Sinterização explicada:definição, processo, tipos e aplicações práticas

A sinterização é uma ampla família de métodos que forma peças integrais e potencialmente altamente complexas a partir de uma ampla gama de materiais, por meio da compressão e fusão de pós e ligantes. A peça passa por duas etapas. O primeiro estágio torna a forma necessária um componente de tamanho grande, fraco e mal integrado. O segundo estágio coze esse componente para expelir o material aglutinante e faz com que as partículas restantes se fundam e se unam em uma peça totalmente resistente. Esta abordagem está se tornando difundida em metais e cerâmicas, como uma forma de produzir peças complexas em formato líquido, com excelentes propriedades mecânicas, por meio de um processo de baixo custo por peça e altamente repetível. Este artigo definirá a sinterização, como funciona, os tipos de sinterização e os diferentes processos.

O que é sinterização?

Sinterização é o processo de primeira ligação de formas de pó em sólidos integrados por compactação. A forma é então aquecida abaixo do ponto de fusão de um dos pós para permitir a fusão térmica para unir as partículas. Isso queima qualquer agente de ligação intermediário que anteriormente serviu para manter a forma unida e une os materiais “verdes” restantes (isto é, não sinterizados). Este processo forma objetos sólidos a partir de metal em pó, cerâmica ou materiais compósitos.

Quando as peças de pó comprimido são aquecidas, fazendo com que as partículas se liguem, o processo consolida quaisquer vazios. Isso resulta em uma densidade próxima de 100%, aproximando-se das propriedades do material principal. As temperaturas de processamento são controladas com precisão. Para fundir, o ponto de contato deve derreter ligeiramente para reter totalmente a forma de pré-fusão enquanto se une como um só corpo. A Figura 1 são exemplos de peças sinterizadas:

Qual é o outro termo para sinterização?

Uma variedade de termos são comumente usados para descrever processos que são essencialmente sinterização. Isso inclui metalurgia do pó, MIM (moldagem por injeção de metal), consolidação, aglomeração e queima. Metalurgia do pó é o processo de prensagem ou injeção de pós metálicos em objetos sólidos. O MIM, por outro lado, injeta pasta de pó metálico com um polímero fundido em uma ferramenta de molde de plástico. O polímero é então queimado e a temperatura é elevada para fundir as partículas.

A consolidação é amplamente utilizada na indústria cerâmica para descrever o processo semelhante de moldagem por prensagem de pós cerâmicos para formar sólidos que são então curados em forno. O endurecimento é usado para descrever a formação de várias partículas de pó que se unem para formar um “bolo” sólido. Por último, a queima descreve a integração térmica de formas baseadas em partículas na indústria cerâmica.

Qual é a origem da sinterização?

As origens da sinterização remontam à pré-história, pois todas as cerâmicas queimadas são essencialmente partículas de argila sinterizadas. A fusão úmida das partículas de argila forma a forma “verde”, seguida pela queima, que integra as bolhas discretas de argila úmida em um item único e durável. Além disso, algumas decorações em pó metálico e o envidraçamento da cerâmica representam métodos primitivos de sinterização, pelos quais o vidro e os metais são induzidos a fundir-se de pós a sólidos pela aplicação de calor.

A sinterização moderna começou como uma área científica/comercial com o trabalho de William Coolidge. Ele alcançou fio de tungstênio dúctil em 1909 por extrusão/trefilamento a quente dos tarugos em pó para fazer filamentos de lâmpadas mais duráveis ​​do que antes.

Como funciona o processo de sinterização?

A sinterização funciona em um processo de três etapas:

1. Uma mistura de pó de parte primária, com um agente de ligação, é moldada no formato desejado. O agente de ligação une o pó para dar o formato da peça. Este agente de ligação pode ser água, mas é mais comumente uma cera ou um polímero.
2. Quando a parte verde é queimada, o agente de ligação evapora ou queima. 
3. A temperatura então aumenta o suficiente para que ocorra um dos dois processos que são essencialmente idênticos. Ou as partículas primárias aquecem o suficiente para apenas começar derreter, fazendo com que as partículas individuais se fundam em suas superfícies, ou um agente de ligação intermediário, como o bronze, derrete e se acopla entre as partículas, deixando a potência do componente primário em um estado inalterado.

Qual é a importância do processo de sinterização?

Os processos de sinterização são importantes em diversas aplicações, incluindo:

1. Usado para produzir componentes de grande dureza, tenacidade e precisão.
2. Usado para produzir formas e geometrias complexas que são difíceis de obter usando métodos de fabricação mais normais.
3. Mescla as propriedades de vários materiais, proporcionando a resistência de um componente combinada com a resistência à abrasão de outro.
4. Ferramentas de baixo custo para fabricação de peças e geometrias complexas. A complexidade deve ser produzida uma vez em uma prensa primária ou ferramenta de molde e reproduzida com precisão em pós aglutinados.
5. Permita a rápida produção em massa de componentes, mantendo a precisão e a repetibilidade.

Quais são os diferentes tipos de sinterização?

Várias abordagens se enquadram no título amplo de sinterização, incluindo:

1. Sinterização de estado sólido: O material em pó é aquecido a uma temperatura logo abaixo do ponto de fusão. Isso une as partículas por difusão atômica nos limites dos grãos.
2. Sinterização em Fase Líquida: Utiliza a adição de uma pequena quantidade de solvente líquido ao pó para induzir baixa porosidade e ligação. Este líquido é então eliminado, geralmente por aquecimento, para criar um sólido integrado.
3. Sinterização reativa: Utiliza uma reação química de pelo menos uma das fases das partículas de pó durante o aquecimento. Ele altera a química que resulta no acoplamento de partículas na massa quimicamente alterada.
4. Sinterização por microondas: Uma nova abordagem aplicada à cerâmica. O calor é induzido por microondas e afirma-se que isso resulta na integração mais rápida e completa da estrutura.
5. Sinterização por plasma Spark: Usa uma corrente elétrica e compressão física do pó para integrá-lo em um todo.
6. Prensagem isostática a quente: Usa alta pressão e alta temperatura aplicadas a um pó para formar a forma necessária e fundir as partículas.
7. Sinterização a frio: Usa um solvente transitório e pressão para consolidar pós de polímero em uma massa sólida.

Para saber mais, consulte nosso guia completo sobre Tipos de Sinterização.

Quais são alguns materiais usados na sinterização?

Sendo um amplo espectro de técnicas, a sinterização encontra aplicação em uma grande variedade de materiais. Eles estão listados abaixo:

1. Metais

Uma ampla gama de metais pode ser usada em processos de sinterização de diversos tipos. Isso inclui ferro, ferro-cobre, aços de cobre, aços de níquel, aços inoxidáveis ​​(séries 300 e 400), aços de alta resistência e baixa liga (HSLA), aços de médio e alto carbono e aços endurecíveis por difusão, latão e bronze e ligas magnéticas de ferro macio. Tudo isso pode ser construído como peças verdes por impressão 3D e depois sinterizado em peças de alta qualidade, baixa porosidade e excelentes propriedades.  Os metais podem ser sinterizados por prensagem, moldagem e moldagem por injeção. A Xometry oferece cotação instantânea em sinterização direta de metal a laser (DMLS), um processo de sinterização a laser de metal.

Para saber mais, consulte nosso guia completo sobre Metalóides.

2. Cerâmica

A maioria dos processos cerâmicos são considerados sinterização ou próximos à sinterização. Uma seleção de cerâmicas comumente impressas em 3D (SLS ou depositadas em pasta) e depois sinterizadas são:alumina, nitreto de alumínio, zircônia, nitreto de silício, nitreto de boro e carboneto de silício. As cerâmicas são geralmente sinterizadas por compressão ou moldagem por prensa.

3. Polímeros

Os polímeros sinterizados se enquadram em duas categorias:sinterização de partículas grandes e pequenas. A sinterização de partículas grandes com alta porosidade é comumente aplicada como materiais de filtração e silenciadores pneumáticos e como controladores de difusão de fluxo. Estes incluem polietileno, polipropileno e politetrafluoroetileno. Polímeros sinterizados de partículas pequenas são usados ​​na impressão 3D em processos como sinterização seletiva a laser. Isso é usado para produzir componentes integrados e de alta resistência com propriedades de material quase nativas e porosidade quase zero. Exemplos são poliamidas, poliestireno, elastômeros termoplásticos e poliéter-éter cetonas. O processo mais popular da Xometry é o serviço de sinterização seletiva a laser. Você pode obter uma cotação instantânea a qualquer momento.

Para saber mais, consulte nosso guia completo sobre Polímeros.

4. Compostos

A sinterização de compósitos é um grupo de processos mais complexo e vários materiais são processados de diferentes maneiras. O carboneto de tungstênio usa pós de tungstênio e carbono. A oxidação por pressão-calor transforma o carbono em carboneto. Isso acopla o pó metálico, que permanece inalterado. Fibras de vidro, carbono e metal são incluídas experimentalmente em sinterizações de pó metálico, para melhorar as propriedades. Em alguns aspectos, o processamento da fibra de carbono é um processo de sinterização. Uma matriz adesiva é comprimida e ativada por calor para unir o componente de carbono. Cerâmicas de óxido metálico são compostas experimentalmente com polímeros como PEEK para fabricar formas de semicondutores resistivos. A sinterização de compósitos é altamente variada e pode ser obtida por compressão, moldagem e, em casos limitados, moldagem por injeção.

5. Vidro

Vários materiais de vidro são usados em processos de sinterização, incluindo:esmaltes cerâmicos, vidro de sílica, vidro de chumbo, bem como placas de vidro sinterizadas feitas de pó de vidro de sílica fundida. A sinterização do vidro geralmente é feita por moldagem por compressão.

Quais são as etapas do processo de sinterização?

A sinterização consiste em uma série de etapas, cada uma simples, mas que requer grande precisão no controle. As etapas incluem:

1. Composição: Adicione e misture os materiais primários e agentes de acoplamento primários necessários.
2. Compressão: Pressione o pó (pasta ou seco) no formato desejado.
3. Calor: O aquecimento visa conseguir a remoção do agente de acoplamento primário e a fusão do material primário em um todo de baixa porosidade.

Quanto tempo dura um processo de sinterização?

O processo de sinterização geralmente leva apenas alguns segundos para ser concluído. A etapa de sinterização pós-forma, entretanto, pode levar várias horas para ser concluída. A fabricação sinterizada de peças é um processo rápido pela maioria dos métodos. Pós e ligantes primários são prensados, moldados ou moldados por injeção até o estado verde não curado, estágio em que ficam superdimensionados, porosos e não totalmente aderidos. As peças são então tratadas termicamente para induzir a ligação das partículas.

Com quais materiais a sinterização é usada?

A sinterização é um processo de fabricação usado em muitos materiais, incluindo:

1. Polímeros: Para prototipagem rápida, fabricação de filtros e silenciadores e componentes compostos especializados.
2. Metais: A maioria dos pequenos componentes metálicos, como engrenagens e polias, podem ser fabricados por sinterização. Pós de metal grosso também são sinterizados para fazer filtros, silenciadores e rolamentos carregados de óleo.
3. Cerâmica: De certa forma, a maioria das cerâmicas é fabricada por uma forma de sinterização. Em particular, as cerâmicas de zircônia e alumina estão aparecendo como opções na impressão 3D. Peças pequenas, como engrenagens e rolamentos para uso em altas temperaturas, geralmente são sinterizadas em cerâmica.

Que tipos de componentes são produzidos através do processo de sinterização?

Os componentes produzidos por sinterização estão listados abaixo:

1. Peças automotivas, como engrenagens e atuadores.
2. Componentes elétricos, como painéis de distribuição.
3. Ferramentas de corte de todos os tipos, para fresamento, furação e alargamento.
4. Componentes aeroespaciais, como componentes de válvulas de combustível, atuadores e pás de turbinas.
5. Implantes biomédicos, como próteses articulares.

Quais são os benefícios do processo de sinterização?

A sinterização oferece uma variedade de benefícios:

1. O processo pode produzir peças altamente repetíveis e precisas.
2. O custo de estabelecer a produção é facilmente amortizado em grandes produções.
3. As peças podem alcançar ótimos resultados cosméticos e não requerem processos de acabamento.
4. Geometrias não usináveis para produção em massa são facilmente alcançadas.

Quais são os riscos do processo de sinterização?

Alguns dos riscos do processo de sinterização, incluindo:

1. A consistência do pó pode variar se não for bem controlada, alterando as contrações ou as propriedades gerais dos componentes.
2. Os controles iniciais do processo de conformação devem ser precisos para alcançar resultados consistentes e repetíveis.
3. Os processos de “cura” pós-formação são variados e exigem um controle muito rígido para definir com precisão o encolhimento e evitar distorções.
4. O custo de estabelecer a produção é alto, portanto, se o produto não for vendido, isso pode ser desperdiçado.
5. Variações no processo de produção podem resultar em peças fracas e variáveis.

Perguntas frequentes sobre sinterização

O processo de sinterização é perigoso?

Depende. Existe um amplo espectro de materiais e processos na família de sinterização. Geralmente, os processos “verdes” não são perigosos, embora as nanopartículas metálicas e cerâmicas sejam relatadas como tendo consequências médicas para o corpo humano e devam ser manuseadas com cuidado. A parte de fusão da sinterização é um estágio de alta temperatura que geralmente envolve a remoção ou queima de componentes de polímero/cera que podem ser tóxicos e irritantes. A ventilação é necessária, bem como as precauções normais de segurança com processos de evaporação/combustão quentes e potencialmente inflamáveis.

Quais precauções de segurança devem ser tomadas com o processo de sinterização?

As precauções de segurança a serem lembradas durante a sinterização estão listadas abaixo:

1. Use equipamento de proteção adequado para proteger do calor e de possíveis perigos transportados pelo ar.
2. Use uma área bem ventilada. A sinterização pode produzir fumos e vapores que devem ser tratados como prejudiciais.
3. Siga procedimentos seguros para manusear materiais, pois os pós de sinterização podem ser perigosos.
4. Tal como acontece com todos os processos a quente, tenha um extintor de incêndio em mãos e saiba como usá-lo.

Sinterizar é o mesmo que derreter?

Não, sinterizar não é o mesmo que derreter. A sinterização especificamente não envolve a fusão geral da peça, mas aplica calor suficiente para fundir as partículas sem liquefazê-las. O excesso de calor, no caso de peças poliméricas ou metálicas, corre o risco de danificar a estrutura ou a forma da peça.

O metal sinterizado é mais forte?

Não, as peças de metal sinterizadas não são mais resistentes do que as peças forjadas ou usinadas. Quando bem fabricadas, as peças sinterizadas podem atingir a mesma resistência que os equivalentes usinados.

As peças metálicas corretamente sinterizadas geralmente assumem a maior parte ou todas as propriedades mecânicas do constituinte primário. No caso de aços inoxidáveis, por exemplo, as peças MIM geralmente atingem 80-90% da resistência à fadiga das peças forjadas ou fundidas devido ao tamanho maior do grão do cristal e à porosidade residual, causando fraqueza.

Sinterização é o mesmo que soldagem?

Não, sinterizar não é o mesmo que soldar. Embora a fusão de grânulos de pó em um todo envolva frequentemente uma forma de soldagem nos pontos de contato, a sinterização difere amplamente de qualquer processo que se enquadre na categoria “soldagem”, pois a soldagem envolve a liquefação completa do material de enchimento e do material nativo no ponto de solda.



Dean McClements

Dean McClements é graduado em Engenharia Mecânica com mais de duas décadas de experiência na indústria de manufatura. Sua jornada profissional inclui funções significativas em empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace e Hyster-Yale, onde desenvolveu um profundo conhecimento de processos e inovações de engenharia.

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