Fundição sob Pressão Explicada: Precisão, Eficiência e Benefícios de Produção

De blocos de motor a maçanetas de porta, a fundição sob pressão (die casting) é uma técnica de produção de metal rápida, precisa e repetível, adequada para peças grandes ou pequenas. Peças de fundição sob pressão têm um excelente acabamento superficial, e o processo é compatível com uma gama de metais não ferrosos.

Devido aos altos custos iniciais associados à fundição sob pressão, o processo é tipicamente usado para produção de alto volume, onde a escala de manufatura compensa os altos custos de maquinário e ferramental. Protótipos de fundição sob pressão e produções de baixo volume são mais difíceis de obter, pois é do interesse econômico das empresas de fundição sob pressão trabalhar com clientes fazendo pedidos em massa. No entanto, a 3ERP atualmente fornece uma solução única de fundição sob pressão para clientes que desejam fazer pedidos menores de fundição sob pressão.

Este artigo analisa em profundidade a fundição sob pressão de metal, explicando os materiais adequados, acabamentos superficiais e aplicações para o processo.

O que é fundição sob pressão?

Fundição sob pressão é um tipo de fundição de metal que usa alta pressão para forçar metal fundido em uma cavidade de molde formada por duas matrizes (dies). Compartilha características com o processo de manufatura plástico de moldagem por injeção.

Dentro do panorama maior de fundição de metal, a fundição sob pressão é uma das técnicas mais populares devido à sua precisão, alta qualidade e nível de detalhe. A categoria mais ampla de fundição de metal, que existe há milhares de anos, contém muitos processos diferentes que usam um molde para formar metal líquido. Historicamente, tal processo geralmente envolvia despejar o metal líquido no molde com a ajuda da gravidade — e muitos processos de fundição de metal ainda funcionam assim. A fundição sob pressão, no entanto, é uma forma relativamente nova de fundição de metal, introduzida no século 19, e usa pressão em vez de gravidade para preencher a cavidade do molde.

A fundição sob pressão é às vezes chamada de fundição sob alta pressão, devido à quantidade de pressão — tipicamente 10–140 megapascals — usada para forçar o metal na cavidade do molde. O processo relacionado de fundição sob baixa pressão (LPDC) é menos comum. A fundição sob pressão tipicamente se enquadra em uma de duas categorias: fundição de câmara quente (hot-chamber) e fundição de câmara fria (cold-chamber), que são adequadas para diferentes tipos de metal. No entanto, existem também outros tipos mais nicho de fundição sob pressão, como fundição de metal semi-sólido (SSM).

Como a fundição sob pressão funciona

Em termos simples, a fundição sob pressão de metal funciona usando alta pressão para forçar metal fundido em uma cavidade de molde, que é formada por duas matrizes de aço endurecido. Uma vez que a cavidade é preenchida, o metal fundido esfria e solidifica, e as matrizes se abrem para que as peças possam ser removidas. Na prática, no entanto, existem muitas etapas no processo, e engenheiros qualificados são necessários para operar equipamentos de fundição sob pressão.

Aqui dividiremos o processo de fundição sob pressão em três estágios:

1. Fabricação do molde (Moldmaking)
2. Fundição (Casting)
3. Pós-usinagem (Post-machining)

Como fazer um molde de fundição sob pressão

Um molde de fundição sob pressão consiste em pelo menos duas metades: o lado da tampa (montado em uma placa fixa) e o lado do ejetor (em uma placa móvel). Alguns matrizes também têm outras seções como deslizadores e núcleos, que são usados para produzir peças mais complexas, como aquelas com furos e roscas.

Dependendo do tamanho das peças fabricadas, um molde de fundição sob pressão pode ter múltiplas cavidades para permitir a produção de múltiplas peças por ciclo. Tais moldes ou têm várias cavidades idênticas (molde multi-cavidade) ou uma mistura de cavidades diferentes para produzir peças diferentes (molde unitário).

O ferramental para fundição sob pressão deve ser incrivelmente forte e termicamente resistente, além de ter boa resistência ao desgaste e ductilidade. Eles são, portanto, feitos de aços ferramenta endurecidos de alto desempenho — frequentemente tratados termicamente — permitindo que passem por centenas de ciclos de fundição por hora e até dois milhões de ciclos durante toda a sua vida útil. O ferramental de fundição sob pressão deve manter desempenho sob forças de fechamento muito altas.

Fazer um molde de fundição sob pressão começa com design assistido por computador (CAD) usado em conjunto com ferramentas de design e simulação específicas para fundição. Como com moldes de injeção, o ferramental para fundição sob pressão deve ter furos de alimentação (sprue), canais (runners) e pontos de injeção (gates) para permitir que o material fundido entre na cavidade. Pinos de travamento e pinos ejetores também devem ser incorporados para segurar o molde e facilitar a ejeção. O design digital do molde permite a criação de formas complexas e tolerâncias apertadas.

A usinagem CNC é amplamente usada para fabricar o ferramental de fundição sob pressão. Tipicamente, a fabricação do molde de fundição sob pressão começa com usinagem bruta da forma do molde, seguida por tratamento térmico do molde metálico, então finalmente uma rodada de usinagem de acabamento. Matrizes de grau de protótipo também podem ser feitas usando ferramental rápido (rapid tooling), usando usinagem CNC ou outros processos como sinterização seletiva a laser (SLS).

Como fundir peças metálicas

Similar à moldagem por injeção, após a fabricação do molde, as peças de fundição sob pressão podem ser feitas na máquina de fundição sob pressão. O processo de fundição sob pressão compreende quatro estágios principais: preparação, enchimento, ejeção e desbaste (shakeout).

No entanto, o processo de fundição varia ligeiramente dependendo se uma câmara quente ou câmara fria é usada. Estas duas variantes do processo de fundição sob alta pressão oferecem vantagens diferentes: uma é boa para fundição de alta velocidade, enquanto a outra acomoda uma variedade maior de materiais de fundição.

Fundição de câmara quente (Hot chamber die casting)

Durante a fundição de câmara quente, a máquina de fundição sob pressão contém o equipamento necessário para aquecer o metal a um estado fundido. Por ser um sistema autossuficiente, é muito mais rápido que a alternativa, oferecendo tempos de ciclo curtos, embora seja adequado apenas para uma seleção de materiais de fundição, incluindo ligas de zinco, estanho e chumbo.

Fundição de câmara fria (Cold chamber die casting)

O processo de fundição de câmara fria requer o uso de um forno separado para aquecer o metal. Isso naturalmente desacelera as taxas de produção, pois o metal fundido deve ser trazido à máquina de fundição sob pressão com uma concha. No entanto, como um forno separado é mais potente que uma máquina de fundição de câmara quente, metais com pontos de fusão altos podem ser fundidos. Este método é adequado para fundição de alumínio.

Independentemente de usar máquina de câmara quente ou fria, o processo de fundição sob pressão de metal tipicamente procede da seguinte forma:

1. Preparação do molde
2. Enchimento
3. Ejeção
4. Desbaste (Shakeout)

Durante a preparação do molde, as superfícies internas das duas metades da matriz são revestidas com lubrificante para facilitar a ejeção uma vez que as fundições estejam completas. As metades da matriz podem então ser fechadas e travadas com pinos de travamento.

O enchimento do molde é alcançado usando um sistema de pressão. Este sistema difere entre sistemas de câmara quente e fria. Em ambos, o resultado final é o metal fundido sendo forçado por um êmbolo na cavidade do molde via o canal de alimentação (sprue). Altas pressões — até 35 megapascals em câmara quente e 140 megapascals em câmara fria — garantem enchimento rápido e abrangente, o que por sua vez leva a resfriamento consistente que previne encolhimento desigual e consequente deformação da peça. A pressão é mantida durante o resfriamento.

As duas metades da matriz são abertas e os pinos ejetores são usados para remover as fundições. Tipicamente, as matrizes são imediatamente fechadas novamente prontas para a próxima injeção. Enquanto isso, as fundições finalizadas estão prontas para desbaste (shakeout), que envolve remover seções de sucata da injeção, como canais de alimentação, canais e rebarbas (vazamento de material na linha de separação). Esta remoção de material pode ser alcançada usando ferramentas manuais, tamboreamento ou com uma matriz de corte hidráulica.

Pós-usinagem

Muitas peças de fundição sob pressão de metal requerem operações secundárias mínimas. Isso se deve às altas pressões envolvidas, que permitem um alto nível de detalhe e bom acabamento superficial. No entanto, muitas fundições de forma líquida (net-shape) e quase forma líquida (near-net-shape) também requerem usinagem de precisão para furos, roscas e outras características. Alguns metais de fundição são mais fáceis de usinar que outros: fundição sob pressão de magnésio e alumínio, por exemplo, são altamente adequados para pós-usinagem.

Um benefício secundário da pós-usinagem de fundições é a capacidade de usar as capacidades de inspeção na máquina da máquina CNC, permitindo que o operador valide as peças.

Aplicações de fundição sob pressão

A fundição sob pressão é um processo poderoso e versátil adequado para uma gama de peças, de componentes de motor a carcaças de eletrônicos. Razões para a versatilidade da fundição sob pressão incluem sua grande área de construção, gama de opções de material e capacidade de fazer peças detalhadas, repetíveis, de paredes finas.

• Automotiva: Fundição sob pressão de alumínio é popular na indústria automotiva pois pode produzir componentes leves como cilindros hidráulicos, suportes de motor e caixas de câmbio. Fundição de zinco é adequada para componentes de combustível, freio e direção hidráulica, enquanto fundição de magnésio funciona para painéis e estruturas de assento.
• Aeroespacial: Como na indústria automotiva, fornecedores de peças aeroespaciais usam fundição de alumínio para fazer peças leves que exibem alto nível de resistência a calor e corrosão. Peças leves reduzem consumo de combustível.
• Energia: Peças de fundição sob pressão no setor de óleo e gás incluem válvulas, componentes de filtração e impulsores. Peças de energia renovável como pás de turbinas eólicas também podem ser fundidas sob pressão.
• Eletrônicos: Fundição sob pressão é prevalente em eletrônicos, pois é usada para itens como gabinetes, carcaças e conectores. Peças de fundição sob pressão também podem ser projetadas com dissipadores de calor incorporados, necessários para muitos dispositivos. Fundição de magnésio é popular para componentes de blindagem RFI EMI de paredes finas, enquanto fundição de alumínio para componentes de LED é ampla. (Fundição para carcaça de LED tipicamente usa uma liga como A383.)
• Construção: A indústria da construção usa fundição de alumínio para grandes estruturas como estruturas de edifícios e janelas.
• Engenharia: Equipamentos de elevação, ferramentas de máquina e outros equipamentos frequentemente contêm componentes fundidos sob pressão.
• Médica: Na saúde, a fundição sob pressão pode ser usada para componentes de dispositivos de monitoramento, sistemas de ultrassom e outros itens.

Materiais para fundição sob pressão

Fabricantes devem considerar certos fatores e variáveis ao escolher materiais de fundição sob pressão. Estes incluem:

• Se o material é adequado para fundição de câmara quente
• Custos do material
• Custos indiretos de materiais (ex: qualquer pós-processamento extra requerido)
• Propriedades estruturais do material
• Resistência
• Peso
• Acabamento superficial
• Usinabilidade

Todos esses fatores devem ser considerados ao escolher um material de fundição sob pressão para peças ou protótipos.

Ligas de alumínio para fundição sob pressão

Alumínio é um dos principais metais de fundição sob pressão, e ligas de alumínio são usadas em fundição de câmara fria. Estas ligas tipicamente contêm silício, cobre e magnésio.

Ligas de alumínio para fundição sob pressão são leves e oferecem boa estabilidade dimensional, o que as torna uma boa escolha para peças complexas e com características finas. Outras vantagens da fundição de alumínio incluem boa resistência à corrosão, resistência à temperatura e condutividade térmica e elétrica.

Ligas comuns de alumínio para fundição sob pressão incluem:

• 380: Uma liga de alumínio de uso geral que equilibra fundibilidade com boas propriedades mecânicas. É usada em uma variedade muito ampla de produtos, incluindo suportes de motor, móveis, gabinetes eletrônicos, estruturas, alças, caixas de câmbio e ferramentas elétricas.
• 390: Uma liga com excelente resistência ao desgaste e vibração. Foi desenvolvida especificamente para fundição sob pressão de blocos de motor automotivo e também é adequada para corpos de válvulas, impulsores e carcaças de bombas.
• 413: Uma liga de alumínio com excelentes propriedades de fundição. Tem boa estanqueidade à pressão e é portanto usada para produtos como cilindros hidráulicos, bem como peças arquitetônicas e equipamentos de indústria de alimentos e laticínios.
• 443: A mais dúctil das ligas de alumínio para fundição sob pressão, esta liga é adequada para bens de consumo, especialmente aqueles que requerem deformação plástica após a fundição.
• 518: Uma liga de alumínio dúctil com boa resistência à corrosão. É usada em uma variedade de produtos, incluindo ferragens de aeronaves, ferragens ornamentais e componentes de escadas rolantes.

Ligas de magnésio para fundição sob pressão

Magnésio é outro material de fundição sob pressão muito popular. É ainda mais leve que o alumínio, com a vantagem adicional de ser altamente usinável — tornando-o adequado para peças fundidas que requerem detalhes usinados adicionais ou acabamento superficial usinado.

Uma grande vantagem das ligas de magnésio para fundição sob pressão é sua adequação para fundição de câmara quente, tornando-as mais fáceis de usar que metais de fundição como alumínio. Outros elementos em ligas de magnésio incluem alumínio, zinco, manganês e silício.

Ligas comuns de magnésio para fundição sob pressão incluem:

• AZ91D: Uma liga de uso geral com boa fundibilidade, resistência à corrosão e relação resistência-peso. Aplicações incluem componentes mecânicos e de trem de força.
• AM60: Uma liga com boa fundibilidade, resistência, amortecimento de vibração e ductilidade. É usada em componentes automotivos como estruturas de assento e painéis.
• Ligas de terras raras AS41B e AE42: Ligas com resistência superior à temperatura, bem como boa resistência a fluência (creep), corrosão e ductilidade. Ambas as ligas são encontradas em peças de motor.

Ligas de zinco para fundição sob pressão

Outra categoria principal de metais de fundição sob pressão são ligas de zinco. Fundíveis em uma máquina de fundição de câmara quente, a fundição de zinco é a opção mais amigável ao fabricante e oferece outros benefícios como resistência ao impacto, ductilidade e adequação para revestimento. Devido à sua fundibilidade, também resulta em desgaste mínimo da matriz.

O zinco é mais pesado que alumínio e magnésio e é geralmente ligado com alumínio, cobre e magnésio.

Ligas comuns de zinco para fundição sob pressão incluem:

• Zamak 3: Uma liga de zinco de uso geral que é fácil de fundir e oferece excelente estabilidade dimensional. Na América do Norte, mais de dois terços das fundições de zinco usam Zamak 3. Usos exemplos incluem ventiladores de teto e componentes de encanamento.
• Zamak 2: Uma liga ligeiramente mais forte e mais cara com teor de cobre adicionado. Esta liga de fundição de zinco é frequentemente usada para produzir ferramental para moldagem por injeção de plástico.
• Zamak 5: Uma liga de zinco próxima em composição ao Zamak 3, mas com maior resistência à tração e menor ductilidade. Popular para produtos como peças automotivas e pesos de balanceamento de rodas.

Outras ligas de fundição sob pressão

Outros materiais de fundição sob pressão incluem cobre, tombac de silício, chumbo e ligas de estanho, além de ligas zinco-alumínio.

Ligas de cobre exibem alta resistência, dureza e resistência à corrosão, além de excelente estabilidade dimensional. Enquanto isso, ligas de chumbo e estanho são muito densas e podem ser resistentes à corrosão. Ligas zinco-alumínio são reconhecíveis pelo prefixo ZA; aquelas com menor teor de alumínio podem ser fundidas em câmara quente, mas aquelas com 11% ou mais tipicamente não podem.

Opções de acabamento para fundição sob pressão

Fundição sob alta pressão produz peças a um alto padrão, e opções de acabamento podem frequentemente ser mantidas no mínimo. No entanto, existem muitas opções de acabamento funcionais e cosméticos disponíveis para peças de fundição sob pressão.

Desbaste (Deburring)

Um procedimento padrão de acabamento é desbaste, que pode ser pensado como uma continuação do estágio de desbaste (shakeout). Desbaste envolve a remoção de imperfeições causadas pelo processo de manufatura e é implantado para normalizar a aparência e função da peça sem adicionar qualquer textura ou cor específica.

Métodos de desbaste incluem:

• Desbaste manual com materiais abrasivos (também pode ser automatizado)
• Desbaste por vibração com ferramentas como rolos e jateamento de areia
• Aparagem com matriz de soco (punch die)

Opções de acabamento secundário

Uma vez que imperfeições tenham sido removidas das peças de fundição sob pressão metálica usando um processo de desbaste como jateamento de areia ou lixamento manual, é possível realizar opções de acabamento secundário para transformar o acabamento superficial das fundições. Estas técnicas de acabamento ajustam a textura ou cor das peças de fundição sob pressão.

Acabamentos secundários de fundição sob pressão incluem:

• Polimento com equipamento manual para alcançar acabamento de alto brilho
• Pintura para alterar a cor das fundições
• Revestimento em pó (powder coating) para alterar a cor e textura das fundições
• Revestimento metálico (metal plating) para adicionar um revestimento superficial de um material diferente, seja para fins cosméticos ou funcionais (ex: revestir um componente eletrônico com um metal mais condutor eletricamente).

Estratégia para selecionar um fabricante de fundição sob pressão

A fundição sob pressão é um processo de manufatura comum usado por uma ampla gama de empresas. No entanto, encontrar um fabricante de fundição sob pressão é muito mais difícil do que encontrar, por exemplo, um torneiro mecânico ou provedor de serviço de impressão 3D. Isso ocorre porque a fundição sob pressão é tipicamente usada por grandes fornecedores de peças para produção de alto volume.

Para empresas de pequeno e médio porte que requerem peças de fundição sob pressão de metal, selecionar um fabricante de fundição sob pressão apresenta desafios. Tipicamente, fabricantes neste domínio se enquadram em uma das seguintes quatro categorias:

1. Empresas de fundição sob pressão que fazem moldes e peças de fundição sob pressão mas não oferecem pós-usinagem
2. Empresas de fundição sob pressão com algumas máquinas CNC mas que estipulam prazos de entrega muito mais longos para peças pós-usinadas devido à sua capacidade limitada de usinagem
3. Empresas de fundição sob pressão com grande número de máquinas CNC para pós-usinagem mas que trabalham quase exclusivamente com grandes empresas fazendo grandes pedidos
4. Empresas de usinagem CNC que podem realizar pós-usinagem de peças de fundição sob pressão mas que não podem elas mesmas fazer moldes ou peças de fundição sob pressão

Claramente, isso torna difícil para empresas menores encontrar um parceiro de fundição sob pressão. Se pós-usinagem é requerida, tais empresas frequentemente aceitam os prazos de entrega mais longos oferecidos pela segunda categoria de parceiro de fundição sob pressão.

Mas existe outra opção: trabalhando com um parceiro de fundição sob pressão de metal de pequeno ou médio porte e um parceiro de usinagem dedicado como a 3ERP — combinando opções 1 e 4, na prática — empresas podem encomendar volumes menores de peças de fundição sob pressão com pós-usinagem com prazos de entrega surpreendentemente curtos.

A 3ERP tem uma seleção de parceiros de fundição sob pressão confiáveis com quem trabalhamos para fornecer um serviço contínuo de fundição e acabamento, obtendo peças fundidas de qualidade fabricadas e entregues em um curto prazo.

Diretrizes de design para fundição sob pressão

Como com a maioria dos processos de manufatura, a fundição sob alta pressão vem com seu próprio conjunto de regras e restrições de design. Estas incluem considerações de linha de separação, ângulos de saída e limitações de espessura de parede.

Linha de separação (Parting line)

Uma peça de fundição sob pressão é feita usando duas matrizes de aço endurecido. A linha onde as duas matrizes se encontram é chamada de linha de separação, e esta linha é frequentemente visível após a fundição na forma de rebarba (flash) — uma fina extrusão de material em excesso que escapou da cavidade na linha de separação devido a força de fechamento insuficiente.

Durante o design de fundição sob pressão, o designer deve encontrar um local adequado para a linha de separação, ou seja, decidir onde o molde será dividido ao meio. Fazer isso depende de vários fatores, incluindo:

• Fluxo do material: A entrada para fluxo de metal deve ser localizada ao longo da linha de separação para garantir enchimento ótimo da cavidade do molde.
• Características cosméticas: Características cosméticas não devem ser localizadas perto da linha de separação, pois podem ser obstruídas por canais de alimentação e ventilação.
• Pós-usinagem: A área da linha de separação da fundição provavelmente requererá a maior usinagem e acabamento, então deve ser localizada para fornecer fácil acesso à ferramenta de máquina.

Pequenas quantidades de rebarba são inevitáveis, então designers devem preparar para a necessidade de apará-la após a fundição ser removida do molde.

Espessura de parede

Como com outros processos de fundição e moldagem, peças de fundição sob pressão são adequadas a espessuras de parede consistentes, pois isso incentiva enchimento e resfriamento consistentes dos fundidos metálicos, reduzindo a probabilidade de encolhimento desigual e empenamento.

Ângulo de saída (Draft)

Peças de fundição sob pressão de metal requerem uma pequena quantidade de saída — lados cônicos da cavidade do molde — para que as fundições possam ser facilmente ejetadas das matrizes sem danificá-las. Todas as superfícies paralelas com a direção de abertura da matriz requerem saída.

Superfícies internas como furos sem rosca requerem um ângulo de saída maior que paredes externas (que naturalmente encolhem para longe do interior do molde).

Fillets e raios

Fillets são cantos internos arredondados que aumentam a capacidade de carga das fundições sob pressão. Eles também são mais fáceis de fabricar que cantos internos agudos, então devem ser incorporados nos designs de fundição sob pressão como padrão. Usar um raio igual em todos os fillets é preferível a fillets com raios variados.

Raios são cantos externos arredondados e desempenham uma função diferente mas igualmente importante, ajudando a melhorar o fluxo de metal na cavidade do molde.

Reforços (Ribs)

Reforços são pequenas projeções da peça de fundição sob pressão que servem para aumentar resistência e rigidez sem recorrer a paredes mais grossas e uso aumentado de material. Eles também melhoram o fluxo de metal. Note que reforços requerem suas próprias considerações de fillet e raio para máxima resistência e fluxo.

Com nossa rede de parceiros de manufatura confiáveis, a 3ERP oferece um processo de fundição sob pressão abrangente mesmo em baixos volumes. Entre em contato para um orçamento gratuito.