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Processo de Fabricação II Material Teórico Responsável pelo Conteúdo: Prof. Me. Lincoln Nascimento Ribeiro Revisão Textual: Prof.ª Dr.ª Selma Aparecida Cesarin Processos de Conformação dos Materiais • Introdução; • Processos de Fundição; • Processos de Injeção de Plásticos; • Processos de Conformação Mecânica. • Apresentar os principais Processos de conformação dos materiais, incluindo os Processos de fundição, injeção de plásticos e Conformação Mecânica. OBJETIVO DE APRENDIZADO Processos de Conformação dos Materiais Orientações de estudo Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem aproveitado e haja maior aplicabilidade na sua formação acadêmica e atuação profissional, siga algumas recomendações básicas: Assim: Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte da sua rotina. Por exemplo, você poderá determinar um dia e horário fixos como seu “momento do estudo”; Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo; No material de cada Unidade, há leituras indicadas e, entre elas, artigos científicos, livros, vídeos e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade. Além disso, você tam- bém encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar, que ampliarão sua interpretação e auxiliarão no pleno entendimento dos temas abordados; Após o contato com o conteúdo proposto, participe dos debates mediados em fóruns de discus- são, pois irão auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento, além de propiciar o contato com seus colegas e tutores, o que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e de aprendizagem. Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Determine um horário fixo para estudar. Aproveite as indicações de Material Complementar. Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma Não se esqueça de se alimentar e de se manter hidratado. Aproveite as Conserve seu material e local de estudos sempre organizados. Procure manter contato com seus colegas e tutores para trocar ideias! Isso amplia a aprendizagem. Seja original! Nunca plagie trabalhos. UNIDADE Processos de Conformação dos Materiais Introdução Os Processos de fabricação que alteram a forma dos materiais são chamados de Processos de Conformação dos Materiais, e podem ser classificados em 3 tipos principais: • Processos de Fundição; • Processos de Injeção de Plásticos; • Processos de Conformação Mecânica; • A seguir, serão apresentados os Processos de Conformação dos Materiais. Processos de Fundição Os Processos de Fundição são Processos de Conformação de Metais nos quais a alteração do formato do metal é realizada por meio da fusão (derretimento) do material. De acordo com o Processo de colocação do material fundido (derretido) dentro do molde (que é uma espécie de forma) de fundição, o Processo de Fundição pode ser classificado em 2 tipos: • Processo de Fundição por Gravidade; • Processo de Fundição por Pressão. Quais produtos ou peças podem ser fabricados por meio dos Processos de fundição? Ex pl or Os principais tipos de produtos elegíveis para serem fabricados por Processos de Fundição são peças com formato complexo, que demandariam muitas horas de Usinagem. Um exemplo de peça fabricada pelo Processo de Fundição é o cilindro de um motor de uma motocicleta, que pode ser visualizado na Figura 1. Figura 1 – Cilindro de um motor de motocicleta Fonte: Getty Images 8 9 Ao analisar a Figura 1, é possível visualizar aletas planas que servem para a refrigeração do motor, e diversos furos. Se esse cilindro fosse fabricado pelo Processo de Usinagem, por exemplo, diversas horas seriam gastas em máquinas e equipamentos, aumentando os custos de fabricação. Processo de Fundição por Gravidade No Processo de Fundição por Gravidade, é realizado o vazamento (derramamento) do material fundido (derretido) dentro do molde, normalmente, pela parte superior, de forma a utilizar a força e a aceleração da gravidade, para que o material fundido escoe para a cavidade do molde. Para executar um Processo de Fundição por gravidade, são necessárias as eta- pas a seguir: • O material deve ser aquecido em um forno, que é chamado de forno de fusão, de forma a fundir (derreter) o material; • O material fundido deve ser vazado (derramado) dentro da cavidade do molde (forma), que contém internamente o formato da peça a ser produzida, que será obtida após o resfriamento do material; • Deve-se, então, esperar que ocorra o resfriamento do material fundido que foi vazado (derramado) dentro do molde; • O molde de fundição deve ser aberto; • A peça fundida deve, então, ser retirada do molde. Na Figura 2, é possível visualizar, de forma detalhada, as etapas do Processo de Fundição por Gravidade. Figura 2 – Ilustração das etapas de um Processo de Fundição por Gravidade 9 UNIDADE Processos de Conformação dos Materiais O Processo de Fundição por Gravidade deve ser classificado em 2 tipos, de acor- do o tipo de molde: • Fundição em Molde Permanente; • Fundição em Molde Não Permanente. O que seria um molde permanente? E um molde não permanente? Ex pl or Para que um molde de fundição seja considerado um molde permanente, esse molde deve ser construído utilizando um material que tenha o ponto de fusão maior do que o ponto de fusão do material a ser fundido nesse molde. Isso permite que esse molde venha a ser reutilizado diversas vezes, para fabricar o mesmo produto, bastando para isso a retirada de dentro do molde da peça fundida após o resfriamento e repetir o vazamento de novo material fundido dentro do molde. O molde permanente utilizado para a fundição por gravidade é conhecido, tam- bém, como coquilha de fundição. Normalmente, utiliza-se um reservatório, conhecido como “cadinho”, para reti- rar material fundido do forno de “espera” e vazar esse material fundido no molde permanente, conforme pode ser visualizado na Figura 3. Figura 3 – Vazamento de material fundido por gravidade em um molde permanente Fonte: Getty Images Conforme dito, a Fundição por Gravidade também pode ser realizada em um molde não permanente. Nesse tipo de fundição, o molde é temporário e deve ser refeito a cada fabricação de um novo produto. O molde não permanente é feito de um tipo de areia especial umedecida. São os chamados moldes não permanentes de areia. 10 11 Para que o molde de areia fique com o formato do produto, é necessário que seja utilizado um modelo de resina epóxi ou madeira. Esse modelo possui o forma- to do produto. Sendo assim, esse modelo é pressionado contra o molde de areia. O resultado é o formato da peça a ser fundida que fica impresso na areia. Para que a areia não perca o formato, ela é colocada em uma caixa metálica. Em seguida, o material fundido é colocado dentro do molde. Depois de aguardar o res- friamento do material fundido, essa caixa é, então, aberta e a peça fundida é retirada do molde. Para que ocorra essa retirada, é necessário desfazer-se o molde; porém a areia pode ser reaproveitada para que seja construído um novo molde. Na Figura 4, é possível visualizar a colocação de material fundido dentro de moldes de areia. Veja que essa areia está contida em caixa, conforme explicado. Figura 4 – Exemplo de colocação de material fundido em moldes de areia Fonte: Getty Images Processo de Fundição por Pressão O Processo de Fundição por Pressão é caracterizado pela injeção em alta pressão do metal fundido dentro de ummolde permanente, utilizando uma máquina conhe- cida como Máquina Injetora. Como o vazamento do material dentro do molde é realizado através da injeção em alta pressão, esse Processo de Fundição é muito mais veloz do que o Processo de Fundição por Gravidade, no qual o material é colocado (vazado) manualmente dentro molde. Essa é a principal vantagem desse Processo de Fundição. Porém essa alta velocidade de colocação do material fundido dentro do molde pode ocasionar a presença de turbulências durante o escoamento do material para dentro do molde. 11 UNIDADE Processos de Conformação dos Materiais Por esse motivo, é comum o aparecimento de porosidades (pequenos poros ou furos) dentro das paredes da peça fundida, o que, de certa forma, reduz a resistência mecânica da peça fabricada pelo Processo de Fundição sob pressão. Isso constitui sua principal desvantagem. Processos de Injeção de Plásticos Assim como os Processos de Fundição, os Processos de Injeção de Plásticos também fundem o material a ser conformado ou moldado por meio do derretimento (fusão) do material. Dessa forma, o Processo de Injeção Plástica é um Processo de derretimento (fusão) de material plástico (polímero) que é, então, injetado em alta pressão dentro de um molde, que possui uma cavidade com o formato da peça desejada. Trata-se, assim, de um Processo de Conformação de Plásticos. Assim como no Processo de Fundição por pressão, no Processo de Injeção Plástica, também é utilizada uma máquina injetora. Essa máquina é conhecida como Máquina Injetora de Plásticos. Para realizar um Processo de Injeção Plástica, devem ser seguidas as etapas a seguir: • Colocação de grãos da resina plástica no reservatório de abastecimento da máquina injetora; • Por meio de resistências elétricas, ocorre, então, o aquecimento dos grãos de resina plástica. Essa resina é derretida e levada até a entrada do molde de inje- ção, através de um parafuso (fuso); • A resina plástica fundida é, então, injetada no molde, que possui a cavidade com o formato da peça; • A etapa seguinte é o resfriamento da peça dentro do molde. Esse resfriamento pode ser acelerado por meio da passagem de água gelada dentro do molde em regiões próximas à cavidade que contém a peça que está resfriando. É possí- vel inclusive, programar na Máquina Injetora esse tempo de espera, para que ocorra o resfriamento; • A última etapa consiste na abertura do molde de injeção, no qual ocorre a extração do produto plástico fabricado. Essas etapas do Processo de Injeção Plástica podem ser visualizadas na Figura 5. Nesta Figura, estão identificadas, inclusive, as partes que compõem a Injetora e o molde de injeção plástica. 12 13 Figura 5 – Etapas do Processo de Injeção Plástica Fonte: Adaptado de Wikimedia Commons Na Figura 6 é possível visualizar, ainda, as principais partes de uma Máquina Injetora de Plásticos: Funil para abastecimento com plástico em grãos Painel de Comando Parafuso por onde escoa o plástico fundido Local onde fica o molde de injeção plástica Figura 6 – Partes de uma Máquina Injetora de Plásticos Fonte: Adaptado de Getty Images Existem formatos diferentes para os grãos de resinas utilizados para injeção plástica? Ex pl or Existem diversos formatos para os grãos de resina plástica utilizados no Processo de Injeção Plástica. Normalmente, esses grãos possuem o formato de esferas ou, ainda, de pequenos cilindros. 13 UNIDADE Processos de Conformação dos Materiais Esses grãos podem ser apresentados em diversas cores, conforme ilustrado na Figura 7: Figura 7 – Resinas plásticas coloridas Fonte: Getty Images A variedade de formatos de produtos que podem ser produzidos pelo Processo de Injeção Plástica é imensa. Podem ser fabricados produtos que seriam extrema- mente caros se fossem fabricados por meio de um Processo de Usinagem. Na Figura 8, têm-se um exemplo de um produto com formato relativamente complexo (verde), que acaba de ser produzido e está sendo extraído de um molde de injeção plástica. Figura 8 – Produto sendo extraído de um molde de injeção plástica Fonte: Getty Images 14 15 Processos de Conformação Mecânica Os Processos de Conformação de Materiais, nos quais ocorre a necessidade de aplicar um esforço mecânico, como tração ou compressão, por exemplo, para que ocorra a alteração no formato de um material metálico, são chamados de Processos de Conformação Mecânica. De forma a facilitar o estudo dos Processos de Conformação Mecânica, eles serão classificados em 5 tipos principais: • Laminação; • Extrusão; • Trefilação; • Forjamento; • Estampagem. Esses 5 tipos de Processos de Conformação Mecânica serão apresentados a seguir. Laminação O Processo de Laminação consiste em um Processo de Conformação Mecânica no qual um metal é forçado a passar entre 2 cilindros paralelos que giram em sen- tidos opostos, de tal forma que ocorra a redução da espessura desse metal. Esses 2 cilindros são chamados de Cilindros de Laminação. Normalmente, num Processo de laminação, esses pares de cilindros são colocados um após o outro, em sequência, sendo que a distância entre cada par de cilindros vai se reduzindo, de forma a permitir a redução da espessura do material em etapas. Acompanhada da redução da espessura do metal, ocorre também o aumento na sua largura e/ou comprimento. Sendo assim, uma das indicações do Processo de Laminação é a fabricação de chapas. Normalmente, o metal que foi produzido anteriormente e que agora sofrerá o Processo de Laminação é colocado nos rolos de laminação em um formato conhecido como lingote. Ex pl or É possível visualizar, na Figura 9, uma sequência de rolos laminadores que são utilizados para a fabricação de chapas. 15 UNIDADE Processos de Conformação dos Materiais Figura 9 – Sequência de rolos laminadores Fonte: Getty Images De acordo com a espessura desejada, ou o material a ser processado, a lamina- ção pode ocorrer “a frio” ou “a quente”. Na laminação a quente, o metal é aquecido antes de ser submetido ao Processo de Laminação. Além da fabricação de chapas, o Processo de Laminação pode ser utilizado para fabricar barras cilíndricas, vigas I, Vigas H e Vigas U, entre outros formatos. Para esses casos, torna-se necessária a alteração no formato dos rolos laminadores. É possível visualizar, na Figura 10, uma viga metálica com seção em formato de “I”, que pode ser fabricada utilizando rolos laminadores em um Processo de Laminação. Figura 10 – Viga metálica em formato de “I” Fonte: pixabay 16 17 Extrusão O Processo de Extrusão consiste em um Processo de Conformação Mecânica, no qual é aplicada uma força em um corpo de material metálico, de tal forma que esse corpo seja empurrado para que passe através de um furo fabricado em mate- rial resistente e que possui o formato do produto que se deseja fabricar. Matriz de Extrusão é o nome que se dá ao dispositivo que contém o furo com o formato do produto que se deseja fabricar. O dispositivo utilizado para empurrar o metal a ser conformado através da Matriz de Extrusão é chamado de punção. Dependendo do formato do produto a ser fabricado e do material metálico a ser conformado, o Processo de Extrusão de um metal pode ocorrer “a frio” ou “a quente”. Materiais com maior resistência mecânica, preferencialmente, devem ser extrudados a quente. É possível visualizar, na Figura 11, um corpo de metal em formato cilíndrico, que foi aquecido, e a punção da máquina extrusora que empurrará esse metal a passar pelo furo da Matriz de Extrusão. Punção Matriz de extrusão Corpo a ser extrudado Figura 11 – Processo de Extrusão a quente Fonte: Adaptado de Getty Images Uma das vantagens do Processo de Extrusão de metais é que é possível fabricar produtoscom os mais diversos formatos de seção transversal, conforme os exem- plos apresentados na Figura 12. Nesta Figura, é possível visualizar diversas barras de alumínio com formatos es- peciais, que são utilizados em estruturas de máquinas e que podem ser produzidos pelo Processo de Extrusão. Para obter esses formatos, basta alterar o formato do furo da Matriz de Extrusão. 17 UNIDADE Processos de Conformação dos Materiais Figura 12 – Barras de alumínio de formatos especiais fabricadas pelo Processo de Extrusão Fonte: Getty Images Trefilação O Processo de Trefilação consiste em um Processo de Conformação Mecânica, no qual é aplicada uma força em um corpo cilíndrico de material metálico, de tal forma que esse corpo seja puxado para que passe através de um furo fabricado em material resistente e que possui o diâmetro menor do que o diâmetro do corpo cilíndrico inicial. Matriz de Trefilação, ou Trefila, é o nome que se dá ao dispositivo que contém o furo com o formato do produto que se deseja fabricar. Dependendo do diâmetro final do produto a ser fabricado e do material metálico a ser conformado, o Processo de Trefilação de um metal pode ocorrer “a frio” ou “a quente”. Materiais com maior resistência mecânica, preferencialmente, devem ser trefilados a quente. Normalmente, num Processo de Trefilação, Matrizes de Trefilação são colocadas uma depois da outra, em sequência, sendo que o diâmetro de cada matriz vai se reduzindo, de forma a permitir a redução do diâmetro do material em etapas. Acompanhando a redução do diâmetro do metal, ocorre, também, o aumento no seu comprimento. Sendo assim, a principal indicação do Processo de Trefilação é a fabricação de fios e arames de materiais metálicos. 18 19 Na Figura 13, é possível visualizar um exemplo de Processo de Trefilação, no qual um fio passa por Matrizes de Trefilação: Figura 13 – Exemplo de Processo de Trefi lação Fonte: Getty Images Processo de Forjamento O Processo de Forjamento consiste num Processo de Conformação Mecânica, no qual são aplicadas “marteladas” em um corpo de material metálico, de tal forma que esse corpo seja conformado e apresente um aumento em sua resistência mecânica. Esse aumento na resistência mecânica ocorre devido à compactação do mate- rial, causada pelo Processo de Martelamento. Esse Martelamento pode ser realizado com a utilização de máquinas específicas para esse fim, como as prensas ou, ainda, com a utilização de um martelo num processo manual. Esse processo é largamente utilizado para conformação e pelo aumento da re- sistência mecânica de ferramentas de corte, como facas, espadas, enxadas etc. ou, ainda, para elementos de fixação, como parafusos, porcas e arruelas. Eixos e outros componentes de transmissão também podem ser fabricados utilizando o Forjamento. Uma lança de corte fabricada artesanalmente pode ter sua ponta de corte con- formada por um Forjamento a quente, conforme ilustrado na Figura 14: 19 UNIDADE Processos de Conformação dos Materiais Figura 14 – Processo de Forjamento a quente de uma lança por meio do Martelamento dessa lança Fonte: Getty Images Caso se deseje forjar uma cabeça de parafuso, por exemplo, é possível que o martelo possua uma cavidade (molde) com o formato da cabeça do parafuso, que é colocado numa prensa. Ao se pressionar esse molde sobre um corpo cilíndrico, é possível conformar-se a cabeça do parafuso, conforme exemplo ilustrado na Figura 15. Figura 15 – Cabeças de parafusos formadas por um Processo de Forjamento a quente Fonte: Getty Images 20 21 Processo de Estampagem O Processo de Estampagem consiste em um Processo de Conformação Mecâ- nica que utiliza uma prensa, na qual é montado um molde que tem o formato do produto, que é pressionado sobre uma chapa, que adquire o formato desse molde. O molde utilizado no Processo de Estampagem é chamado de Estampo. O Processo de Estampagem sempre deve ocorrer a frio. O material do es- tampo possui maior resistência mecânica do que o material metálico da chapa a ser conformada. Existem 3 tipos de Processos de Estampagem: • Estampagem de corte: nesse processo, ocorre somente o corte da chapa, de acordo com o formato desejado; • Estampagem de dobra: nesse processo, ocorre somente a dobragem da chapa, de acordo com o formato desejado; • Estampagem de repuxo: nesse processo, ocorre somente o esticamento da chapa, de acordo com o formato desejado. Existem estampos que podem combinar 2 ou até 3 Processos de Estampa- gem, simultaneamente. Na Figura 16, é possível visualizar uma porta de automóvel que foi fabricada utilizando Estampagem por Corte, Dobra e Repuxo: Figura 16 – Porta de automóvel fabricada por Estampagem Fonte: Getty Images 21 UNIDADE Processos de Conformação dos Materiais O Processo de Estampagem é constituído pelas seguintes etapas: • Colocação da chapa metálica no molde; • Acionamento da prensa, que pressiona o estampo contra a chapa; • Retirada da peça produzida pelo Processo de Estampagem. Existem 3 tipos de prensas que podem ser utilizadas num Processo de Estampagem: • Prensas manuais: o acionamento do martelo é feito por uma manivela, que é movimentada por um operador; • Prensas excêntricas: o acionamento do martelo é feito pelo acoplamento de um sistema biela manivela, num motor. Na Figura 17, é possível visualizar uma prensa hidráulica; • Prensas hidráulicas: o acionamento do martelo é feito por um ou mais cilin- dros hidráulicos. Na Figura 17, é possível visualizar uma prensa hidráulica. Martelo da Prensa Estampo Figura 17 – Exemplo de Prensa Hidráulica Fonte: Adaptado de Getty Images 22 23 Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade: Livros Design Industrial: Materiais e Processos de Fabricação LESKO, J. Design Industrial: Materiais e Processos de Fabricação. São Paulo: Blucher, 2004. Leia o capítulo 4 (p. 31-68) da obra do autor Jim Lesko, intitulada Design Industrial: Materiais e Processos de Fabricação, disponível na Biblioteca Virtual da Universidade, no item “E-books – Minha Biblioteca”. Nesse texto, serão apresentados com mais detalhes os Processos de conformação dos materiais. Ciência dos Materiais SHACKELFORD, J. F. Ciência dos Materiais. 6.ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008. Leia também o capítulo 6 (p. 120-60) da obra de James F. Shackelford, intitulada Ciência dos Materiais, disponível na Biblioteca Virtual da Universidade, no item “E-books – Bib. Virtual Universitária”. Nesse texto, será apresentado o comportamento mecânico dos materiais. Vídeos Introdução aos Processos de Fabricação – Processos de Fabricação – Telecurso Profissionalizante https://youtu.be/TMcmbOrX2iA Telecurso 2000 - Processos de Fabricacao – Fundicao: Um Bom Começo https://youtu.be/ZO3o8UGgk8c 23 UNIDADE Processos de Conformação dos Materiais Referências ASKELAND, D. R.; WRIGHT, W. J. Ciência e Engenharia dos materiais. 3.ed. São Paulo: Cengage Learning, 2014. CALLISTER JR. W. D.; RETHVISCH, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução. 9.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018. LESKO, J. Design Industrial: Materiais e Processos de Fabricação. São Paulo: Blucher, 2004. SHACKELFORD, J. F. Ciência dos Materiais. 6.ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008. SMITH, W. F.; HASHEMI, J. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais. 5.ed. Porto Alegre: AMGH, 2012. 24