Diseño de piezas fundidas de aluminio: reglas de diseño que reducen el coste y la tasa de rechazos

Una pieza fundida de aluminio es económica y repetible cuando tiene paredes lo más uniformes posible, transiciones suaves, ángulos de desmoldeo acordes con la dirección de extracción del molde y el menor número de noyos. Estas características dependen del diseñador: según el manual académico «Odlewnictwo» (WNT), el diseño supone aprox. un 7 % del coste del producto, pero hasta un 65 % de la influencia sobre dicho coste. Hemos recopilado las reglas que conviene revisar antes de enviar el modelo a la fundición.

En resumen

• El espesor mínimo de pared depende del método: 3–6 mm en molde de arena, 2,5–5 mm en coquilla y 0,7–1,5 mm en fundición a presión.
• Diseñe las paredes interiores aprox. un 20 % más delgadas que las exteriores y mantenga la relación de espesores entre paredes contiguas hasta 2:1; suavice las diferencias mayores con una cuña de conicidad máxima 1:4.
• Ángulos de desmoldeo orientativos: molde de arena aprox. 2° (mínimo aprox. 1°), fundición a presión aprox. 2° en paredes interiores y aprox. 1° en exteriores; los elementos poco profundos y la coquilla requieren ángulos mayores.
• Los cruces de paredes, las uniones en T sin alivio y los engrosamientos masivos generan puntos calientes, una fuente frecuente de rechupes y faltas de estanqueidad.
• Cada noyo adicional, contrasalida y segundo plano de partición aumenta el coste del utillaje. En moldes metálicos, los noyos deben tener una dirección de extracción común.

¿Por qué el diseño determina el coste de la pieza fundida?

El desglose completo de la misma fuente muestra dónde se origina el coste y dónde se decide:

Etapa	Participación en el coste del producto	Influencia en el coste del producto
Diseño	7%	65%
Producción	33%	19%
Materiales	40%	15%
Administración	20%	1%

Las decisiones sobre el material y el proceso se toman en la fase de diseño, y las elecciones posteriores del técnico de procesos influyen ya relativamente poco en el coste. Por eso conviene verificar las reglas de diseño para fundición antes de encargar moldes y modelos; el coste, la vida útil y las condiciones de propiedad de estas herramientas se describen en el artículo sobre modelos, coquillas y moldes de fundición a presión.

Las reglas de diseño para fundición se dividen según su finalidad: ejecución del utillaje y los moldes, llenado del molde con metal, alimentación de la pieza, reducción de tensiones y limpieza.

Espesor de pared: mínimo para cada método y distribución uniforme

El espesor mínimo de pared es el límite por debajo del cual el metal puede no llenar el molde. Para aleaciones de aluminio, el manual indica:

Método de fundición	Espesor mínimo de pared	Observaciones
Molde de arena (arena de bentonita)	3–6 mm	valor indicado para metales no ferrosos
Coquilla	2,5–5 mm	2,5 mm en superficies pequeñas, 5 mm en superficies mayores
Fundición a presión	0,7–1,5 mm	0,7 mm en piezas pequeñas, 1,5 mm en piezas medianas

El mínimo no es una recomendación. Una pared demasiado delgada conlleva el riesgo de falta de llenado y, en una pared plana grande, también de soldaduras frías. En ese caso ayuda aumentar el espesor de la pared y, tratándose de una pared plana grande, inclinarla.

El otro extremo son las paredes demasiado gruesas. Las secciones más gruesas se enfrían más despacio, tienen una estructura más gruesa y peores propiedades, y en las zonas masivas es fácil que aparezca porosidad por contracción. Explicamos cómo influye el espesor de pared en la resistencia en el artículo sobre las propiedades mecánicas de las piezas de aluminio fundido.

Tres reglas de proporción:

• Paredes interiores aprox. un 20 % más delgadas que las exteriores (Y = 0,8X). El interior de la pieza cede el calor más lentamente, por lo que una pared más delgada equilibra el enfriamiento.
• Nervio en la base de un grosor no superior a aprox. el 80 % de la paredde la que parte. Un nervio más grueso crea un punto caliente en la unión.
• Relación entre los espesores de paredes contiguas de hasta 2:1. Cuando una diferencia mayor sea inevitable, una las secciones con una transición cónica con una pendiente máxima de 1:4. La longitud de la transición debe ser como mínimo cuatro veces la diferencia de espesor. Otra alternativa es dividir la pieza en dos fundiciones.

Es preferible conseguir rigidez mediante nervios que mediante masa. Los nervios y los puentes de unión también refuerzan las secciones expuestas a grietas y deformaciones.

Transiciones, radios de acuerdo y puntos calientes

Un punto caliente es una zona donde se acumula más metal que en su entorno. Solidifica en último lugar, por lo que le falta metal líquido para compensar la contracción: se forma una cavidad o porosidad por contracción.

Solución con riesgo	Solución mejor	¿Por qué
Cruce de paredes (unión en X)	unión desfasada (en Z), malla hexagonal o anillo en el punto de unión	menos metal concentrado en un mismo punto
Unión en T con esquina viva o solo con radio	vaciado (rebaje) en la zona de unión	sin vaciado en el nudo se forma una cavidad de contracción; un macho en el nudo funciona, pero no es económico
Transición brusca de pared gruesa a delgada	transición gradual y redondeada	menor riesgo de grietas y alabeo
Brazos rectos y grandes paredes planas	brazos curvados, paredes curvadas o inclinadas	menores tensiones de fundición
Engrosamiento masivo alejado de la mazarota	nudo desplazado hacia la mazarota o nervio de alimentación	solidificación direccional y alimentación más sencilla

Los radios de acuerdo en las uniones de paredes son prácticamente obligatorios en las piezas fundidas. El radio se elige en proporción al espesor de las paredes: si es demasiado pequeño, favorece las grietas; si es demasiado grande, crea por sí mismo un punto caliente local. Lo mejor es acordar los radios concretos con el técnico de proceso según el método y la aleación.

Los puntos calientes se localizan fácilmente con el método de los círculos inscritos: en la sección del modelo se inscriben círculos en las paredes y en sus uniones. Cuanto mayor es el círculo que cabe en el nudo en comparación con la pared contigua, mayor es el riesgo de rechupe. La porosidad en los nudos es también una causa frecuente de fugas; hablamos de ello en el artículo sobre la estanqueidad de las piezas de aluminio fundido.

Ángulos de salida y contracción

El ángulo de salida es la conicidad de las paredes paralelas a la dirección de extracción del modelo del molde o de la pieza del molde metálico. Sin él, el modelo daña el molde de arena al extraerlo y la pieza se atasca en la coquilla o en el molde de fundición a presión.

Método	Ángulo de salida orientativo	Observaciones
Molde de arena	aprox. 2°, mínimo aprox. 1°	paredes exteriores e interiores
Coquilla	aprox. 3° con profundidad de 25–127 mm	elementos menos profundos 5–10°, más profundos de 127 mm aprox. 2°; orificios sobre machos de acero 3–10°
Fundición a presión	aprox. 2° en el interior, aprox. 1° en el exterior	a partir de una profundidad de aprox. 25 mm; en ejecución de precisión aprox. 1° y 0,5°; con una profundidad de 10 mm aprox. 3° en el interior

Los valores para la fundición a presión proceden de las recomendaciones de NADCA; para la coquilla, de la guía de un fabricante de piezas fundidas en coquilla y de AFS; para el molde de arena, de recomendaciones de diseño habituales. Son puntos de partida, no requisitos de una norma.

Las paredes interiores necesitan un ángulo de salida mayor que las exteriores, porque la pieza fundida se contrae al enfriarse y se aprieta contra los machos y los salientes del molde. La edición de 2023 de la norma ISO 8062-3 introdujo tablas de ángulos de salida para cada método (tablas 2–6). La relación entre los ángulos de salida y sobremedidas y las tolerancias dimensionales se describe en el artículo sobre tolerancias de las piezas fundidas según ISO 8062-3. Los ángulos de desmoldeo, el plano de partición y la dirección de extracción se indican en el plano según ISO 10135.

Tras enfriarse, la pieza fundida es más pequeña que la cavidad del molde, por lo que el utillaje se fabrica ampliado en función de la contracción. Para las aleaciones de aluminio se adopta normalmente aprox. un 1,2 % (rango 0,8–1,5 %), y en la fundición a presión menos; por ejemplo, para la aleación estadounidense A380 se indica aprox. un 0,6 %. En un molde metálico y con contracción impedida por los machos, la contracción es menor que en un molde de arena. En el plano de la pieza usted indica las dimensiones nominales, y la contracción la tiene en cuenta la fundición al diseñar el utillaje.

Plano de partición, machos y contrasalidas

La pieza fundida más económica tiene una única superficie de partición plana y dimensiones que pueden obtenerse a partir de una sola mitad del molde. Esto supone un moldeo más corto, un juego de modelos más barato y mayor precisión, ya que el desplazamiento de las mitades del molde no afecta a las dimensiones.

Los machos son utillaje independiente y una operación aparte. Se aprecia bien en el ejemplo de una misma pieza en tres versiones: con tres machos (la más cara), con uno y sin machos (la más económica). Los contornos simples y las construcciones abiertas facilitan el moldeo y reducen el número de machos.

En el molde permanente y en el molde de fundición a presión se aplican reglas adicionales:

• los machos metálicos deben tener una dirección de extracción común,
• evite en las paredes exteriores contrasalidas paralelas al plano de partición, ya que requieren machos laterales,
• prolongue las nervaduras y los engrosamientos hasta el plano de partición o trasládelos a las paredes exteriores,
• tenga en cuenta que una contrasalida que en un molde de arena se resuelve con un macho, en un molde metálico puede ser difícil o imposible de realizar.

En un molde de arena, el macho debe apoyarse por dos lados, y las cavidades profundas en arena de bentonita son difíciles de compactar de forma homogénea. Para arenas de bentonita se admite, como valor orientativo, que la profundidad de la cavidad no debe superar la mitad de su anchura cuando está cerrada por cuatro lados, una anchura con tres paredes y tres anchuras con dos (h/a = 0,5 / 1,0 / 3,0). Una cavidad más profunda suele implicar un macho. Encontrará más información sobre la compactación en el artículo sobre arenas de moldeo, y sobre las tecnologías de machos en el texto sobre machos de fundición.

Agujeros fundidos: cuándo macho y cuándo broca

Un agujero obtenido por fundición ahorra mecanizado, pero su profundidad está limitada por el diámetro. Límites orientativos según las recomendaciones de NADCA para la fundición a presión de aluminio:

Diámetro del agujero	Profundidad máxima	Profundidad / diámetro
3,2 mm	aprox. 8 mm	aprox. 2,5
6,35 mm	aprox. 25 mm	4
12,7 mm	aprox. 51 mm	4
19 mm	aprox. 114 mm	6
25,4 mm	aprox. 152 mm	6

Son valores máximos recomendados, no los límites de una fundición concreta. En molde permanente, los agujeros de diámetro inferior a aprox. 6 mm suelen ser poco prácticos de fundir, y los de aprox. 3 mm o menos solo se realizan en casos especiales, con pasadores fijos. Cuando el agujero es demasiado profundo en relación con el diámetro, el macho se introduce por ambos lados. Los agujeros muy próximos entre sí normalmente no se funden.

En los moldes de arena, los límites dependen del tipo de macho, por lo que conviene acordarlos con la fundición; los agujeros pequeños, planifíquelos directamente para taladrado.

Rebabas, mazarotas y limpieza

Parte del coste de una pieza fundida corresponde a la limpieza: eliminación de rebabas, del sistema de alimentación, de las mazarotas y de la arena de los machos. El diseño puede acortarla:

• oriente la pieza de modo que las rebabas queden en superficies mecanizadas; desaparecerán junto con la sobremedida,
• diseñe planas las zonas de las mazarotas, ya que el resto de una mazarota plana se elimina sin mecanizado de forma,
• conduzca las rebabas por superficies exteriores planas, porque allí se eliminan mucho más rápido que en las cavidades,
• distribuya los agujeros de modo que la arena quemada adherida pueda retirarse fácilmente de las cavidades.

En las superficies mecanizadas prevea sobremedida, y elija las bases de medición lejos de la línea de partición.

Lista de comprobación antes de enviar el modelo a la fundición

1. Paredes no más delgadas que el mínimo para el método elegido y lo más uniformes posible; las interiores, aprox. un 20 % más delgadas que las exteriores.
2. Diferencias de espesor de hasta 2:1, transiciones en cuña no más pronunciadas que 1:4, esquinas redondeadas.
3. Sin cruces en X ni engrosamientos masivos; uniones en T con vaciado.
4. Ángulos de desmoldeo en todas las paredes paralelas a la dirección de extracción, mayores en las paredes interiores.
5. Una única superficie de partición plana y las dimensiones críticas en una sola mitad del molde.
6. El menor número posible de noyos; en moldes metálicos, una dirección de extracción común y ausencia de contrasalidas paralelas a la partición.
7. Decisión sobre qué orificios se funden y cuáles se taladran.
8. Superficies mecanizadas y referencias marcadas; rebabas y sobreespesores en superficies mecanizadas o planas.
9. Modelo 3D (p. ej., STEP) y plano con tolerancias, aleación y cantidad de piezas prevista.

El modelo 3D no solo sirve para elaborar el presupuesto: es la base para fabricar el utillaje en máquinas CNC y para simular el proceso de colada.

Preguntas frecuentes

Revisaremos su modelo antes de fabricar el utillaje

Envíenos el modelo 3D y el plano. El técnico evaluará las paredes, los ángulos de desmoldeo, los noyos y el plano de partición, y prepararemos el modelo de fundición en el marco de modelado y prototipado ; también a partir de un escaneado 3D de una pieza existente. Fabricaremos las piezas fundidas, entre otros procesos, en coquilla o mediante fundición a presión. Enviar el modelo para su análisis.

Fuentes y normas

• M. Perzyk (ed.), Fundición, WNT, Varsovia – cap. 3.2 (fig. 3.28, tabl. 3.11–3.16, pp. 163–179), 3.3 (tabl. 3.20, pp. 185–186), 3.4 (elección del proceso, pp. 190–194), 5.2.2 (fisuras en la arena de bentonita, p. 276).
• ISO 8062-3:2023 – tolerancias dimensionales y geométricas generales y sobreespesores de mecanizado de piezas fundidas; tablas de ángulos de desmoldeo 2–6.
• ISO 10135:2007 (EN ISO 10135:2009) – indicación de piezas moldeadas en la documentación técnica (ángulos de desmoldeo, plano de partición).
• NADCA (North American Die Casting Association) – recomendaciones de diseño para piezas de fundición a presión: ángulos de desmoldeo y orificios fundidos.
• AFS (American Foundry Society) – «Designing Aluminum Permanent Mold Castings», Casting Source 2019 (basado en «Aluminum Casting Technology», 3.ª ed.).
• Batesville Products – Design Guide for Permanent Mold Aluminum Casting (2024) – ángulos de desmoldeo en coquilla según la profundidad.
• M. Finke, Formelsammlung Gießereitechnik, 2.ª ed., Verlag Europa-Lehrmittel, 2023 – contracción de fundición de las aleaciones de aluminio.
• Eazall, ficha de la aleación A380 – contracción en fundición a presión 0,006 in/in (0,6 %).