es un cilindro extraordinariamente limpio y denso. Las impurezas y el gas, al ser más ligeros que el metal, se desplazan hacia la superficie interior, de donde se eliminan posteriormente mediante mecanizado. La pared exterior se mantiene densa y prácticamente libre de inclusiones. Para cualquier pieza redonda y hueca —tubos, camisas de cilindro, casquillos, anillos de cojinete—, la fundición centrífuga suele ser la mejor opción y, en ocasiones, la única viable.

El inconveniente: solo permite fabricar piezas axisimétricas. Si la pieza no es, básicamente, un tubo, el proceso no es aplicable, y las herramientas y la configuración solo resultan rentables a partir de volúmenes razonables.

Colada continua: producción eficiente

Las acerías ya casi nunca funden lingotes; en su lugar, utilizan máquinas de colada continua. El acero fundido fluye desde una cuchara de colada hacia un molde de cobre refrigerado por agua y sin fondo. El metal se solidifica contra las paredes del molde, y la barra semisólida se extrae por la parte inferior a una velocidad constante, pasando por rodillos de apoyo y un sistema de refrigeración por pulverización, hasta que alcanza la longitud suficiente para cortarse en planchas, palanquillas o bloques.

En comparación con el antiguo proceso de lingotes, la colada continua ahorra energía y material: no hay que recalentar lingotes, no hay extremos recortados ni pasadas de laminación adicionales para romper su estructura. El producto es más uniforme y los defectos se detectan a tiempo. Por eso, la inmensa mayoría del acero mundial pasa ahora por máquinas de colada continua; los productores de aluminio aplican el mismo principio a su propia escala.

El problema es la escala. Una máquina de fundición es una instalación grande y fija que funciona las 24 horas del día. No tiene sentido para un taller pequeño o una tirada corta.

Fundición por espuma perdida: innovadora y económica

La fundición por espuma perdida lleva la idea del modelo desechable hasta su extremo. El modelo no es de madera ni de cera, sino de poliestireno expandido, pegado en un conjunto que tiene la forma exacta de la pieza, incluido el canal de colada. El conjunto se recubre de material refractario, se entierra en arena suelta y se vierte el metal fundido. El metal fundido vaporiza la espuma a medida que avanza, llenando el espacio que esta ocupaba. No queda nada más que la pieza metálica, y la arena se desprende.

Dado que el modelo nunca tiene que sacarse del molde, no hay línea de separación, ni ángulo de desmoldeo, ni montaje del molde. De este modo, resultan viables piezas fundidas complejas, huecas y de una sola pieza que serían difíciles de fabricar, o incluso imposibles, con los métodos de moldeo convencionales. Los bloques de motor, las culatas y los colectores de admisión son piezas habituales fabricadas mediante el proceso de espuma perdida.

Los moldes de espuma son baratos de fabricar una vez que se dispone del utillaje, por lo que los costes se mantienen bajos incluso en el caso de piezas complejas. Las desventajas: el recubrimiento de espuma debe ser impecable o se producirán defectos, y el proceso no es adecuado para todas las aleaciones ni para todas las geometrías.

Conclusión

Entonces, ¿qué método de fundición es el mejor? Ninguno, por sí solo. La elección adecuada depende de la pieza: su tamaño, su complejidad, la cantidad que se necesite, la aleación que deba ser y el presupuesto disponible para el utillaje. La fundición en arena ofrece flexibilidad a bajo coste. La fundición a presión aporta rapidez y precisión, aunque requiere moldes costosos. La fundición a la cera perdida permite abordar una complejidad que otros métodos no pueden. La fundición en molde permanente y la fundición centrífuga ocupan cada una su nicho específico, y la fundición continua abastece a la industria siderúrgica.

Para un principiante, la conclusión práctica es más sencilla: la fundición no es un proceso único, sino un conjunto de soluciones que implican concesiones, y es la propia pieza la que decide cuál de ellas se aplica.

¿Se puede utilizar la fundición para algo más que para el metal? En sentido amplio, sí. Los plásticos, el vidrio e incluso el chocolate se “moldean”: la palabra simplemente significa dar forma a un material vertiéndolo en un molde y dejando que se endurezca. Sin embargo, en la industria manufacturera, el término “fundición” casi siempre se refiere a los metales.

¿Cuál es la forma más económica de fabricar una pequeña remesa de piezas fundidas? Para una pequeña cantidad de piezas, la fundición en arena suele ser la opción más económica, ya que el utillaje es barato y casi cualquier fundición puede llevarla a cabo. La fundición a la cera perdida también resulta adecuada para series pequeñas de piezas complejas. La fundición a presión solo resulta rentable en grandes volúmenes, cuando el coste de los costosos moldes se amortiza con la producción de muchas piezas.

¿Qué proceso de fundición es el más preciso? Tanto la fundición a presión como la fundición a la cera perdida ofrecen, en la práctica, tolerancias en torno a ±0,1 mm. La fundición a la cera perdida destaca por su complejidad y acabado; la fundición a presión, por las paredes delgadas y la rapidez. No existe una clasificación sencilla, ya que la precisión debe sopesarse con el coste y la forma de la pieza.