La fundición a alta presión está evolucionando rápidamente, y las innovaciones y tecnologías de vanguardia implican que los fundidores deben optimizar continuamente sus procesos para mantener una ventaja competitiva. Lee Shelton, Director Global de la Industria – Fundición a Presión e Impregnación en Quaker Houghton y especialista en fluidos industriales para procesos, propone una solución más eficiente de desmolde para satisfacer las demandas cambiantes de la industria de la fundición a alta presión.
Desde el aumento de los requerimientos de volumen para piezas estructurales de aluminio hasta la implementación de procesos de manufactura más digitalizados, los fundidores están buscando constantemente nuevas formas de optimizar la producción.
El desarrollo de Vehículos Eléctricos de Batería (BEV, por sus siglas en inglés) en la industria automotriz, en particular, está presentando un cambio de paradigma para la fundición a presión. Un número creciente de fabricantes de automóviles está optando por utilizar componentes estructurales cada vez más grandes hechos de aluminio fundido, lo que reduce significativamente los costos de fabricación y, al reducir el peso, aumenta el alcance de los vehículos eléctricos.
Sin embargo, para lograrlo, se requiere invertir en máquinas de fundición a alta presión con vacío de nueva generación, de mayor tamaño (o giga prensas) capaces de producir piezas de estructuras complejas y únicas. Por supuesto, fundir componentes estructurales más grandes y complejos no está exento de complicaciones, y genera consideraciones de diseño y desafíos de fabricación que deben superarse.
Las complejidades de crear componentes más grandes
El mundo de la fundición a presión depende de la lubricación precisa para un rendimiento óptimo, y estos componentes más grandes requieren herramentales de fundición más complicados, que son cada vez más difíciles de lubricar utilizando agentes desmoldantes a base de agua y sistemas de rociado convencionales.
La falta de penetración del lubricante en áreas como costillas, junto con las bajas capacidades de formación de película de los lubricantes a base de agua, puede ser un verdadero desafío. Las boquillas de la cabeza de rociado que se utilizan para aplicar lubricantes a base de agua suelen ser demasiado voluminosas y poco flexibles para distribuir el lubricante de manera eficaz en todas las áreas de la superficie del molde. La incapacidad de aplicar lubricante de manera uniforme también puede resultar en menor control de las temperaturas del molde, incrementando la frecuencia de mantenimiento del molde y reduciendo su vida útil, factores que influyen en los tiempos de ciclo, el desperdicio, la eficiencia y el costo.
Si los fabricantes desean reducir con éxito el consumo de energía, materiales y desechos, el equipo y los lubricantes utilizados en el proceso de fundición a alta presión también deben avanzar.
El panorama de los lubricantes desmoldantes
Las emulsiones de lubricantes desmoldantes desempeñan un papel crítico en el proceso de fundición a alta presión y tienen un impacto importante en la calidad general de los componentes terminados. Normalmente, hasta el 80% del agente desmoldante se utiliza con fines de enfriamiento, eliminando la energía térmica introducida por el aluminio fundido en la superficie del molde. También forma una capa protectora que impide que el metal fundido se adhiera a la superficie del molde, lo que permite retirar fácilmente las piezas fundidas del molde.
La tecnología de lubricantes desmoldantes se clasifica en: base agua, MQL base agua, y MQL sin agua (lubricación de cantidad mínima, MQL por sus siglas en inglés). Durante décadas, ha sido una práctica estándar utilizar agentes desmoldantes solubles en agua diluidos (wmFT, por sus siglas en inglés) para la fundición a presión de metales no ferrosos y sus diversas aleaciones, y esta sigue siendo la tecnología de enfriamiento y desmolde más común hoy en día. A pesar de que los lubricantes desmoldantes base agua son los más populares a nivel mundial, existen problemas para las empresas que buscan fundir componentes más grandes manteniendo la calidad del producto, mejorando la productividad y reduciendo los costos.
Efecto del rociado a base de agua en el molde
Debido a la disparidad en las temperaturas de los moldes (causada por la variedad de tamaños y diseños de los mismos), las piezas producidas y el perfil térmico de cada sistema, puede ser difícil para las emulsiones base agua adaptarse a las demandas de fabricación de componentes más grandes. Aunque son adecuadas para proteger áreas más frías del molde, las áreas más calientes son susceptibles al defecto de soldadura (“soldering”). Los fundidores suelen sentirse tentados a rociar más lubricante para proteger los puntos calientes, lo que a menudo conduce a una sobreaplicación y acumulación en áreas más frías. Esto causa un dilema costoso de pérdida de tiempo de producción y mantenimiento adicional del molde.
Los sistemas base agua también pueden contribuir al agrietamiento térmico del molde, reduciendo su vida útil. Los fuertes ciclos térmicos en la superficie del molde durante el enfriamiento intensivo con agentes desmoldantes fríos pueden generar altas tensiones residuales en las capas superficiales, lo que puede llevar a la formación de grietas. Esto puede conducir a la formación de grietas de fuego (“fire cracks”) con una profundidad de fracciones de milímetro a más de 50 mm y un ancho de unos 1/1000 mm a más de 2 mm. Eventualmente, esto puede provocar una falla prematura del molde. Además, el alto contenido de agua de los wmFT puede causar corrosión en el molde, las herramientas de sujeción y las máquinas en general.
Calidad de la pieza terminada
Además de reducir la vida útil del molde, los lubricantes para el desmoldeo también pueden afectar la calidad del componente fundido. Esto incluye la aparición de manchas marrones, donde se produce decoloración en la superficie de la pieza debido a la quema de residuos de cera y aceite. Los inhibidores de corrosión utilizados en los wmFT pueden descomponerse durante el proceso de fundición, lo que aumenta la cantidad y el consumo de gases, provocando porosidad en la pieza.
Los wmFT también pueden incrementar el riesgo del efecto Leidenfrost, un fenómeno físico en el que un líquido acuoso, en este caso, una gota de agente desmoldante (wmFT), entra en contacto con una superficie de molde que está significativamente más caliente que el punto de ebullición del agua. Esto crea una capa de vapor aislante que impide que la superficie se humedezca con el wmFT, lo que provoca que las gotas del agente desmoldante reboten en la capa de vapor. Para aplicar una capa de película desmoldante adecuada y evitar el efecto Leidenfrost, los moldes calientes requieren fases de rocío muy largas para enfriar el molde, lo que aumenta significativamente el tiempo de ciclo.
Mantenimiento
La contaminación causada por la acumulación de agente desmoldante en las superficies del molde y en las boquillas de rocío genera depósitos considerables e incluso fallos parciales del sistema de rocío, lo que puede provocar demoras no planeadas. Se requiere una gran cantidad de aire comprimido para aplicar los lubricantes y sopletear los residuos, lo que incrementa considerablemente el consumo de energía del proceso.
Desperdicio y consumo
Los wmFT también contribuyen al consumo excesivo de agente desmoldante, agua y energía, lo que incrementa el desperdicio. La aplicación del agente desmoldante generalmente se realiza a una presión de rocío de aproximadamente 2 a 4 bares y volúmenes de 12 litros o más por ciclo. Hasta el 80% del lubricante del molde se desperdicia como refrigerante puro, lo que aumenta el costo de producción.
El exceso de pulverización produce una gran cantidad de aguas residuales contaminadas, lo que puede incrementar significativamente los costos de tratamiento de aguas residuales con el tiempo.
Salud
El calor y la humedad alrededor de la máquina de fundición pueden provocar el crecimiento de bacterias y hongos. Esto no solo puede causar fallas, sino que también plantea riesgos para la salud del personal y genera altos costos de mantenimiento. Además, se deben utilizar grandes sistemas de extracción para eliminar las grandes cantidades de vapores de agua y agentes desmoldantes que se producen, con el fin de prevenir riesgos toxicológicos y de contacto directo con la piel de los trabajadores.
Todos estos desafíos combinados crean riesgos para las personas, las máquinas y el medio ambiente, además de contribuir al consumo excesivo de productos y energía.
Para mitigar estos problemas, el concepto de lubricación en cantidad mínima (MQL) ha surgido como una solución revolucionaria, ofreciendo sistemas de aplicación de lubricantes más eficientes y precisos.
La transición hacia sistemas MQL libres de agua
La optimización de procesos para usar la energía de manera más eficiente y reducir los desechos permite a los fabricantes de piezas de fundición reestructurar su huella de producción mientras logran ahorros significativos en costos. La clave del éxito en el MQL sin agua radica en el equilibrio efectivo de la energía en los moldes, la conversión inteligente de la energía térmica disponible y la reducción del consumo de energía y aire comprimido.
Anteriormente, el enfriamiento de los moldes solo se lograba mediante el rocío intensivo del agente desmoldante, pero la tecnología actual permite que los canales de enfriamiento se creen dentro del molde durante su fabricación, eliminando así la necesidad de enfriamiento externo con MQL.
Gracias a moldes de fundición diseñados con regulación de temperatura, el uso del MQL es posible sin refrigeración adicional. Esto, combinado con cabezales de rocío de enfriamiento colocados cerca de la superficie, permite distribuir los canales de enfriamiento adecuados a lo largo de toda la superficie, disipando la energía térmica directamente y permitiendo un enfriamiento selectivo de los puntos calientes.
Como resultado, la diferencia de temperatura del molde entre la fase de llenado y la fase de solidificación es significativamente menor. Gracias a los canales de control de temperatura cercanos al molde y al uso de sistemas de enfriamiento por chorro para zonas críticas y puntos calientes, ya no es necesario enfriar el molde mediante el proceso de rocío.
Los beneficios de los sistemas de lubricación de cantidad mínima libre de agua (MQL)
Los lubricantes MQL sin agua y la tecnología de aspersión ofrecen a la industria la oportunidad de mejorar los procesos convencionales base agua y los agentes desmoldantes. Al formular el producto sin agua, los fundidores a alta presión pueden beneficiarse de una mayor vida útil de las herramientas, costos de mantenimiento reducidos y mejoras en los tiempos de ciclo.
Reducciones considerables en el estrés térmico en la superficie disminuyen la formación de grietas en el molde. Con MQL sin agua, no es necesario mezclar el agente desmoldante, lo que genera ahorros tanto en costos energéticos como en el tiempo de proceso, mejorando además la vida útil del molde y los tiempos de ciclo.
El uso de MQL libre de agua asegura una mayor resistencia del componente y mejora la calidad general de las piezas al reducir la porosidad. La adición de canales de enfriamiento suficientes, que deben crearse en las partes del molde al cambiar a MQL sin agua, asegura que no haya un efecto de enfriamiento del agente desmoldante sobre el molde. La ausencia de agua durante la aspersión permite una distribución más uniforme del agente desmoldante en el molde, lo que hace que la superficie y la microestructura de las piezas sean significativamente más homogéneas y que la porosidad se reduzca al mínimo. Al abordar estos desafíos de porosidad, los fabricantes pueden reducir significativamente las tasas de rechazo y disminuir considerablemente la huella de CO2 de sus operaciones.
Otra ventaja del MQL sin agua es su capacidad para reducir significativamente los tiempos de ciclo al rociar el agente desmoldante y eliminar la fase de sopleteo de aire que a menudo es necesaria al usar agentes desmoldantes solubles en agua. Lo más importante es que esto también elimina la aparición del fenómeno de Leidenfrost, mejorando nuevamente la vida útil del molde y las demoras en la producción.
Remover el agua del proceso también elimina las aguas residuales y el riesgo de crecimiento de bacterias y hongos, lo que reduce los riesgos para la salud de los empleados y ofrece ahorros significativos en los costos de eliminación de aguas residuales.
En resumen, los fundidores a alta presión pueden lograr ahorros significativos en costos y mejoras en el rendimiento al implementar la tecnología MQL libre de agua. Desde reducciones tangibles en el uso de energía, agua, eliminación de desechos y lubricantes desmoldantes, existen muchas mejoras en la eficiencia de los procesos que pueden ayudar a reducir las demoras, maximizar la calidad del producto y contribuir a las iniciativas de sostenibilidad. En última instancia, el MQL libre de agua es el paso lógico para que los fabricantes satisfagan la creciente demanda de piezas más grandes y complejas.
¿Cómo puede ayudar Quaker Houghton?
Quaker Houghton suministra tanto agentes desmoldantes MQL como tecnología de sistemas de aspersión para ayudar de manera efectiva a los fabricantes en la transición a procesos MQL libre de agua. Como tal, tiene una posición única en la industria para ayudar a los clientes a mejorar su rendimiento en la fundición a alta presión.
La tecnología de sistemas de aspersión también forma parte de la solución completamente digital y automatizada de gestión de fluidos de Quaker Houghton, QH FLUID INTELLIGENCE™, que proporciona monitoreo y control en tiempo real del rendimiento y costo de los fluidos, ofreciendo retroalimentación rápida, precisa y accionables.
Como líder en fluidos de procesos industriales, Quaker Houghton ofrece un enfoque consultivo para encontrar soluciones que optimicen su proceso de fundición a alta presión, reduzcan costos, mejoren la seguridad y promuevan la sostenibilidad. Al adoptar las últimas tecnologías, los fundidores a presión pueden reducir el impacto de sus productos y procesos, mientras mejoran la productividad y la rentabilidad.
Descubra cómo Quaker Houghton puede ofrecer soluciones de lubricantes y equipos de primera clase en todo el proceso de fundición a alta presión, desde lubricantes de punta de pistón de inyección hasta sellado de porosidad, a través de su solución inteligente DieCast iQ™ aquí.
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