Análisis de elemento finito: qué es y cómo se aplica a moldes de fundición

El análisis de elemento finito (FEA, por sus siglas en inglés) divide una pieza o un molde en miles de elementos pequeños y calcula cómo se deforma cada uno y cuánto esfuerzo soporta bajo cargas reales. En fundición a presión sirve para ver, antes de maquinar el acero, cuánto flexionan las placas, los insertos y el sistema de expulsión, y si esa flexión va a acabar en la pieza.

En un molde de aluminio o de zamak, el problema que más cuesta no es el que se ve en el plano, sino el que aparece en el tryout: una pieza que no da la planicidad, unos expulsores que se traban, una placa que trabaja de más. Cuando eso sale en la máquina, la corrección ya es en acero templado.

Aquí tienes qué es el análisis de elemento finito, cómo se hace paso a paso, qué conviene analizar en un molde de fundición a presión y un caso real de una placa expulsora, con las cifras antes y después.

Qué es el análisis de elemento finito

Es un método numérico. En lugar de resolver una pieza entera de golpe, que con su geometría real no tiene solución a mano, el programa la parte en elementos sencillos (tetraedros, hexaedros, placas o vigas) unidos por nodos. En cada elemento el comportamiento se puede calcular; el programa junta todas esas ecuaciones y obtiene cómo se mueve cada nodo cuando la pieza recibe una carga.

De ahí salen los dos resultados que más se miran en un molde:

• Desplazamientos: cuánto se mueve cada punto. En una placa, es la flecha.
• Esfuerzos: cuánta carga soporta el material en cada zona. El más usado para aceros es el esfuerzo de von Mises, que se compara con el límite elástico del material.

El método se usa para análisis estáticos (una carga que no cambia), modales (a qué frecuencias vibra una estructura), térmicos (cómo se reparte el calor) y de fatiga (cuántos ciclos aguanta una zona antes de agrietarse). En un molde de fundición a presión, los cuatro tienen sentido.

Los pasos de un análisis: preproceso, solución y postproceso

1. Preproceso

Es la parte que más decide el resultado. Incluye:

• La geometría: el modelo CAD, simplificado donde no aporta (radios pequeños, grabados) y completo donde sí (zonas de apoyo, alojamientos de expulsores).
• El material: módulo de elasticidad, límite elástico y, si hay temperatura, sus propiedades en caliente.
• Las cargas: qué fuerza entra, por dónde y en qué dirección. En la expulsión, por ejemplo, no se reparte igual entre todos los expulsores: carga mucho más donde la pieza más se adhiere al molde.
• Las restricciones: dónde se apoya o se fija el conjunto.
• La malla: el tamaño y tipo de los elementos. Más fina donde se esperan concentraciones de esfuerzo.

2. Solución

El programa resuelve el sistema de ecuaciones. Con una malla razonable es la parte más rápida; con mallas muy finas o contactos entre muchas piezas, la que más tiempo de cómputo lleva.

3. Postproceso

Mapas de colores de desplazamiento y esfuerzo, valores máximos y dónde aparecen. Aquí es donde se decide si el diseño sirve o hay que cambiarlo, y donde se compara una versión con otra.

Qué se analiza en un molde de fundición a presión

• Placas porta-insertos y placas de apoyo: la presión de intensificación empuja la cavidad hacia afuera y la placa flexiona. Si flexiona de más, se abre el plano de partición y aparecen rebabas.
• Insertos y núcleos: esfuerzos en zonas delgadas o con radios pequeños, que son las candidatas a agrietarse.
• Sistema de expulsión: la flecha de la placa expulsora y el guiado, que deciden si los expulsores avanzan paralelos o se traban.
• Fatiga térmica: el ciclo de calentamiento y enfriamiento en la superficie de la cavidad, que acaba en grietas de choque térmico.

El análisis estructural se puede hacer sobre el ensamble del molde o sobre la pieza fundida, por ejemplo para ver cómo se comporta en servicio o al desmoldarla. En los dos casos la pregunta es la misma: cuánto se mueve y cuánto aguanta.

Un caso real: la placa expulsora que deformaba la pieza

Una pieza de fundición a presión de escaso espesor, con una exigencia de planicidad de 0.1 mm, inyectada en una máquina de 500 t de fuerza de cierre. La duda del cliente era si podría cumplir esa planicidad. Al revisar su diseño, la hipótesis fue que el sistema de expulsión no tenía la rigidez suficiente: la placa flexionaba, los expulsores perdían el paralelismo, se trababan y la fuerza para desmoldar crecía hasta deformar la pieza.

Así se planteó el análisis, siguiendo los tres pasos de arriba:

1. Geometría y cargas: el sistema de expulsión del diseño original, con la fuerza de expulsión entrando por la placa y las reacciones repartidas de forma desigual entre los expulsores según la adhesión de la pieza.
2. Resultado del diseño original: con Simcenter Simsolid el análisis mostró flechas de hasta 0.92 mm en la placa expulsora.
3. Rediseño: más rigidez en la placa y un guiado estable, para que los expulsores dejaran de hacer de guía.
4. Resultado del rediseño: la flecha máxima bajó a 0.13 mm, unas 7 veces menos.
5. Validación en planta: con los cambios implantados, la fuerza para expulsar la misma pieza bajó de 8 a 3 toneladas, un 62.5 % menos.

El último punto es el que más importa. La flecha del modelo es un resultado numérico; la fuerza de expulsión medida en la máquina es la prueba de que el problema estaba donde el análisis decía. Todo el caso, con los mapas de desplazamiento antes y después, está en rigidez de la expulsión en HPDC.

Cómo leer los resultados: flecha, esfuerzo y factor de seguridad

• Primero los desplazamientos, después los esfuerzos. Si la deformada no tiene sentido físico (una placa que se mueve hacia donde no puede, un apoyo que flota), hay un error en las cargas o en las restricciones, y los esfuerzos que salgan no valen nada.
• La flecha se juzga contra la tolerancia de la pieza, no en abstracto. Una placa que flexiona 0.9 mm no tiene por qué romperse, pero con una pieza que pide 0.1 mm de planicidad ya es un problema de calidad.
• El esfuerzo se compara con el límite elástico del acero a la temperatura de trabajo. El cociente entre los dos es el factor de seguridad. Un pico de esfuerzo muy localizado en una arista viva suele ser efecto de la malla: antes de rediseñar, refina la malla en esa zona y mira si el pico se estabiliza.
• Compara versiones con el mismo modelo. El valor más útil de un análisis no es el número absoluto, sino la diferencia entre el diseño actual y el propuesto, con las mismas cargas y la misma malla.

Análisis de elemento finito no es simulación de llenado

Las dos son simulación y se confunden a menudo, pero responden a preguntas distintas:

Un molde puede llenar perfectamente y deformar la pieza al expulsarla, o tener una expulsión rígida y sacar piezas con porosidad. Para los defectos de llenado, el punto de partida es la simulación de fundición a alta presión; para la distorsión de piezas delgadas, conviene leer también de dónde vienen la deformación y la distorsión, porque la expulsión es solo una de sus causas.

Lo que el análisis no hace

• No corrige un modelo mal planteado. Cargas o restricciones equivocadas dan resultados limpios y falsos.
• No sustituye la medición. El resultado se valida con algo que se pueda medir en planta, como la fuerza de expulsión en el caso de arriba.
• No explica todas las deformaciones de la pieza. Las tensiones internas y la contracción también deforman; un sistema de expulsión robusto reduce su parte, no las elimina.

Cuándo merece la pena encargarlo

Recomendamos hacerlo antes de liberar el diseño del molde cuando la pieza es de escaso espesor o tiene una tolerancia de planicidad exigente, porque ahí una flexión de décimas de milímetro ya es rechazo, y corregir el acero después del tryout cuesta mucho más que el análisis. Si el molde ya existe y da problemas de deformación o de trabado de expulsores, también: el análisis sirve para comparar soluciones antes de modificarlo, y no a prueba y error en la máquina. Para piezas robustas y sin tolerancias críticas, suele bastar con las reglas de diseño de un molde de fundición a presión bien dimensionado.

Para pedirlo, ten a mano el CAD del molde y de la pieza, la inyectora y su fuerza de cierre, la aleación, las tolerancias críticas y, si el molde ya trabaja, el problema que ves en planta y en qué piezas.

En Inytialgo trabajamos las dos vías: el software de simulación para fundición, si quieres hacer el análisis en tu planta, y la consultoría de moldes de fundición a presión, si prefieres que lo hagamos con tu equipo.