DFM práctico en fundición a presión: estrategias para costo y calidad

TL;DR

El diseño para la fabricabilidad (DFM) en fundición a presión es una práctica de ingeniería fundamental para optimizar los diseños de piezas con el fin de lograr una producción eficiente y rentable. El objetivo principal es minimizar la complejidad del proceso de fabricación, lo que a su vez reduce costos y mejora la calidad del producto final. Esto implica seguir principios fundamentales como aplicar ángulos de salida para facilitar la expulsión de la pieza del molde, mantener un espesor de pared uniforme para prevenir defectos como la porosidad, y utilizar estratégicamente elementos como redondeos y refuerzos para aumentar la resistencia mientras se minimiza el uso de material.

Principios fundamentales del DFM en fundición a presión: Desmoldeo, Espesor de pared y Radios

La base del diseño eficaz de fundición por inyección para fabricabilidad descansa en unos pocos principios esenciales que afectan directamente la calidad, el costo y la velocidad de producción. Dominar estos conceptos es el primer paso hacia la creación de una pieza que no solo sea funcional, sino también económica de producir. Ignorarlos puede provocar una serie de problemas, desde dificultades en la expulsión y desperdicio de material hasta fallos estructurales críticos. Estos principios fundamentales —biselado, espesor de pared y el uso de chaflanes y radios— abordan la física del flujo del metal fundido y su solidificación dentro del molde.

A ángulo de desmoldeo es una ligera inclinación aplicada a todas las superficies paralelas a la dirección en que se abre el molde. Esta pequeña pendiente, generalmente entre 1 y 3 grados, es crucial para permitir que la pieza fundida se expulse limpiamente del molde sin daños. Cuando el metal fundido se enfría y se contrae, puede adherirse firmemente a las características internas del molde. Sin biselado, las fuerzas de expulsión requeridas podrían deformar o romper la pieza. Como se detalla en La guía de diseño de Gabrian , las paredes exteriores requieren menos inclinación ya que la pieza se contrae alejándose de ellas, mientras que las paredes interiores y los orificios necesitan una mayor inclinación porque el metal se contrae alrededor de ellos.

Mantener una grosor de Pared Uniforme es posiblemente una de las reglas más importantes de DFM. Cuando las secciones de las paredes varían significativamente, el metal fundido se enfría a diferentes velocidades. Las secciones más gruesas tardan más en solidificarse, lo que puede generar tensiones internas, porosidad (burbujas de gas) y marcas de hundimiento en la superficie. Por el contrario, las paredes demasiado delgadas pueden hacer que el metal se solidifique prematuramente, impidiendo que el molde se llene completamente, un defecto conocido como rechazo por falta de llenado. La mayoría de los diseños buscan un espesor de pared entre 1,5 mm y 4 mm. Si las variaciones de espesor son inevitables, la transición debe ser gradual y suave para garantizar un flujo y enfriamiento del metal uniformes.

Finalmente, es fundamental evitar las esquinas agudas. Esto se logra incorporando filetes y radios —uniones curvas entre superficies. Los redondeos se aplican en esquinas internas, mientras que los radios se utilizan en esquinas externas. Las esquinas internas agudas generan puntos de concentración de tensiones que pueden convertirse en puntos de falla bajo carga. Además, interrumpen el flujo uniforme del metal fundido, provocando turbulencias que pueden dar lugar a porosidad. La adición de redondeos y radios generosos, incluso tan pequeños como 0,5 mm, mejora el flujo del metal, refuerza la pieza y facilita un producto final más resistente y confiable.

Principales prácticas recomendadas de diseño

• Ángulos de desmoldeo: Aplique una inclinación de al menos 1-2 grados en todas las superficies verticales para garantizar la fácil expulsión de la pieza. Aumente el ángulo para paredes internas y características profundas.
• El espesor de la pared: Busque la uniformidad en toda la pieza. Si el espesor debe cambiar, utilice transiciones graduales para prevenir defectos y asegurar un enfriamiento uniforme.
• Redondeos y radios: Sustituya todas las esquinas agudas por bordes redondeados. Utilice redondeos en las esquinas internas y radios en las esquinas externas para reducir tensiones y mejorar el flujo del metal.

Refuerzo de Piezas y Reducción de Peso: Refuerzos, Enganches y Cavidades

Un objetivo central del DFM es producir piezas que cumplan con los requisitos de resistencia sin material innecesario, lo que aumenta el costo y los tiempos de ciclo. Tres características clave ayudan a los diseñadores a lograr este equilibrio: refuerzos, enganches y cavidades. Cuando se diseñan correctamente, estos elementos mejoran la integridad estructural y la funcionalidad, al mismo tiempo que optimizan la pieza para el proceso de fundición en molde. Permiten diseños resistentes y ligeros que son eficientes de fabricar.

Juntas son características delgadas y similares a paredes que se utilizan para añadir soporte y rigidez a una pieza sin aumentar su espesor general de pared. Esto es crucial para prevenir deformaciones y mejorar la relación resistencia-peso. Al incorporar nervaduras, un diseñador puede mantener una sección de pared delgada y uniforme en toda la pieza mientras refuerza áreas críticas. Para obtener resultados óptimos, las nervaduras deben diseñarse con un espesor fraccionario respecto al de la pared principal, típicamente alrededor del 60 %, para evitar marcas de hundimiento en la superficie opuesta. Además, las nervaduras pueden actuar como canales para ayudar al flujo del metal fundido hacia zonas distantes o complejas del molde.

Rebordes son salientes cilíndricos que sirven como puntos de montaje, separadores o ubicaciones para sujetadores. En lugar de perforar agujeros en una sección gruesa de la pieza tras la fundición, los machones pueden integrarse directamente en el diseño, ahorrando tiempo significativo y operaciones secundarias. Para cumplir con el principio de espesor de pared uniforme, los machones deben tener un agujero central, es decir, deben estar vaciados por el centro. Esto evita que se conviertan en masas gruesas de material que se enfriarían lentamente y causarían defectos. También deben conectarse a las paredes principales con radios generosos y nervios para garantizar resistencia y un flujo de metal uniforme.

Para reducir aún más el uso de material y el peso de la pieza, los diseñadores pueden agregar estratégicamente bolsillos o secciones huecas. Este proceso, a menudo llamado "extracción de material", elimina partes del material en áreas que no son críticas estructuralmente. Al crear estos vacíos, se puede mantener un espesor de pared constante en todo el componente, incluso en geometrías complejas. Esto no solo reduce los costos de material, sino que también acorta el tiempo de enfriamiento en el molde, lo que conduce a ciclos de producción más rápidos. Se requiere un análisis cuidadoso para asegurar que los huecos no comprometan la resistencia o funcionalidad general de la pieza.

Optimización para moldeo y expulsión: líneas de división, rebajes y pasadores

Una pieza de fundición exitosa es el producto de la sinergia entre la geometría de la pieza y la mecánica del molde. Las decisiones de diseño tomadas sin considerar la herramienta pueden llevar a moldes costosos y complejos, así como a altas tasas de defectos. Las consideraciones clave en este ámbito incluyen la colocación de la línea de separación, el manejo de los rebajes y la ubicación de los pasadores eyectores. Un diseño cuidadoso en estos aspectos simplifica la herramienta, reduce costos y asegura que la pieza pueda extraerse del molde de manera confiable tras la fundición.

La línea de separación es la línea de encuentro donde se unen las dos mitades del molde. Su ubicación es una de las primeras y más decisiones críticas en el diseño de la herramienta, ya que afecta casi todas las demás características. Siempre se prefiere una línea de división sencilla y plana, ya que facilita el mecanizado de la herramienta y reduce su costo. Una línea de división compleja y no plana puede aumentar significativamente los costos de la herramienta y podría provocar problemas con el rebabado, un filamento delgado de metal excesivo que se filtra por la junta y debe eliminarse mediante una operación secundaria. Los diseñadores deben orientar la pieza de manera que permita la línea de división lo más recta posible.

Contrabiseles son características que impiden que una pieza sea expulsada directamente de un molde simple de dos partes. Estos incluyen superficies incrustadas o características que harían que la pieza se bloqueara en el molde. Aunque a veces es necesario para la funcionalidad, los recortes deben evitarse siempre que sea posible porque requieren núcleos laterales o corredores que mueven componentes dentro del dado que forman la característica de recorte y luego se retraen antes de la eyección. Estos mecanismos añaden un costo significativo, complejidad y puntos de falla potenciales a la herramienta. Si un corte de bajo nivel es inevitable, es crucial trabajar con un socio de fabricación para encontrar la solución de herramientas más eficiente. Las empresas con capacidades internas de diseño de matrices pueden ofrecer una valiosa experiencia en la optimización de herramientas complejas para la fabricabilidad.

Por último, pernos de Expulsión son varillas de acero que empujan la pieza solidificada fuera de la cavidad del molde. Estos pasadores son esenciales para la extracción de la pieza, pero inevitablemente dejan marcas pequeñas y circulares en la superficie de la misma. La función del diseñador consiste en identificar superficies no críticas o no estéticas donde estas marcas sean aceptables. Es ideal colocar las marcas de los pasadores de expulsión en superficies planas y resistentes, ya que esto garantiza una distribución uniforme de la fuerza durante la expulsión y minimiza el riesgo de deformación de la pieza. Comunicar al fabricante del molde desde las primeras etapas las ubicaciones aceptables evita problemas estéticos en el producto final.

Lista de verificación para diseño con fácil expulsión

• Simplifique la línea de división para que sea lo más plana y recta posible.
• Elimine los rebajes siempre que sea posible para evitar la necesidad de núcleos laterales y deslizadores costosos.
• Incorpore ángulos de salida generosos en todas las superficies paralelas al movimiento del molde.
• Identifique superficies no estéticas donde se permitan las marcas de los pasadores de expulsión.
• Asegúrese de que los pasadores eyectores estén ubicados en superficies planas y estables para evitar deformaciones durante la eyección.

Preguntas frecuentes sobre DFM en fundición a presión

1. ¿Qué incluye el diseño para fabricación (DFM)?

El Diseño para Fabricación (DFM) en fundición a presión implica un conjunto de principios destinados a simplificar y optimizar el diseño de una pieza para facilitar su producción. Los aspectos clave incluyen la aplicación de ángulos de desmoldeo para la eyección, garantizar un espesor de pared uniforme para prevenir defectos, usar chaflanes y radios para evitar esquinas agudas, y diseñar elementos como nervaduras y reborde para aumentar la resistencia reduciendo al mismo tiempo el material. También abarca consideraciones sobre las herramientas, como simplificar la línea de división y evitar entrantes.

2. ¿Cómo se aborda el diseño para fabricabilidad?

El enfoque comienza temprano en la fase de diseño al considerar todo el proceso de fabricación. Implica colaborar con ingenieros de fabricación para identificar posibles desafíos de producción. Los pasos clave incluyen simplificar el diseño, minimizar el número de piezas, estandarizar componentes cuando sea posible y cumplir con reglas específicas del proceso, como las aplicadas a la fundición por inyección (ángulo de salida, espesor de pared, etc.). El objetivo es resolver proactivamente los problemas de fabricación en el plano, donde los cambios son económicos, en lugar de hacerlo en la planta de fabricación, donde resultan costosos.

3. ¿Qué caracteriza el diseño para la fabricación?

El diseño para la fabricación se caracteriza por su enfoque en la eficiencia, la reducción de costos y la mejora de la calidad mediante decisiones inteligentes de diseño. Un diseño optimizado para la fabricación suele ser más sencillo, utiliza menos material, requiere menos operaciones secundarias y presenta una tasa de defectos más baja. Refleja un profundo conocimiento de las capacidades y limitaciones del proceso de fabricación elegido, lo que da como resultado un producto que no solo es funcional, sino también económico y fiable de producir a gran escala.