Design de Fundição de Metais: Criando Componentes Duráveis e Custo-Efetivos

Engenharia de fundições metálicas para qualidade e valor

Bom design de fundição de metais significa criar o molde mais simples que produzirá uma forma desejada. Este processo requer conhecimento especializado de metais e métodos de fundição para encontrar o melhor valor em uma fundição de qualidade.

Usuários finais frequentemente precisam saber como um objeto de metal fundido se comportará quando atingido, em diferentes condições de calor — e o mais importante, sob carga. Ele empenará, rachará ou deformará com o tempo? Estes requisitos mecânicos determinam que tipo de metal é melhor para um produto. Designs de metal também podem requerer um certo grau de acabamento por razões estéticas ou mecânicas. Um engenheiro ou designer escolhe metais e métodos de fundição para responder a estas necessidades, e cria um design usando sua experiência de como material e método influenciam um ao outro na fundição. Conhecer o comportamento do metal em estados líquido, de resfriamento e sólido é importante ao criar um design que minimizará problemas no chão de fábrica.

Variáveis no design de fundição de metais

Fundibilidade do metal

Existem quatro características principais do metal que afetam o resultado de um design de fundição:

• Fluididez é a facilidade com que vários metais fluem em estado fundido. Quanto mais fluido um metal é quando líquido, melhor ele pode capturar pequenos detalhes dentro de um molde.
• Retração é a taxa de contração do metal fundido à medida que esfria de um estado líquido. Retração líquida descreve a taxa de contração quando o metal começa a esfriar pela primeira vez, retração de solidificação descreve o ponto no tempo em que o metal começa a congelar de líquido para sólido, e retração sólida quando o metal já solidificou. Estas taxas podem prever tensões e defeitos que podem ocorrer durante o resfriamento. Se partes do design congelarem muito mais rápido que outras, pode desafiar a integridade da fundição.
• Formação de escória ou carepa descreve a presença de inclusões não metálicas em uma fundição, e onde são aceitáveis (superfície) ou prejudiciais (subsuperfície).
• Temperatura de vazamento é a temperatura na qual uma dada liga pode ser vazada; quanto mais quente o metal, mais desafios de produção se apresentam.

Transferência de calor

Duas diferentes taxas de transferência de calor afetam quão rapidamente um metal solidifica dentro de um molde. Uma é a dispersão de calor do metal através de si mesmo, e a outra a taxa de transferência de calor de onde a fundição toca o molde. Estas taxas ajudam a determinar o diferencial de temperatura geral através da fundição, bem como o resfriamento diferencial que pode acontecer conforme seções da fundição mudam de estado primeiro.

Padrões de solidificação

Geralmente, uma fundição resfria mais rapidamente onde toca o molde, cristalizando da borda para dentro. Conhecer as taxas de cristalização, transferência de calor e retração de um dado metal permite a um engenheiro ou metalurgista prever o padrão de cristalização através da fundição. Ao buscar minimizar problemas com retração, moldes são projetados com estes padrões de solidificação em mente. Partes do molde podem ser resfriadas com arrefecedores para criar retração mais rápida em uma seção. Outras partes da fundição podem ser conectadas a reservatórios, chamados alimentadores, que lentamente alimentam metal líquido em uma fundição em resfriamento para prevenir cavidades formadas conforme o metal solidificante retrai.

Mudanças de forma e tamanho de seção

Pontos quentes em fundições em resfriamento podem ser formados onde há aumento de espessura no material. Onde possível, é útil projetar fundições de espessura uniforme, mas quando isso não é possível, designs podem minimizar tensão mudando gradualmente a inclinação das paredes e garantindo que em todos os lugares a espessura mínima de metal seja preservada.

Junções entre seções

Ângulos agudos em junções entre seções são uma área em que engenheiros estão atentos ao considerar espessura de fundição. A menos que um designer seja cuidadoso, duas ou mais seções de uma fundição que se juntam podem criar um volume maior de metal no ponto onde as seções se encontram. Se o designer suaviza estes cantos arredondando-os para longe de ângulos agudos, este volume pode ser tornado mais consistente com os volumes de metal de cada lado.

Estabilidade do molde

O molde de fundição deve ser capaz de lidar com o comportamento do metal enquanto esfria. Expansão, contração e desprendimento de gases (gases evoluindo do molde durante o vazamento que ficam presos na fundição solidificante) são todas possibilidades, dependendo do metal sendo usado. Os materiais usados no molde devem ser capazes de suportar o metal em todos os estados, sem fratura ou colapso.

Capacidade de acabamento de superfície

Diferentes métodos de moldagem produzem diferentes acabamentos. Se um produto precisa de um acabamento fino, os processos de moldagem tendem a ser mais caros. Em alguns casos, acabamentos de precisão são necessários apenas para parte do produto, e parte da fundição pode ser usinada após ser desmoldada: nestes casos, o metal precisa ser facilmente usinável. Acabamentos muito lisos tendem a vir de processos de moldagem mais intensivos e portanto mais caros, mas para objetos grandes isso é menos caro que usinar toda a superfície.

Outras considerações de design de molde

Para produzir uma fundição excelente a um bom preço, o designer deve minimizar ou eliminar machos caros, desmoldagens profundas e separações irregulares.

Desmoldagens

Desmoldagens referem-se ao afilamento nas paredes verticais de uma fundição. São necessárias para que um modelo, que é a imagem "positiva" do objeto sendo projetado, possa ser removido sem perturbar as paredes do molde.

Machos

Machos são usados para criar furos ou vazios intencionais dentro de uma fundição. São projetados para queimar durante a moldagem ou sacudir depois. São frequentemente caros de produzir, e em alguns designs podem ser evitados mudando a "linha de separação" do molde ou a orientação da fundição.

Linhas de separação

Linhas de separação são criadas onde as duas metades de um molde se juntam. Alimentadores e portas são frequentemente colocados ao longo da linha de separação, e por causa disso pode haver trabalho extra de metal necessário após a fundição ser removida, para tirar material extra. Pode também haver vazamentos de metal na linha de separação, geralmente finos e planos: isso é chamado de rebarba, e remoção de rebarba é um passo comum após a fundição.

Excelência no design de fundição

Ao projetar uma fundição de metal, entender a relação entre materiais e métodos é chave para fazer um produto de qualidade e valor. As dependências entre metal e molde são complexas. Conhecer as propriedades mecânicas necessárias para o produto final influenciará que metal é necessário; o comportamento do metal em estados líquido, de resfriamento e sólido determinará algumas das necessidades do molde. Por exemplo, metais com menos fluidez podem se sair melhor em moldes com menos detalhes pequenos: metais muito quebradiços ao resfriar podem ser menos adequados a designs com bordas agudas propensas a lascar. A temperatura de fusão requerida também determinará os desafios do processo no chão de fábrica — por exemplo, o alto ponto de fusão do aço requer um nível mais alto de monitoramento e precisão durante todo o processo de fundição. Experiência e comunicação entre designers, engenheiros e metalúrgicos podem ajudar a criar um produto superior ao menor preço.