Seguro que ya has oído hablar de la impresión 3D de plástico y metal. Pero ¿sabía que la arena también es un material compatible con la impresión 3D? De hecho, puede ser una solución rentable para una amplia gama de sectores, y es particularmente complementaria a la tradicional fundición en arena. Pero, ¿cómo funciona el proceso de impresión 3D con arena? ¿Cómo puede beneficiarse la fundición en arena tradicional de esta tecnología aditiva? En esta guía aprenderás sobre todo esto y mucho más.
Para comprender la importancia de la impresión 3D en arena para la fundición, primero es necesario entender el sistema tradicional de fundición en arena. La fundición en arena es un proceso utilizado para producir piezas finales en metal y otros materiales. El molde en el que se vierte el material líquido está hecho de arena, siendo capaz de resistir altas temperaturas. El proceso de fundición original se ha probado durante milenios, remontándose a unos 3.200 años antes de Cristo. Por supuesto, el proceso de fabricación ha pasado por varias etapas de desarrollo, pero el concepto básico ha permanecido inalterado.
En el proceso de fundición en arena, se vierte un material líquido (normalmente metal) en depósitos de arena. (Créditos: BigRep)
Como todo proceso, se comienza con un dibujo en 2D del objeto que se va a fabricar. A partir de este concepto, se fabrica un modelo, pero si se va a utilizar para piezas metálicas finales, se aumentan sus dimensiones para tener en cuenta la contracción. Además, el modelo debe incluir canales de fundición. El molde negativo fabricado se introduce a presión en una caja de construcción llena de arena. A continuación, se forma una imagen del modelo, lo que será el molde, en la arena. El material líquido (aluminio, acero, magnesio, hierro) se vierte en este molde y se retira en cuanto se ha enfriado. Como parte de las etapas de acabado, también hay que retirar las guías y los alimentadores.
El proceso de impresión 3D con arena
Aunque la fundición en arena tiene un historial probado con resultados detallados, los pasos del proceso mencionados anteriormente muestran que es un proceso complejo con muchas etapas. Aquí es donde entra en juego la impresión 3D. La combinación de moldeo convencional y fabricación aditiva hace que el proceso sea más eficiente, ya que los moldes o núcleos para piezas con cavidades se diseñan digitalmente mediante CAD y se fabrican mediante impresión 3D de arena. De este modo, se eliminan los pasos de diseño del modelo, creación del mismo e impresión en bastidores de moldeo. En resumen, la impresión 3D ofrece un atajo hacia el objetivo deseado, ahorrando tiempo, costes y recursos.
Antes de imprimir, el diseño de la forma se crea mediante un programa CAD. (Créditos: voxeljet)
Antes de hablar con más detalle de las numerosas ventajas, centrémonos en la impresión 3D en arena propiamente dicha. En lugar de la tradicional arena, o la de la playa, se utiliza arena de cuarzo, que a su vez está formada principalmente por granos de cuarzo. Se pueden usar diferentes tipos de arena, dependiendo de la aleación de fundición de la pieza final. La arena de cuarzo SH-F01 es mate y negra, mientras que la SH-P14 es beige y típicamente de color arena. Ambas ofrecen gran resistencia al calor y fuerza. También puede utilizarse arena sintética SH C052. Tiene base cerámica y ofrece propiedades similares a las de los tipos mencionados. En la impresión 3D de arena, esta se transforma en moldes para la fundición mediante la inyección de aglutinante en lugar del polvo tradicional (metal o plástico).
Ventajas y aplicaciones
La inyección de aglutinante se considera muy eficaz en comparación con otras tecnologías de impresión 3D. Esto se aplica no sólo al procesamiento de polvos poliméricos o metálicos, sino también a la arena. Así, la inyección de aglutinante no sólo permite a los usuarios saltarse las numerosas etapas del moldeo en arena convencional, sino que también permite producir moldes de forma especialmente eficiente. El tiempo ahorrado en la producción también se traduce en beneficios económicos. Por ejemplo, la impresión de moldes puede reducir los costes hasta un 75% en toda la tirada de producción.
Un operario de máquina limpia la arena de un núcleo impreso en 3D. (Créditos: Hoosier)
El modelo 3D se diseña en el ordenador, facilitando las modificaciones y adaptaciones individuales. También se pueden realizar geometrías complejas y producir a cualquier escala. Otra ventaja es que los moldes de arena creados mediante fabricación aditiva son dimensionalmente precisos y pueden producirse en cualquier cantidad. Esto también ofrece ventajas competitivas, ya que se pueden cumplir mejor los requisitos del cliente.
Además de ahorrar tiempo y dinero, la impresión de arena también ahorra recursos. Ya no es necesario procesar materiales para crear un modelo físico. Dado que los procesos aditivos utilizan en gran medida sólo los materiales realmente necesarios, también generan menos residuos. La arena de cuarzo se considera un material respetuoso con el medio ambiente, está disponible en cantidades prácticamente ilimitadas y el polvo de impresión no utilizado también puede reutilizarse parcialmente. En este sentido, la impresión 3D de arena contribuye a una producción más sostenible.
La impresión 3D de arena puede considerarse para moldes de diversas aplicaciones, especialmente las que requieren una producción eficiente de piezas complejas. Este es el caso de la industria automovilística o aeroespacial, con aplicaciones concretas como las ruedas o las hélices. La fundición británica Boro Foundry ha utilizado la impresión 3D de arena para producir piezas de recambio, por ejemplo. La tecnología también puede utilizarse para la fabricación de muebles de diseño, en arte y restauración, así como para fabricar prototipos y pequeñas series.
Un molde de impresión 3D en arena para una rueda. (Créditos: voxeljet)
Fabricantes de soluciones 3D de arena
Dentro del panorama 3D, hay algunos fabricantes especializados en el procesamiento de arena. La empresa alemana voxeljet se ha hecho un nombre en este ámbito. Ofrece varios sistemas de impresión 3D de arena, como las máquinas VX 200, 500, 1000, 2000 y 4000, que cuentan con una bandeja de impresión de varios tamaños. Además de voxeljet, también debemos mencionar a ExOne (adquirida por Desktop Metal en 2021, pero que sigue dirigiendo la parte de arena del negocio), que también se ha centrado en los sistemas de inyección de aglutinante y es uno de los líderes del sector.
Aunque la impresión 3D de arena cubre una gama de aplicaciones más reducida que la impresión 3D de resinas, polímeros y metales, satisface necesidades específicas. Por eso, cada vez más proveedores de servicios la incorporan a su oferta, para satisfacer mejor las necesidades de los clientes. Además, ayudan con las aplicaciones que desean reformar la fundición en arena mediante impresión 3D, pero no disponen de recursos para invertir en una impresora 3D de arena por sí mismas.
La voxeljet VX4000 es la mayor impresora 3D de arena hasta la fecha. (Créditos: voxeljet)
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*Créditos foto de portada: ExOne