Noções básicas sobre fundição

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

Devido aos altos custos iniciais associados à fundição sob pressão, o processo é normalmente usado para produção de alto volume, onde a escala de fabricação compensa os altos custos de maquinário e ferramentas. Protótipos de fundição sob pressão e produções de baixo volume são mais difíceis de obter, pois é do interesse econômico das empresas de fundição trabalhar com clientes que fazem pedidos em grandes quantidades. No entanto, a 3ERP atualmente oferece uma solução exclusiva de fundição sob pressão para clientes que desejam fazer pedidos menores de fundição sob pressão.

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

O que é fundição sob pressão?

A fundição sob pressão é um tipo de fundição de metal que usa alta pressão para forçar o metal fundido em uma cavidade do molde formada por duas matrizes. Ele compartilha traços com o processo de fabricação de plástico de moldagem por injeção.

Dentro do cenário maior de fundição de metais, a fundição sob pressão é uma das técnicas mais populares devido à sua precisão, alta qualidade e nível de detalhes. 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, esse processo geralmente envolvia despejar o metal líquido no molde com a ajuda da gravidade – e muitos processos de fundição de metal ainda funcionam dessa maneira. 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 às vezes é chamada de fundição sob pressão de alta pressão, devido à quantidade de pressão - normalmente 10 a 140 megapascais - usada para forçar o metal na cavidade do molde. O processo relacionado de fundição de baixa pressão (LPDC) é menos comum. A fundição sob pressão normalmente se enquadra em uma das duas categorias:fundição sob pressão em câmara quente e fundição sob pressão em câmara fria, que são adequadas para diferentes tipos de metal. No entanto, também existem outros tipos de fundição sob pressão, como a fundição de metal semi-sólido (SSM).

Como funciona a fundição

Em termos simples, a fundição de metal funciona usando alta pressão para forçar o metal fundido em uma cavidade do 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 o equipamento de fundição sob pressão.

Aqui vamos dividir o processo de fundição em três etapas:

1. Fabricação de moldes
2. Transmissão
3. Pós-usinagem

Como fazer um molde de fundição

Um molde de fundição consiste em pelo menos duas metades:o lado da tampa (montado em uma placa fixa) e o lado do ejetor (em uma placa móvel). Algumas matrizes também possuem outras seções como corrediças 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 pode ter várias cavidades para permitir a produção de várias peças por ciclo. Esses moldes têm várias cavidades idênticas (matriz de múltiplas cavidades) ou uma mistura de diferentes cavidades para produzir peças diferentes (matriz unitária).

As ferramentas para fundição sob pressão devem ser incrivelmente fortes e termicamente resistentes, além de terem boa resistência ao desgaste e ductilidade. Eles são, portanto, feitos de aços ferramenta endurecidos de alto desempenho - geralmente tratados termicamente - permitindo que eles passem por centenas de ciclos de fundição por hora e até dois milhões de ciclos durante toda a sua vida útil. As ferramentas de fundição sob pressão devem manter o desempenho sob forças de fixação muito altas.

A fabricação de um molde de fundição sob pressão começa com o projeto auxiliado por computador (CAD) usado em conjunto com ferramentas específicas de projeto e simulação de fundição. Assim como nos moldes de injeção, as ferramentas para fundição devem ter orifícios de entrada, canais e portas para permitir que o material fundido entre na cavidade. Pinos de travamento e pinos ejetores também devem ser incorporados para fixar 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 utilizada para fabricar ferramentas de fundição sob pressão. Normalmente, a fabricação de moldes de fundição começa com a usinagem grosseira da forma do molde, seguida pelo tratamento térmico do molde de metal e, finalmente, uma rodada de usinagem de acabamento. As matrizes de nível de protótipo também podem ser feitas usando ferramentas rápidas, usando usinagem CNC ou outros processos como sinterização seletiva a laser (SLS).

Como fundir peças metálicas

Semelhante à moldagem por injeção, após a fabricação do molde, as peças de fundição podem ser feitas na máquina de fundição. O processo de fundição sob pressão compreende quatro etapas principais:preparação, enchimento, ejeção e agitação.

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

Fundição em câmara quente

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

Fundição em câmara fria

O processo de fundição em câmara fria requer o uso de um forno separado para aquecer o metal. Isso diminui naturalmente taxas de produção , como o metal fundido deve ser levado ao máquina de fundição com uma concha. No entanto, como um forno separado é mais poderoso que um máquina de fundição de câmara quente , metais com alto ponto de fusão podem ser fundidos. Este método é adequado para fundição de alumínio.

Independentemente de se usar máquina de câmara quente ou câmara fria, o processo de fundição de metal normalmente ocorre da seguinte forma:

1. Preparação do molde
2. Preenchimento
3. Ejeção
4. Agitação

Durante a preparação do molde, as superfícies internas das duas metades da matriz são revestidas com um lubrificante para facilitar a ejeção assim que as peças fundidas estiverem completas. As metades da matriz podem então ser fechadas e fixadas com pinos de travamento.

O enchimento do molde é realizado através de um sistema de pressão. Este sistema difere entre os sistemas de câmara quente e câmara fria. Em ambos, o resultado final é o metal fundido sendo forçado por um êmbolo na cavidade do molde através do sprue. Altas pressões — até 35 megapascais em uma câmara quente e 140 megapascals em uma câmara fria — garantem um enchimento rápido e abrangente, o que, por sua vez, leva a um resfriamento consistente que evita o encolhimento desigual e a 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 peças fundidas. Normalmente, as matrizes são imediatamente fechadas novamente, prontas para o próximo disparo. Enquanto isso, as peças fundidas finalizadas estão prontas para o shakeout, que envolve a remoção de seções de sucata da granalha, como sprues, canais e rebarbas (infiltração de material na linha de partição). Essa remoção de material pode ser realizada usando ferramentas manuais, tambores ou com uma matriz de corte hidráulica.

Pós-usinagem

Muitas peças de fundição de metal requerem operações secundárias mínimas. Isso se deve às altas pressões envolvidas, que possibilitam um alto nível de detalhamento e bom acabamento superficial. No entanto, muitos fundidos em formato de rede e quase em formato de rede também exigem usinagem de precisão para furos, roscas e outros recursos. Alguns metais fundidos são mais fáceis de usinar do que outros:fundição de magnésio e fundição de alumínio, por exemplo, são altamente adequados para pós-usinagem.

Um benefício secundário das peças fundidas pós-usinagem é a capacidade de usar os recursos de inspeção na máquina da máquina CNC, permitindo que o maquinista valide as peças.

Aplicativos de fundição

A fundição sob pressão é um processo poderoso e versátil, adequado para uma variedade de peças, desde componentes do motor até carcaças de eletrônicos. As razões para a versatilidade da fundição sob pressão incluem sua grande área de construção, variedade de opções de materiais e capacidade de fazer peças detalhadas, repetíveis e de paredes finas.

• Automotivo :A fundição de alumínio é popular na indústria automotiva, pois pode produzir componentes leves, como cilindros hidráulicos, suportes de motor e caixas de transmissão. A fundição de zinco é adequada para componentes de combustível, freio e direção hidráulica, enquanto a fundição de magnésio funciona para painéis e estruturas de assentos.
• Aeroespacial :Como na indústria automotiva, os fornecedores de peças aeroespaciais usam fundição de alumínio para fazer peças leves que apresentam um alto nível de resistência ao calor e à corrosão. Peças leves reduzem o uso de combustível.
• Energia :As peças de fundição sob pressão no setor de petróleo e gás incluem válvulas, componentes de filtragem e impulsores. Peças de energia renovável, como pás de turbinas eólicas, também podem ser fundidas.
• Eletrônicos :A fundição sob pressão é predominante em eletrônicos, pois é usada para itens como gabinetes, caixas e conectores. As peças de fundição sob pressão também podem ser projetadas com dissipadores de calor incorporados, necessários para muitos dispositivos. A fundição de magnésio é popular para componentes de blindagem RFI EMI de paredes finas, enquanto a fundição de alumínio para componentes de luz LED é generalizada. (Fundição sob pressão para carcaça de LED normalmente usa uma liga como A383.)
• Construção :a indústria da construção usa fundição de alumínio para grandes estruturas, como caixilhos de edifícios e caixilhos de janelas.
• Engenharia :Equipamentos de elevação, máquinas-ferramentas e outros equipamentos geralmente contêm componentes fundidos.
• Medicina :Na área da saúde, a fundição sob pressão pode ser usada para monitorar componentes de dispositivos, sistemas de ultrassom e outros itens.

Materiais de fundição

Os fabricantes devem considerar certos fatores e variáveis ​​ao escolher materiais de fundição sob pressão. Esses incluem:

• Se o material é adequado para fundição em câmara quente 
• Custos de material 
• Custos de materiais indiretos (por exemplo, qualquer pós-processamento extra necessário) 
• Propriedades estruturais do material 
• Força 
• Peso 
• Acabamento da superfície 
• Usinabilidade 

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

Ligas de alumínio fundido

O alumínio é um dos principais metais de fundição sob pressão, e as ligas de alumínio são usadas na fundição sob pressão em câmara fria. Essas ligas normalmente contêm silício, cobre e magnésio.

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

As ligas de alumínio de fundição sob pressão comuns incluem:

• 380 :Uma liga de alumínio de uso geral que equilibra a fundição com boas propriedades mecânicas. É usado em uma ampla variedade 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 resistência à vibração. Foi desenvolvido especificamente para a fundição de blocos de motores automotivos e também é adequado para corpos de válvulas, impulsores e carcaças de bombas.
• 413 :Uma liga de alumínio com excelentes propriedades de fundição. Possui boa estanqueidade à pressão e, portanto, é usado para produtos como cilindros hidráulicos, bem como peças arquitetônicas e equipamentos da indústria alimentícia e láctea.
• 443 :A mais dúctil das ligas de alumínio de 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. It is used in a variety of products, including aircraft hardware fittings, ornamental hardware, and escalator components.

Magnesium die casting alloys

Magnesium is another very popular die casting material. It is even lighter than aluminum, with the added advantage of being highly machinable — making it suitable for cast parts that require additional machined details or machined surface finishing.

A major advantage of magnesium die casting alloys is their suitability for hot-chamber die casting, making them easier to use than die casting metals like aluminum. Other elements in magnesium alloys include aluminum, zinc, manganese, and silicon.

Common magnesium die casting alloys include:

• AZ91D :A general-purpose alloy with good castability, corrosion resistance, and strength-to-weight ratio. Applications include mechanical and power-train components.
• AM60 :An alloy with good castability, strength, vibration dampening, and ductility. It is used in automotive components such as seat frames and panels.
• Rare earth alloys AS41B and AE42 :Alloys with superior temperature resistance, as well as good creep resistance, corrosion resistance, and ductility. Both alloys are found in engine parts.

Zinc die casting alloys

Another major category of die casting metals is zinc alloys. Castable in a hot-chamber die casting machine, zinc casting is the most manufacturer-friendly die casting option and offers other benefits like impact strength, ductility, and suitability for plating. Due to its castability, it also results in minimal die wear.

Zinc is heavier than aluminum and magnesium and is usually alloyed with aluminum, copper, and magnesium.

Common zinc die casting alloys include:

• Zamak  3 :A general-purpose zinc alloy that is easy to cast and offers excellent dimensional stability. In North America, more than two thirds of zinc die castings use Zamak 3. Example uses include ceiling fans and plumbing components.
• Zamak 2 :A slightly stronger and more expensive alloy with added copper content. This zinc casting alloy is often used to produce tooling for plastic injection molding.
• Zamak 5 :A zinc alloy close in composition to Zamak 3 but with greater tensile strength and lower ductility. Popular for products like automotive parts and wheel balancing weights.

Other die casting alloys

Other die casting materials include copper, silicon tombac, lead, and tin alloys, in addition to zinc-aluminum alloys.

Copper alloys exhibit high strength, hardness, and corrosion resistance, in addition to excellent dimensional stability. Meanwhile lead and tin alloys are very dense and can be resistant to corrosion. Zinc-aluminum alloys are recognizable by the ZA prefix; those with a lower aluminum content can be hot-chamber die cast, but those with 11% or more typically cannot.

Die casting finishing options

High-pressure die casting produces parts to a high standard, and finishing options can often be kept to a minimum. However, there are many functional and cosmetic finishing options available for die casting parts.

Deburring

A standard finishing procedure is deburring, which can be thought of as a continuation of the shakeout stage. Deburring involves the removal of imperfections caused by the manufacturing process and is deployed to normalize the appearance and function of the part without adding any specific texture or color.

Methods of deburring include:

• Manual deburring with abrasive materials (can also be automated)
• Vibration deburring with tools like rollers and sandblasting
• Trimming with a punch die

Secondary finishing options

Once imperfections have been removed from the metal die casting parts using a deburring process like sandblasting or manual sanding, it is possible to perform secondary finishing options to transform the surface finish of the castings. These finishing techniques adjust the texture or color of the die casting parts.

Secondary die casting finishes include:

• Polishing with manual equipment to achieve a high-shine finish
• Painting to alter the color of the castings
• Powder coating to alter the color and texture of the castings
• Metal plating to add a surface coating of a different material, either for cosmetic or functional purposes (e.g. plating an electronic component with a more electrically conductive metal).

Strategy for selecting a die casting manufacturer

Die casting is a common manufacturing process used by a broad range of companies. However, finding a die casting manufacturer is much more difficult than finding, for example, a machinist or 3D printing service provider. This is because die casting is typically used by large parts suppliers for high-volume production.

For small and medium-size companies that require metal die casting parts, selecting a die casting manufacturer poses challenges. Typically, manufacturers in this domain will fall into one of the following four categories:

1. Die casting companies that make die casting molds and die casting parts but do not offer post-machining
2. Die casting companies with a few CNC machines but who stipulate much longer lead times for post-machined parts due to their limited machining capacity
3. Die casting companies with a large number of CNC machines for post-machining but who work almost exclusively with large companies placing large orders
4. CNC machining companies who can carry out post-machining of die casting parts but who cannot themselves make die casting molds or die casting parts

Clearly, this makes it hard for smaller companies to find a die casting partner. If post-machining is required, such companies often accept the longer lead times offered by the second category of die casting partner.

But there is another option:by working with a small or medium-size metal die casting partner and a dedicated machining partner like 3ERP — combining options 1 and 4, in effect — companies can order smaller volumes of die casting parts with post-machining with surprisingly short lead times.   

At 3ERP, we have a selection of trusted die casting partners with whom we work to provide a seamless casting and finishing service, getting quality cast parts manufactured and delivered in a short timeframe.

Die casting design guidelines

As with most manufacturing processes, high-pressure die casting comes with its own set of design rules and constraints. These include parting line considerations, draft angles, and wall thickness limitations.

Parting line

A die casting part is made using two hardened steel dies. The line where the two dies meet is called the parting line, and this line is often visible after casting in the form of flash — a thin extrusion of excess material that has escaped the cavity at the parting line due to insufficient clamping force.

During die casting design, the designer must find a suitable location for the parting line, i.e. decide where the mold will be split in half. Doing so depends on several factors, including:

• Material flow:The inlet for metal flow must be located along the parting line to ensure optimal filling of the mold cavity.
• Cosmetic features:Cosmetic features should not be located near the parting line, since they may be obstructed by gates and vents.
• Post-machining:The parting line area of the casting will likely require the most machining and finishing, so it should be located to provide easy machine tool access.

Small amounts of flash are inevitable, so designers should prepare for the necessity of trimming it after the casting is removed from the mold.

Wall thickness

As with other casting and molding processes, die casting parts are suited to consistent wall thicknesses, as this encourages consistent filling and cooling of the metal castings, reducing the likelihood of uneven shrinkage and warping.

Draft

Metal die casting parts require a small amount of draft — tapered sides of the mold cavity — so the castings can be easily ejected from the dies without damaging them. All surfaces parallel with the die opening direction require draft.

Inner surfaces like untapped holes require a greater draft angle than external walls (which naturally shrink away from the inside of the mold).

Fillets and radii

Fillets are rounded internal corners that increase the load-bearing capacity of die castings. They are also easier to manufacture than sharp internal corners, so should be incorporated into die casting designs as standard. Using an equal radius across fillets is preferable to fillets with varying radii.

Radii are rounded external corners and play a different but equally important function, helping to improve metal flow in the mold cavity.

Ribs

Ribs are small protrusions from the die casting part that serve to increase strength and stiffness without resorting to thicker walls and increased material usage. They also improve metal flow. Note that ribs require their own fillet and radius considerations for maximum strength and flow.

With our network of trusted manufacturing partners, 3ERP offers a comprehensive die casting process even in low volumes. Contacte-nos para um orçamento gratuito.