En la industria de la fundición, la precisión y calidad de las piezas dependen directamente del comportamiento de los materiales a altas temperaturas. Esto es especialmente relevante para los fotopolímeros: plásticos que se endurecen bajo luz ultravioleta y que se utilizan ampliamente en la impresión 3D. Se emplean para fabricar formas complejas imposibles de obtener con métodos tradicionales. Sin embargo, al ser calentados, los fotopolímeros se comportan de manera impredecible: se expanden y ejercen presión sobre las envolturas cerámicas, lo que suele causar grietas y defectos.
Ingenieros rusos han propuesto una solución a este problema al desarrollar un modelo informático único, capaz de predecir con gran precisión cómo se comportará el fotopolímero durante el calentamiento. El nuevo programa ya ha mostrado un 97% de coincidencia con experimentos reales, lo que abre la puerta a una reducción significativa de piezas defectuosas en la industria de la fundición.
El desafío de las grietas: por qué los fotopolímeros representan un riesgo para los moldes
Los fotopolímeros se utilizan en una amplia variedad de campos, desde la medicina hasta la aviación. Sirven para fabricar guías quirúrgicas, modelos de joyería y, especialmente, para crear piezas metálicas complejas mediante el método de fundición a la cera perdida. El proceso es sencillo: primero se imprime en 3D una réplica exacta de la pieza a partir de fotopolímero; luego se recubre con cerámica para formar una envoltura resistente. Tras esto, la pieza se calienta para quemar el plástico y dejar un hueco listo para la colada de metal.
Sin embargo, es en la fase de calentamiento donde surgen los principales desafíos. El fotopolímero se expande, y si la temperatura aumenta demasiado rápido, la presión sobre las paredes cerámicas se vuelve crítica. Como resultado, la cáscara puede agrietarse y los defectos a menudo pasan desapercibidos hasta el momento de verter el metal. Cuando el metal fundido entra en las microgrietas, la pieza final presenta imperfecciones y tiene que ser descartada.
Cómo funciona el nuevo modelo: cálculos precisos en lugar de suposiciones
Hasta hace poco, los ingenieros recurrían a modelos simplificados que no tenían en cuenta todas las particularidades del comportamiento de los fotopolímeros a distintas temperaturas. En realidad, el material muestra tanto propiedades elásticas como viscosas, y estos parámetros cambian a medida que se calienta. Los programas existentes no podían predecir con exactitud cuándo y dónde se generaría una tensión peligrosa.
Científicos de la Universidad Politécnica de Perm (PNIPU) realizaron una serie de experimentos utilizando un analizador mecánico dinámico. Calentaron muestras de fotopolímero, registrando los cambios de rigidez, elasticidad y viscosidad en cada etapa. Se puso especial atención en el rango de temperaturas de 50°C a 100°C, donde el material aún conserva su forma, pero ya comienza a expandirse activamente.
Los datos obtenidos sirvieron de base para un nuevo modelo matemático. El programa analiza cómo cambia el comportamiento del fotopolímero al calentarse y crea un mapa de tensiones dentro del molde. Esto permite identificar de antemano las zonas propensas a grietas y ajustar el proceso tecnológico, por ejemplo, ralentizando el calentamiento en áreas críticas o reforzando la carcasa.
Experimentos y resultados: precisión comprobada en la práctica
Para verificar el modelo, los ingenieros utilizaron un dilatómetro, un dispositivo que mide la expansión térmica de materiales con alta precisión. Se descubrió que por cada aumento de 10°C, el fotopolímero se alarga entre 0,01 y 0,02 mm por cada centímetro de longitud. Así, en una pieza de 30 cm de largo, el aumento sería de 4 a 8 mm a 150°C. Esta expansión es la causa principal de la destrucción de los moldes cerámicos.
Las pruebas virtuales realizadas con el nuevo programa fueron plenamente confirmadas en condiciones reales de producción. Al fabricar moldes de fundición para álabes de turbina, el modelo predijo con un 97% de precisión la aparición de tensiones y posibles defectos. Esto permitió a los técnicos ajustar previamente el proceso y evitar desperdicios.
Impacto en la industria: nuevas oportunidades para el sector
La implementación de este modelo digital abre nuevas perspectivas para la industria de fundición. Ahora los ingenieros pueden no solo diseñar piezas teniendo en cuenta las particularidades de los fotopolímeros, sino también optimizar los regímenes de calentamiento, reduciendo el riesgo de fisuras. Esto es especialmente importante para las industrias aeronáutica y médica, donde los requisitos de calidad son máximos.
Además, la nueva tecnología permite ahorrar recursos: menos productos defectuosos significa menos gastos en materiales y tiempo. En el futuro, modelos similares podrán integrarse en los programas estándar de diseño, haciendo que el proceso de creación de piezas complejas sea aún más fiable y predecible.
A propósito: el Politécnico de Perm y su aporte a la ciencia
La Universidad Politécnica Nacional de Investigación de Perm (PNIPU) es una de las principales instituciones técnicas de Rusia, fundada en 1953. A lo largo de las décadas, la universidad se ha consolidado como un centro líder en investigación avanzada en ciencia de materiales, ingeniería mecánica y modelado digital. Se llevan a cabo grandes proyectos científicos, incluyendo iniciativas dentro del programa «Prioridad 2030», enfocado en el desarrollo de tecnologías estratégicas. En PNIPU trabajan especialistas reconocidos, como el profesor Oleg Smetannikov y el ingeniero Gleb Ilyinykh, quienes han realizado aportes significativos en el desarrollo de nuevos métodos de análisis de materiales. La universidad colabora activamente con empresas industriales, implementando soluciones innovadoras en la producción real. Gracias a estas iniciativas, la PNIPU refuerza la posición de Rusia en el mercado mundial de desarrollos de alta tecnología.
