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Cera Perdida, Microfusão ou "investment casting" Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense - IFF - Campus Cabo Frio Curso: Engenharia Mecânica Alunos: Fábio Mendes e Lucas Duarte Fundição de Precisão Resumo Processo de fundição por precisão (processo de microfusão ou "investment casting" também conhecido como fundição por cera perdida , pois nos primeiros métodos usavam uma camada de revestimento porosa (argila), que absorvia a cera quando aquecida. Esta técnica produtiva é muito utilizada para produção de peças onde a necessidade de aprimoramento dimensional e reprodução de finos detalhes se faz necessária. O PROCESSO NUM CONTEXTO HISTÓRICO Métodos primitivos datados em 3 500 a.C. Produziam trabalhos com bronze, ouro e cobre. Usavam cera de abelha e o revestimento ceramico feito com argila Industrialização Durante a Segunda Guerra Mundial a fundição de cera perdida evoluiu significativamente, onde a necessidade de fabricação de p eças com alta precisão dimensional e geometria complexa foi suprida pelo processo de fundição por cera per dida. Desde então, a indústria de fundição de precisão tem expandido devido as diversas vantagens do processo, entre elas, a variedade de produtos possíveis e sua qualidade, desde joias, componentes eletrônicos, implantes médicos à peças aeroespaciais, geralmente é limitado, apenas, pelo tamanho e massa da peça. Vantagens Qualidade superficial excelente; sem linhas de separação; reproduz detalhes complexos e precisos, como cantos vivos e paredes finas. Quase qualquer liga pode ser utilizada no preenchimento de um molde de cera perdida, desde ligas de ouro ou prata na produção de joias, até titânio para partes de ônibus espaciais e satélites. Pode ser automatizado, reduzindo assim o custo e tempo de produção para lotes maiores. Necessidade mínima de usinagem. Peça fundida por molde de areia x Peça Fundida por Cera Perdida Desvantagens Porosidade: Devido a pouca permeabilidade do molde cerâmico, peças produzidas pelo processo de cera perdida frequentemente possuem porosidade e bolhas de gás, o que pode resultar em piores propriedades mecânicas e defeitos de aparência. Esses problemas podem ser amenizados com enchimentos a vácuo ou com o préaquecimento do molde, mas com o aumento significativo do custo de produção da peça. Limitações do Processo Peças produzidas por cera perdida são tipicamente limitadas a pesos até 30kg e tamanhos relativamente pequenos devido a natureza do molde, mas peças maiores podem ser produzidas excepcionalmente. Furos com diâmetros abaixo de 1,6mm e profundidade acima de 1,5 vezes o diâmetro também não são possíveis no processo convencional. Etapas do processo Etapas do processo A) Progetar o modelo; Criação do molde e Injeção de cera em matriz; B) Montagem da árvore de modelos de cera; C) Imersão da árvore em lama cerâmica de granulometria fina; D) Cobrimento por partículas refratárias finas, chamada de estucagem; E) Recobrimento sucessivo para formação de camada resistente a garantir rigidez para a casca F) Secagem da casca com modelo em ambiente controlado; G) Retirada da cera, chamada de deceragem, em temperaturas e pressões mais alta; H) Calcinação, que é a elevação da temperatura para introduzir resistência a casca e eliminar os resíduos de cera; I) Fusão do metal e vazamento do metal líquido; J) Quebra da casca cerâmica para acessar o metal solidificado; K) Acabamento das peças retiradas da árvore, agora de metal; L) Inspeção final; Maquina de injeção de cera, atua em pressões e temperaturas relativamentes baixa comparado ao plástico. Devido a limitações de estudo e o fenômeno complexo que a cera possui as dimensões da matriz são feito por tentativa e erro ate atingir a tolerância dimensional. Matriz PRODUÇÃO DO MODELO Ja a produção dos modelos, estes devem possuir a geometria exata da peça final, e a suas dimensões deve ser adicionada uma parcela que leva em conta a retração volumétrica do material do modelo e da solidificação do metal. O artigo “Propertiesof natural waxesused in dentistry” (CRAIG, R. G. et al.), publicado no Journalof Dental Research, em 1965 são expostas extensas investigações com diferentes ceras, e foi concluído que o modelo de cera final deve possuir as propriedades listadas a seguir: 1. Possuir o menor coeficiente de expansão térmica possível, para produzir peças com tolerâncias dimensionais estreitas, 2. O ponto de fusão não deve ser muito maior que a temperatura ambiente, para evitar distorções em seções espessas, 3. Possuir resistência mecânica à temperatura ambiente suficiente para ser manuseado sem danos, 4. Possuir bom acabamento superficial, para que o mesmo ocorra na peça a ser produzida, 5. Ter baixa viscosidade para preencher áreas pequenas quando derretida, 6. Ser de fácil remoção do molde após solidificação, 7. Não produzir materiais tóxicos quando aquecido. SR: acabamento superficial CTE: coeficiente té rmico de dilatação experimentos sobre propriedades da cera de acordo com aditivo alta qualidade (B140) cera de baixa qualidade (B97) com e sem aditivo Confecção de árvore de modelos Confecção de árvore de modelos Prototipagem de Congelamento Rápido Mesmo com misturas de ceras e aditivos, o uso de cera para a produção de modelos ainda possui alguns dificuldades: retração térmica do modelo, fratura do molde de cerâmica durante a deceragem, entre outros. Sendo assim, foi desenvolvido um outro método de produção de modelos. Denominado Rapid Freeze Prototyping, o processo consiste em produzir modelos de gelo, a partir de matrizes de silicone. Esse metodo tem a vantagem de produzir modelos diretamente a partir de modelos tridimensionais de programas CAD, depositando água camada por camada. Mais limpo do que as outras técnicas alternativas. A água também está facilme nte disponível e barata de usar. O RFP também fornece um tempo de construção rápido, menos uso de energia, desprendimento limpo e simples do substrato e um acabamento superficial muito bom. Prototipagem de Congelamento Rápido Esquema RFP REVESTIMENTO CERÂMICO A próxima etapa da fundição é constituir o revestimento de material cerâmico. O modelo ou árvore de modelos é primeiramente limpa e seca para eliminar qualquer contaminante da superfície do modelo, garantindo aderência do revestimento cerâmico à cera. O modelo é então mergulhado numa espécie de lama cerâmica e passado por um banho de areia cerâmica. Estes passos podem ser repetidos diversas vezes, até que se forme uma camada com espessura adequada às dimensões do molde e à liga metálica utilizada Modelo sendo mergulhado em mistura cerâmica REVESTIMENTO CERÂMICO Para garantir sucesso na produção da peça, o molde cerâmico (resultado dos processos de revestimento cerâmico e deceragem) deve atingir certos requerimentos: 1. Resistência mecânica para não fragmentar durante o manuseio deceragem e suportar o peso do metal líquido, 2. Alta resistência ao choque térmico, presente na fase de vazamento do metal líquido para dentro do molde, 3. Alta estabilidade química, para evitar reações com o metal líquido, o que comprometeria a peça, 4. Permeabilidade suficiente, para auxiliar que os gases escapem durante o vazamento e solidificação do metal, 5. Condutividade térmica adequada à microestrutura desejada do metal. Para atingir tais requisitos, é importante adequar a composição da mistura cerâmica. Seus componentes principais são areia de sílica, silicatos de alumínio, e zircônia, além de aglomerantes como sílica coloidal e outros ingredientes para dar fluidez (no caso da mistura onde se mergulha os modelos). REVESTIMENTO CERÂMICO Outro fator a ser considerado na escolha da composição e espessura do revestimento é a composição da liga metálica a ser utilizada. Ligas de alumínio, por exemplo, possuem baixa densidade e baixa temperatura de vazamento (devido ao seu baixo ponto de fusão se comparado a outros metais), portanto não exigeuma parede muito espessa do revestimento. Já no caso de superligas, o principal problema é alta reatividade dos componentes dessas ligas com os materiais cerâmicos do revestimento. Apesar de existirem pesquisas recentes a respeito, essa continua a ser a maior barreira para a produção de peças de superligas por fundição de precisão. Arvore com as camadas adequedas em mistura cerâmica DECERAGEM Nesta etapa da fundição é almejada a retirada da cera (ou material constituinte do modelo) do conjunto modelo-revestimento, tendo como produto final uma casca de material cerâmico que será o molde para vazamento do metal líquido. A cera é coletada e posteriormente tratada para remover impurezas, podendo assim ser reutilizada na fabricação de mais modelos. O método mais comum utilizado para a retirada da cera é o aquecimento em autoclaves, fazendo com que a cera derretida deixe o molde por ação da gravidade. Uma autoclave industrial é uma câmara na qual é injetado vapor de água a altas temperaturas. Modelos menores são utilizados regularmente para esterilização de equipamentos médicos. O método tem dois principais problemas: a cera nem sempre é completamente retirada do molde, e a cera coletada contém impurezas provenientes do vapor da autoclave. Autoclave para deceragem VAZAMENTO DO METAL E SOLIDIFICAÇÃO Após a deceragem, o molde cerâmico é aquecido a temperaturas que variam entre 870°C e 1100°C. Além de remover umidade ou cera residual, esse aquecimento, também conhecido como calcinação, induz a formação de correntes de convecção de dentro para fora do molde, o que evita a presença de gases no momento do vazamento e consequentemente a formação de bolhas e poros no produto final. Calcinação de moldes VAZAMENTO DO METAL E SOLIDIFICAÇÃO A liga metálica em estado líquido é então vazada para dentro do molde. Devido à temperatura do metal e do molde, normalmente a ação da gravidade e o posicionamento dos canais auxiliares e de alimentação é suficiente para garantir o preenchimento de todo o molde. No entanto, em alguns casos onde se encontram paredes muito finas ou regiões de difícil acesso na peça são utilizados outros métodos para o vazamento do metal, como centrifugação ou pressão. Vazamento de metal líquido VAZAMENTO DO METAL E SOLIDIFICAÇÃO Parâmetros como temperatura do metal fundido e ângulo de vazamento devem ser dimensionados a fim de obstar erosão e falha do molde, além de garantir regime não turbulento. Após o vazamento, o metal passa por um processo de solidificação. Aqui é importante notar que existe controle sobre a taxa de resfriamento, uma vez que esta definirá a microestrutura do material, fator de extrema importância que tem influência nas propriedades mecânicas da peça. Por isso, são dimensionados temperatura do metal no vazamento, temperatura do local onde será resfriado, espessura da parede do molde, entre outros. DESMOLDAGEM E ACABAMENTO Feito o resfriamento do metal, o conjunto de metal e molde cerâmico passa pela desmoldagem. Essa etapa consiste em separar a peça da parte cerâmica, e normalmente são utilizados jatos de alta pressão, vibrações mecânicas ou banhos químicos. Desmoldagem por vibração DESMOLDAGEM E ACABAMENTO O processo normalmente é longo e de custo considerável, pois dióxido de silício se transforma em β-cristobalita quando atinge 1000°C, foram desenvolvidos métodos para facilitar a remoção do molde: adição de sal alcalino na composição do molde e hidratação do molde antes da desmoldagem Depois de retirado o molde cerâmico, as peças passam por acabamento, no qual são retirados os canais de alimentação e auxiliares com ferramentas de corte (que podem ser posteriormente reciclados) e a superfície resultante do corte passa por máquinas de abrasão para dar o acabamento desejado APLICAÇÕES O processo de fundição de precisão tem uma enorme gama de aplicações, de forma que atinge quase qualquer setor industrial tecnológico em algum ponto, exemplos: Comparação modelo-peçaÁrvore de peças de joalheria Peças automotivas Implantes dentários Tabela de comparação de processos de fundição N o r m a s ABNT NBR 15990 – PEÇAS FUNDIDAS PELO PROCESSO DE MICROFUSÃO – REQUISITOS DE FABRICAÇÃO, CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES Nesta norma é especificado como as peças produzidas pela microfusão devem ser caracterizadas, atendendo requisitos de qualidade e garantindo ao cliente funcionalidade e mínimo custo. A norma emprega requisitos que devem ser seguidos, são eles (ABNT, 2011): ● Requisitos de fabricação; ● Qualidade metalúrgica; ● Sanidade interna; ● Qualidade superficial; ● Desempenho funcional; É utilizado como referência documentos para o cumprimento da norma (ABNT, 2011): ● ASTM A 703, especificação padrão de fundidos de aço, requisitos gerais de peças contendo pressão; ● ASTM A 985/A, especificação padrão para aço microfundido, requisitos gerais de peças contendo pressão; Seguindo essas diretrizes pode-se então desenvolver de forma íntegra o projeto da matriz de injeção de cera. Microestrutura da Ceramica Aglomerantes Agentes de Molhamento Água Refratários Agentes de Molhamento Aglomerantes A primeira camada fina de material cerâmico, forma a face interna do molde e reproduz todos os detalhes do modelo, incluindo sua superfície plana. Ela contém, também, o agente aglomerante que propicia a resistência da estrutura. Refratários Sílica coloidal / Silicato de etila Geralmente, as primeiras lamas contém pó de refratário mais fino e as partículas de estucagem da primeira camada também são mais finas que as camadas de reforço. Estas características proporcionam um molde com superfície interna muito lisa, capaz de resistir à penetração do metal Antiespumantes Os antiespumantes são adicionados geralmente na primeira lama para eliminar o ar que tenha ficado retido, seja durante a operação de mistura dentro dos tanques de lama ou proveniente do próprio refratário Água n-octyl alcohol e 2-ethyl hexyl alcohol. As concentrações variam de 0,002 a 0,10% (peso do líquido) (Horton, A.H., 1998, Ceramic Testing Guide book, 1979) Água com alta dureza é indesejável já que cálcio e magnésio em pequenos teores desestabilizam a sílica coloida Microestrutura dos Refratários Os refratários apresentam grãos grosseiros e elevada porosidade em relação aos cerâmicos. Propriedades desejadas Permeabilidade Resistência mecânica Se a casca for permeável demais, a sua resistência e estabilidade dimensionais poderão ser sacrificadas, porém a baixa permeabilidade pode provocar defeitos como: Junta (ou gota) fria, gases, ar retido e preenchimento incompleto (classificação conforme Investment Casting Institute – ICI, citado por Hendricks, 1990). Permeabilidade São agentes que refinam o tamanho de grão na superfície da peça metálica Óxido de Cobalto Silicato de Cobalto Aluminato de Cobalto Nucleantes Geralmente, as primeiras lamas contém pó de refratário mais fino e as partículas de estucagem da primeira camada também são mais finas que as camadas de reforço. Estas características proporcionam um molde com superfície interna muito lisa, capaz de resistir à penetração do metal. As camadas subseqüentes (de reforço), devem promover elevada resistência e espessura mínima necessária. O número de camadas necessário está relacionado com o tamanho do cacho e o metal a ser vazado e pode variar de 5 a mais de 15 camadas. Para a maioria das aplicações, este número situase entre 6 a 9 (Horton, A.H., 1998). Os materiais utilizados nessa etapa suportam o metal fundido a altas temperaturas (em geral cerca de 1650o C) e são totalmente inertes, para evitar reações metal-molde. Entre cada camada, as lamas endurecem por secagem e gelificação. O método mais comum de secagem é a circulação de ar com temperatura e umidade controladas. Os agentes de molhamento, também denominados surfactantes, reduzem a tensão superficial da lama e permitem que esta “molhe” os cachos de cera mais facilmente. Estes agentes devemser escolhidos segundo os critérios de compatibilidade com o aglomerante e de tendência a formar espumas no topo da lama São agentes que refinam o tamanho de grão na superfície da peça metálica Óxido de Cobalto Silicato de Cobalto Aluminato de Cobalto Nucleantes Cesar, R. Para verificar a influencia foram realizados 24 ensaios de tração e analisados 48 componentes e os corpos de prova de tração utilizando a técnica de metalografia ótica. Os resultados experimentais mostram um acréscimo nos valores de resistencia mecânica e percentual de alongamento e a redução no espaçamento dendrítico e ocorrencia no modo de falha porosidade no componente. Influência da adição de aluminato de cobalto na lama de zirconita do processo de fundição de precisão (Mestrado em Engenharia) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre p.7, 2011 Imagem 100x de amostra ceramica sem Aluminato de Cobalto Imagem 100x de amostra ceramica com Aluminato de Cobalto Estudo indicou: Redução da porosidade da superficie da peça(MPa) Aumento de tensão de escoamento (MPa) Aumento de Resistencia mecanica(MPa) Aumento de Tenacidade (J/m³) Referências http://www2.uesb.br/biblioteca/wp-content/uploads/2016/05/NBR-10520-CITA%C3%87%C3%95ES.pdf https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0166361502000428 https://ebrary.net/158136/engineering/rapid_freeze_prototyping https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010170021212&id=010170021212#.ZGSibHbMJPZ https://www.google.com/search?q=Investment+Casting+Process+equip&tbm=isch&hl=pt- BR&chips=q:investment+casting+process+equip,online_chips:casting+machine:HHn0DZVjDc0%3D,online_chips:injection+machine:1V1kvdRhIKM%3D&sa=X&v ed=2ahUKEwiJ642O6Pv-AhWpiJUCHR_jD7UQ4lYoBHoECAEQMQ&biw=1519&bih=754 https://www.qualitycastingswi.com/investment-casting-news/precisionHistory https://www.youtube.com/watch?v=Hl1sqwTkOG8 https://www.youtube.com/watch?v=lcsEk-24YB8 https://www.thomasnet.com/articles/custom-manufacturing-fabricating/investment-casting/ https://omnidexmining.com/pt-br/fundicao-por-cera-perdida/ http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/bitstream/1/31293/1/projetomatrizinjecaocera.pdf http://www2.uesb.br/biblioteca/wp-content/uploads/2016/05/NBR-10520-CITA%C3%87%C3%95ES.pdf https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0166361502000428 https://ebrary.net/158136/engineering/rapid_freeze_prototyping https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010170021212&id=010170021212#.ZGSibHbMJPZ https://www.google.com/search?q=Investment+Casting+Process+equip&tbm=isch&hl=pt-BR&chips=q:investment+casting+process+equip,online_chips:casting+machine:HHn0DZVjDc0%3D,online_chips:injection+machine:1V1kvdRhIKM%3D&sa=X&ved=2ahUKEwiJ642O6Pv-AhWpiJUCHR_jD7UQ4lYoBHoECAEQMQ&biw=1519&bih=754 https://www.qualitycastingswi.com/investment-casting-news/precisionHistory https://www.youtube.com/watch?v=Hl1sqwTkOG8 https://www.youtube.com/watch?v=lcsEk-24YB8 https://www.thomasnet.com/articles/custom-manufacturing-fabricating/investment-casting/ https://omnidexmining.com/pt-br/fundicao-por-cera-perdida/ http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/bitstream/1/31293/1/projetomatrizinjecaocera.pdf
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