Análisis del alcance de la implementan de modelos 3D FDM en la fabricación de cascaras cerámicas

Abstract

Las cáscaras cerámicas son un tipo de molde de fundición que se caracteriza por obtener piezas complejas en cuanto a sus formas, brindando la mejor terminación superficial y precisión dimensional posible en fundición. La fabricación de moldes de cáscaras cerámica, comúnmente conocido como cera perdida, consiste en la aplicación sucesiva de capas de barro refractario y estuco, sobre un barral con varios modelos de cera. Una vez realizada la cantidad de capas necesarias para la fabricación del molde, se procede a retirar la cera mediante algún proceso de descerado, como por ejemplo el autoclave o método Flash. Luego el molde es calcinado a 1100 °C para brindarle mayor resistencia. El método flash, consiste en fundir la capa de cera en contacto con la cáscara, mediante la utilización de un horno a alta temperatura. En este caso, el calentamiento de la cera es por radiación y se trabaja a temperaturas entre los 900-1000°C, generando que parte de la cera se volatilice y otra se funda. La ventaja del flash es que el equipamiento es de bajo costo y que la cascara sale con su máxima resistencia, descerada y calcinada, en una sola operación por lo que no requiere un posterior calcinado. El método de autoclave, se lleva a cabo de forma controlada para evitar la contaminación de la cera, permitiendo su reutilización. Este consiste en calentar la cáscara mediante el calor latente de condensación del agua, el cual aporta suficiente calor como para fundir la película de cera en contacto con la cáscara. En este proceso se llega a una temperatura de aproximadamente 140-160°C y no solo presenta la ventaja de reutilizar la cera, sino que también permite el fácil manipuleo del racimo debido a la relativa baja temperatura con la que se trabaja. Los moldes de cáscara cerámica, requiere cumplir con ciertas características específicas como lo son: tener suficiente permeabilidad como para permitir el llenado del molde; refractariedad para soportar el metal líquido; suficiente resistencia mecánica al sinterizado como para soportar el manipuleo; y resistencia en verde como para soportar el descerado. Esta última propiedad suele ser la mayor limitación del método, debido a que la cera se caracteriza por tener una importante expansión entre la temperatura ambiente y la de fusión, con lo cual es común que durante el descerado se generen fisuras o hasta roturas en la cascara. En algunos casos, estas fisuras son reparables, siendo cubiertas por una pasta de sílice coloidal y zircón, la cual se deja secar para posteriormente realizar dos capas de barro y chamote. Los modelos utilizados en esta técnica son los denominados modelos perdidos debido a que, solo sirven para la obtención de una única pieza debido a que son destruidos en el proceso de descerado. La metodología de obtención de estos modelos consiste en la inyección de cera en una matriz. Esta última, resulta normalmente muy costosa por la complejidad de las piezas que se obtienen por este método, limitando la técnica a la fabricación de piezas de gran tirada. Esto es así dada la dificultad de amortizar el costo de la matriz con pocas piezas. Tal lo indicado anteriormente, sería de enorme utilidad poseer una manera de obtener modelos utilizables en la fabricación de cascaras cerámicas sin la necesidad de una matriz. Por lo que este trabajo apunta a analizar la posibilidad de que dicha manera sea la impresión 3D por Fused Deposition Modeling (FDM), tomando ventaja de las capacidades de esta técnica de construir piezas a bajos costos, en tiempos controlados y de no necesitar una matriz para su fabricación. Por otro lado, la mayor limitación de este tipo de moldeo con respecto a los modelos a utilizar, es su extracción. De manera que el trabajo se concentro en analizar las condiciones en la cual esta operación es realizable.