El desarrollo del proyecto de investigación se realizó en una cofinanciación entre Furima, Colciencias y la Universidad EAFIT.
María Carmenza Gómez Fernández Colaboradora / Proyectos de investigaciónUn punto de partida: la producción de metales fundidos de hierro en Colombia es extensiva. Por ejemplo, en 2010, llegaba a unas cantidades cercanas a 1.602.555 toneladas. Sin embargo, pese a la amplia utilización de estos materiales (formados por hierro y carbono junto a elementos como níquel, silicio, magnesio, entre otros) han sido pocos los desarrollos o las mejoras realizadas a estos que permitan aplicaciones más exigentes.
Y hay otra realidad. Los productos que existen en el mercado colombiano fabricados mediante fundición nodular o fundición dúctil –muy utilizada debido a su bajo costo, facilidad de fabricación, buena resistencia mecánica y tenacidad– cuentan con ciertas limitaciones, si se comparan con productos similares fabricados en Estados Unidos o Brasil.
Estas limitaciones se relacionan con el diseño de moldes, y control de solidificación y adiciones de elementos mejoradores de la fundición, lo que hace que características como la resistencia mecánica de los materiales nacionales sea inferior a las obtenidas de fundiciones importadas.
Así lo indica el informe final que presentó el equipo de investigación del proyecto Desarrollo de fundiciones de hierro con características mejoradas utilizando métodos computacionales de diseño de moldes, que llevaron a cabo la Escuela de Ingeniería de EAFIT, la empresa Furima S.A.S. y Colciencias, para tratar de mitigar estas problemáticas.
El objetivo general de esta iniciativa era lograr el mejoramiento de moldes de fundición en arena, así como de las propiedades mecánicas de la fundición nodular o de hierro. Esto, en otras palabras, se trata de cómo hacer más eficiente y rentable el proceso de fundición que, hasta el momento, se realiza mediante el método ensayo-error, y cuyo diseño y moldeado se lleva a cabo de forma manual.
Así mismo, pretende superar la calidad de los materiales y sus propiedades sin tener incremento de gastos significativos que vayan a reducir la productividad y la eficiencia económica de la empresa.
El proyecto fue liderado por el profesor Édgar Alexander Ossa Henao, coordinador del grupo de investigación en Materiales y del doctorado en Ingeniería de EAFIT, junto al docente Marcos Paniagua Villa. También participaron otros integrantes del pregrado en Ingeniería de Producción.
Desarrollos para optimizar el proceso
Para tratar de alcanzar el propósito mencionado, los investigadores de la Escuela de Ingeniería trabajaron en un diseño computacional usando un software comercial. A través de este pudieron simular el molde y hacer el proceso de vaciado del material fundido con las mismas características que tiene el proceso productivo en la empresa.
“Simulamos el proceso y hacemos una corroboración experimental de lo que diseñamos en el computador, encontrando que logramos una mejoría en la calidad de las piezas finales, con menos defectos y una reducción en el tiempo de diseño y de fabricación. Entonces, mejoramos el proceso productivo”, afirma Ossa Henao.
También trabajaron en mezclas de distintas aleaciones de la fundición nodular que se utilizaba en Furima, con el fin de mejorar las propiedades de las piezas como tal y así obtener productos de mayor resistencia mecánica sin incrementos considerables de costos. ¡Y cumplieron el objetivo!
“Logramos casi el doble de la resistencia del material”, dice el coordinador del doctorado en Ingeniería de EAFIT y explica que esto es bueno para el usuario porque puede bajar el tamaño de las piezas, dada su mayor resistencia.
Por su parte el ingeniero Gustavo Alonso Güeto López, gerente de Mercadeo y Ventas de Furima S.A.S., reconoce que los objetivos que se proponía el proyecto para su empresa fueron cumplidos.
Mediante el desarrollo de la iniciativa se fabricaron piezas que, de manera frecuente, presentaban problemas de manufactura y, con la ayuda de las herramientas adquiridas para el diseño de los moldes, fueron desarrolladas de forma satisfactoria.
En relación con la mejora en el tipo de material, el ingeniero destaca que se pudo desarrollar una pieza especial, que no cumplía especificaciones de resistencia mecánica.
De acuerdo con la ficha técnica de Empresas Públicas de Medellín, este producto solo es permitido fabricarse mediante el proceso de forja en acero para garantizar una resistencia a la tracción mínima de 19.000 libras fuerza. El material que fue desarrollado permitió obtener un eslabón con una resistencia superior a la mínima requerida.
En sintonía con las necesidades de la empresa
Los proyectos de investigación que se lideran y ejecutan desde las universidades del país despiertan, cada vez, un mayor interés cuando traspasan los muros de los claustros donde se genera dicho saber para realizarlos de la mano del sector empresarial y del Estado, orientados a satisfacer problemas de interés común.
Un ejemplo de los beneficios de esta tríada es la investigación de EAFIT, Furima y Colciencias donde los resultados, para beneficio de la compañía, saltan a la vista: se mejoraron las propiedades y características del material, lo que lo dejó apto para aplicaciones más exigentes que las que se usaban antes, sin necesidad de modificar el proceso técnico a que se somete para mejorar sus propiedades, como lo explica el ingeniero Ossa Henao.
Se logró analizar, mediante modelos matemáticos, cómo se da el proceso de solidificación de estos materiales desde su condición líquida a altas temperaturas hasta que su temperatura llega al ambiente.
Además, se incrementaron las ventas, se elevaron las exportaciones y aumentó la eficiencia de producción, al utilizar los métodos de software propuestos.
De esta manera, en la empresa se implementó un nuevo laboratorio donde pueden determinar con exactitud la composición química del material. “Me refiero a todos los elementos químicos involucrados en el mismo. Adicionalmente, se optimizaron los tiempos de colada: solidificación y vaciado, que ayudan a tener una mejor calidad en el material”, destaca el ingeniero Gustavo Güeto.
Hoy, los clientes de esta compañía reciben mayor información de la caracterización del material, brindándoles confianza respecto a su calidad.
Desde el punto de vista investigativo y académico se logró analizar, mediante modelos matemáticos, cómo se da el proceso de solidificación de estos materiales desde su condición líquida a altas temperaturas hasta que su temperatura llega al ambiente, cuando el material se vuelve sólido.
Durante este proceso se da la formación y el crecimiento de los nódulos de grafito que son fundamentales en las características finales del material. De esta manera es posible predecir matemáticamente cómo será la estructura microscópica del material para llegar a predecir su comportamiento final, afirma el profesor Alexander Ossa Henao.
Con este método computacional desarrollado por los investigadores eafitenses para mejorar tanto los moldes de fundición como la resistencia del material, se contribuye a la competitividad de la industria colombiana, gracias a la alianza empresa y academia.
¿Qué es la fundición nodular?
La fundición nodular es una aleación de hierro con alto contenido de carbono y silicio, entre otros elementos químicos adicionales. Su estructura microscópica presenta unas esferas o nódulos de grafito, por lo que toma su nombre. Estas esferas de grafito hacen que su comportamiento mecánico sea similar al de algunos aceros y proporciona características de auto-lubricación que son importantes en aplicaciones como engranajes móviles, debido a su bajo coeficiente de fricción.
Las aplicaciones de este tipo de fundiciones van desde válvulas para conducción de agua hasta bloques de motor.
Las piezas de fundición nodular son utilizadas en la industria en los sectores automotriz, agrícola y metalmecánico. Generalmente son partes de una maquinaria o herramienta.
La ventaja que tiene la fundición nodular con respecto a la fundición de acero es que se puede fundir a temperaturas más bajas, lo que la hace menos costosa.
Investigadores
El proyecto de investigación Desarrollo de fundiciones de hierro con características mejoradas utilizando métodos computacionales de diseño de moldes estuvo a cargo de dos profesores de la Escuela de Ingeniería de EAFIT. El investigador principal, Édgar Alexander Ossa Henao, es ingeniero mecánico con doctorado en Ingeniería de la Universidad de Cambridge y con posdoctorado en Comportamiento Mecánico de Asfaltos y Mezclas Asfálticas de la Universidad de Nottingham. Su trayectoria laboral ha sido amplia en las áreas investigativa, docente y administrativa. Ha sido merecedor de distintos premios y reconocimientos en el ámbito nacional e internacional.
Junto con él participó el docente Marco Aurelio Paniagua Villa, quien es ingeniero metalúrgico y cuenta con experiencia laboral en ingeniería de producción, así como en el Laboratorio de Materiales. Ha ejecutado varias actividades de investigación y desarrollo, además de su desempeño administrativo y docente en distintas áreas de la ingeniería en EAFIT.
El proyecto también contó con la participación de estudiantes, en ese momento, tanto de posgrado como de pregrado, ellos son: la profesora Sandra Carolina Murcia Sánchez, magíster en Ingeniería, con experiencia y habilidades en simulación macro y micro de problemas de solidificación y caracterización de metales; las entonces estudiantes y hoy egresadas del pregrado en Ingeniería de Producción de EAFIT, Daniela López y Lady Johana Sánchez; y la alumna de esta misma carrera, Laura Bedoya.
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