Caracterización de arena 16/30 y eliminación de la línea base alcohol en la sección de revestimientos

Abstract

La microfusión es un proceso de fabricación de piezas metálicas a partir de modelos de cera y revestimientos cerámicos, empleado en sectores como la automoción, la maquinaria y la defensa por su capacidad para reproducir geometrías complejas con elevada calidad superficial. En este proceso, la elección de arenas refractarias y aglomerantes resulta determinante tanto para la resistencia mecánica de las cáscaras cerámicas como para la seguridad y sostenibilidad del entorno de trabajo. El presente Trabajo Fin de Máster se ha desarrollado en la empresa cántabra Electro Crisol Metal S.A. (Ecrimesa) y persigue dos objetivos principales: identificar un proveedor alternativo de arena 16/30 que permita reducir los costes de materias primas sin comprometer la calidad de las piezas, y evaluar la sustitución de la barbotina con base alcohol por formulaciones en base agua, con el fin de eliminar reactivos peligrosos y disminuir el impacto ambiental del proceso. Para la selección de arenas se realizaron análisis granulométricos y ensayos de flexión a tres puntos en probetas sometidas a diferentes condiciones (vírgenes, calcinadas y a 1000 °C), aplicando dos procesos de revestimiento ((A-1) y (A-1)+1), y analizando la calidad superficial de las piezas en producción. En paralelo, se compararon recubrimientos cerámicos elaborados con barbotina base alcohol y base agua, analizando su resistencia mecánica. Los resultados muestran que la arena del proveedor 1R ofrece un módulo de ruptura competitivo, ausencia de defectos superficiales en las piezas y un ahorro económico del 20 % respecto al proveedor actual, lo que la convierte en la alternativa más adecuada. Asimismo, las barbotinas en base agua demostraron un comportamiento satisfactorio incluso en geometrías complejas, garantizando acabados de calidad y eliminando riesgos laborales y ambientales asociados a las formulaciones con base alcohol. En conclusión, se ha dado un paso decisivo hacia la eliminación del uso de barbotinas formuladas con aglomerante base alcohol, garantizando un entorno de trabajo más seguro para los operarios y reduciendo el impacto ambiental del proceso. Asimismo, en relación con el otro de los objetivos planteados, se ha identificado un nuevo proveedor de arena 16/30 más económico que el actual, capaz de mantener la resistencia mecánica de las cáscaras cerámicas y asegurar la calidad superficial de las piezas. Con ello, este estudio permite avanzar hacia un proceso de microfusión más competitivo, eficiente y sostenible.

Investment casting is a manufacturing process for metal components using wax patterns and ceramic shells, widely employed in sectors such as automotive, machinery, and defense due to its ability to reproduce complex geometries with high surface quality. In this process, the choice of refractory sands and binders is critical, as it determines both the mechanical strength of the ceramic shells and the safety and sustainability of the working environment. This Master’s Thesis was carried out at the Cantabrian company Electro Crisol Metal S.A. (Ecrimesa) and pursues two main objectives: to identify an alternative supplier of 16/30 sand that allows for a reduction in raw material costs without compromising the quality of the parts, and to evaluate the substitution of alcohol-based slurry with waterbased formulations, in order to eliminate hazardous reagents and reduce the environmental impact of the process. For sand selection, granulometric analyses and three-point bending tests were performed on samples under different conditions (virgin, calcined, and at 1000 °C), applying two shell-building processes ((A-1) and (A-1)+1), and assessing the surface quality of parts in production. In parallel, ceramic coatings prepared with alcohol-based and water-based slurries were compared, analyzing their mechanical strength. The results show that sand from supplier 1R offers a competitive modulus of rupture, absence of surface defects in the parts, and a 20% cost saving compared to the current supplier, making it the most suitable alternative. Likewise, water-based slurries demonstrated satisfactory performance even in complex geometries, ensuring highquality finishes while eliminating occupational and environmental risks associated with alcohol-based formulations. In conclusion, a decisive step has been taken toward eliminating the use of alcoholbased slurries, thereby ensuring a safer working environment for operators and reducing the environmental impact of the process. Furthermore, regarding the other objective, a new, more economical 16/30 sand supplier has been identified, capable of maintaining the mechanical strength of ceramic shells and ensuring the surface quality of the parts. This study therefore enables progress toward a more competitive, efficient, and sustainable investment casting process.