Microfusão (Investment Casting): Precisão e Produção Custo-Efetiva

Moldes de cera perdida criam produtos de precisão com superfícies mais finas

O que é microfusão (investment casting)?

A microfusão, frequentemente chamada de "fundição a cera perdida", usa um processo de molde descartável para criar produtos complexos com superfícies excepcionalmente finas. É uma técnica de precisão devido à versatilidade que pode ser criada no design do molde. Padrões de fundição em areia devem ser divididos em dois e ter núcleos internos capazes de ser suportados dentro de um molde dividido fechado. Moldes de microfusão podem ser feitos em quase qualquer formato que possa ser esculpido em cera e revestido. O processo e a moldagem são mais caros, mas os produtos produzidos podem ser mais complexos e precisos. A superfície de todas as fundições metálicas reflete os materiais em que são fundidas. Fundições em areia, portanto, têm textura irregular. Microfusões podem sair do molde com acabamento mais liso.

Quais são os produtos comuns de microfusão?

Produtos de microfusão são frequentemente encontrados como peças operacionais de máquinas de precisão. Em um automóvel, por exemplo, o bloco do motor pode ser fundido em areia. Ventiladores, cames e outras peças com formas complexas, especialmente aquelas que se movem e precisam de superfícies finas, frequentemente são microfundidas.

A microfusão também é comum para estátuas muito detalhadas, joias ou outros itens decorativos que têm detalhes muito finos e acabamentos superficiais lisos.

Processo de microfusão

O processo de microfusão requer um padrão descartável, geralmente feito de cera; um material de molde cerâmico; um forno; e um processo de fundição para derreter metais e preencher moldes.

Padrões descartáveis ou de cera

Um padrão é uma réplica exata do produto final a ser feito. Curiosamente, um padrão é feito preenchendo um molde de injeção frequentemente feito de alumínio ou aço. Esses moldes podem ser usinados, impressos em 3D ou até esculpidos à mão. Criar cada peça com esses processos seria mais caro do que criar um molde e depois passar para um processo de fundição. A microfusão é mais cara que a fundição em areia, mas ainda é capaz de escalar para produção industrial de alto volume. Uma vez criado o molde de injeção, padrões de cera podem ser feitos rapidamente e em grandes quantidades, pois requerem tempo mínimo para resfriar e solidificar.

Montagem dos padrões (árvore de fundição)

Uma vez formados, os padrões de cera são montados em uma árvore, ou sistema de fundição, que permitirá que múltiplos itens sejam fundidos ao mesmo tempo. A formação da árvore é feita a partir de uma série de canais de alimentação (gates) e canais de entrada (sprues), também feitos de cera sólida. Esses ramos de cera sólida eventualmente formarão os canais ocos que transportam o metal fundido para formar cada produto final. As estruturas de árvore devem ser montadas cuidadosamente para garantir produtos de qualidade e fluxos de trabalho eficientes. Dependendo das instalações do local e do tamanho do produto, muitos padrões podem ser montados na mesma árvore para produção em massa. Itens maiores também podem ser fundidos individualmente.

Molde cerâmico de "investimento"

Uma vez montada a estrutura da árvore, ela é imersa em um banho cerâmico líquido. O cerâmico reveste toda a árvore e é deixado para secar. Esses banhos são repetidos várias vezes, permitindo que cada camada endureça, até que um molde espesso seja criado. A árvore é então aquecida para derreter a cera, que drena completamente do molde. Uma vez removida a cera, o molde é aquecido a uma temperatura mais alta e o metal fundido é vertido dentro, preenchendo as cavidades antes ocupadas pelo padrão de cera. O processo de aplicação da pasta cerâmica é chamado de "investimento" (investment) na microfusão.

Remoção do molde

Uma vez que o metal esfriou e solidificou, o molde cerâmico é quebrado para revelar os produtos fundidos. Canais de alimentação e entrada são então removidos, e quaisquer procedimentos adicionais de acabamento ou tratamento são aplicados.

Aplicação versátil

Padrões de cera podem ser feitos em praticamente qualquer forma, sem afilamentos e sem afetar a qualidade do produto final.

A microfusão pode ser usada para uma gama de produtos e materiais. Dependendo das instalações de fundição do local, produtos podem pesar desde uma fração de onça até mais de mil libras. Moldes cerâmicos de investimento também são adequados para vazamento em alta temperatura.

Materiais comuns usados em microfusão incluem aços e outras ligas baseadas em ferro, alumínio, níquel, cobalto, titânio e cobre. Dependendo da aplicação, a microfusão pode ser adequada para produções curtas e longas, podendo produzir várias centenas de produtos por vez.

Materiais de cera e cerâmica podem ser reutilizados durante o processo de microfusão. Cera usada é reconvertida em canais de alimentação e risers, e moldes cerâmicos podem ser reprocessados para uso em novos moldes — tipicamente as camadas cerâmicas externas onde menos precisão é requerida.

Benefícios da microfusão sobre a fundição em areia

Todos os métodos de fundição oferecem muitos benefícios de design: a capacidade de minimizar insumos de material e formar estruturas que seriam difíceis de alcançar sem usinagem ou montagem significativa.

Um benefício-chave da microfusão, no entanto, é a versatilidade de seu molde. Como o molde é descartável e os padrões de cera podem ser removidos discretamente em forma líquida, os fabricantes têm uma quantidade excepcional de liberdade ao projetar produtos de microfusão. A microfusão oferece capacidades de design muito mais complexas que a maioria dos outros métodos de moldagem e fundição.

Microfusão versus fundição em areia

A fundição em areia é outro método de fundição eficaz que usa areia para formar moldes descartáveis. É o método de fundição mais amplamente usado na América do Norte, mas existem várias diferenças-chave.

Ao selecionar o melhor método de fundição para um projeto, considere o seguinte:

• Moldes de areia devem ser separados para remover um padrão antes do vazamento. Para garantir um molde adequado, um padrão precisa ser projetado com afilamentos (drafts) para minimizar atrito — e evitar que o molde de areia seja perturbado — quando as seções são separadas. Como moldes de areia são compostos por duas peças, o produto final sempre terá uma linha de partição, que pode precisar ser retificada após o resfriamento.
• Moldes de fundição em areia podem ser facilmente ajustados para acomodar mudanças de design. Isso dá liberdade ao engenheiro para alterar peças rapidamente e facilmente após testes.
• Cavidades internas também podem ser um desafio para fundição em areia, que dependem do uso de núcleos (cores). Um núcleo é uma forma pré-moldada inserida no molde para formar o interior da peça não em contato com a superfície do molde. Dependendo da forma e complexidade de um núcleo — que pode ser um único componente ou uma montagem de múltiplos núcleos — pode ser demorado formar e fixar dentro de um molde.
• Na fundição em areia, novas fundições são fabricadas mais rapidamente que na microfusão devido à reutilização do padrão.
• Também vale notar que moldes de areia, mesmo com aditivos sintéticos e alta compactação, não conseguem atingir a dureza do cerâmico. Como resultado, superfícies fundidas em areia frequentemente têm tolerâncias maiores e requerem retificação mecânica para atingir um acabamento final.
• A fundição em areia pode produzir componentes metálicos de todos os tamanhos e pesos, enquanto a microfusão requer que as peças finais pesem menos de 100 libras (aprox. 45 kg).
• Com microfusão, padrões de cera podem ser feitos em praticamente qualquer forma.
• Moldes cerâmicos também são muito duros, criando superfícies lisas com baixas tolerâncias, frequentemente com paredes muito finas. Uma vez removidos canais de alimentação e entrada, muitos produtos não requerem mão de obra adicional para tratamento ou acabamento.
• Com microfusão, padrões de cera podem ser feitos em praticamente qualquer forma — sem afilamentos e sem afetar a qualidade do produto final.
• Moldes cerâmicos também são muito duros, criando superfícies lisas com baixas tolerâncias — frequentemente com paredes muito finas. Uma vez removidos canais de alimentação e entrada, muitos produtos não requerem mão de obra adicional para tratamento ou acabamento.

Planejando um projeto de microfusão

Determinar o melhor método de fabricação depende de uma série de fatores. Aqui estão algumas coisas a considerar com seus profissionais de design de produção:

• Tipo de produto final: Qual o tamanho e forma desejados do produto? Diferentes métodos de fundição serão mais adequados a certas dimensões e também influenciarão a quantidade de usinagem necessária para atingir as dimensões finais.
• Quantidade: Ao considerar quantidades, é melhor olhar o mais longe possível. O que pode ser mais econômico no curto prazo pode se tornar mais custoso se planejar vários lotes a longo prazo. Um investimento inicial maior em ferramentas e moldes pode frequentemente economizar dinheiro no futuro. Produções de curto prazo ou únicas, no entanto, não exigirão o mesmo investimento.
• Tolerâncias: Quão exatas suas dimensões precisam ser? Tolerâncias mínimas podem frequentemente ser alcançadas com microfusão, especialmente para produtos com paredes muito finas.
• Aplicação mecânica: A fundição pode reduzir a quantidade de montagem necessária para aplicações mecânicas — frequentemente economizando tempo e mão de obra no futuro.
• Requisitos de material: Moldes cerâmicos usados em microfusão são adequados para uma ampla gama de materiais, incluindo ligas baseadas em aço e ferro vazadas em altas temperaturas.
• Pós-produção: Como em outras formas de fundição, dependendo de sua aplicação final, produtos microfundidos podem passar por vários tratamentos térmicos ou outros acabamentos superficiais se necessário.

Fundições de microfusão

A maioria das fundições que produzem microfusões não necessariamente fornece outros métodos de produção de fundição, preferindo especializar-se em um único método de produção de fundição. Diferenças significativas existem entre métodos de produção como fundição em areia vs. microfusão, tornando improvável que uma única empresa tenha a infraestrutura necessária para oferecer mais de um método de produção de moldagem.

É normal que microfusões custem mais que fundições produzidas usando métodos mais simples, como fundição em areia. Os benefícios alcançados, no entanto — incluindo complexidade, confiabilidade, reprodutibilidade, acabamento superficial e outros — mais do que compensam a diferença de custo.

É importante entender verdadeiramente os parâmetros de design da fundição que você está projetando ou tentando comprar. Se microfusões podem oferecer uma peça near-net-shape sem usinagem, por exemplo, mas uma fundição em areia precisará ser usinada, o custo adicional da microfusão pode ser justificado.

Fontes

• Grote, Karl-Heinrich e Erik K. Antonsson. Springer Handbook of Mechanical Engineering, Volume 10. Pasadena, CA: Springer Science & Business Media, 2009.
• Hunt, L.B. "The Long History of Lost Wax Casting: Over Five Thousand Years of Art and Craftmanship." Gold Bulletin. Junho 1980, Volume 13, Issue 2, pp 63-79.
• Rundman, Karl B. Metal Casting (Reference Book for MY4130). Michigan Tech. University: Department of Materials Science and Engineering.