Fundamentos da Fundição de Metais: História, Técnicas e Aplicações Modernas

Esta introdução à fundição de metais fornece uma visão geral breve e a história do processo de fundição, bem como um resumo das técnicas de fundição comuns utilizadas atualmente. O objetivo deste artigo é dar aos novos fabricantes uma melhor compreensão de como funciona a fundição de metais e quais etapas estão envolvidas na produção de peças fundidas. Ao final da leitura, o leitor deve ter uma visão clara das oportunidades apresentadas pela fundição de metais e uma sólida apreciação do seu potencial como método de fabricação moderno.

Para obter informações mais detalhadas, clique nos links e botões colocados ao longo deste artigo para acessar posts, páginas e e-books que abordam aspectos específicos da fundição de metais.

O que é Fundição de Metais?

O termo fundição de metais refere-se ao processo de formar um produto ou peça a partir de metal fundido, utilizando qualquer tipo de molde para governar sua forma final. Uma peça fundida, por outro lado, é o produto ou peça resultante do processo de fundição de metais. Ao longo deste artigo e em outras partes do nosso site, usamos a palavra fundição de forma intercambiável, seja como substituto para o processo de fundição de metais ou para o objeto, uma peça fundida.

Definição de Fundição de Metais:

Um processo de fabricação no qual metal fundido é vertido em uma cavidade (molde) que mantém o metal em uma forma específica enquanto ele se solidifica.

Etapas Gerais da Fundição de Metais

1. Criar o modelo mestre e a caixa de núcleo. A primeira etapa na fundição de metais é criar um objeto com forma semelhante à do produto desejado, chamado modelo. O modelo é uma ferramenta usada para produzir o molde e deve ser ligeiramente maior que o produto final para compensar a contração durante a solidificação. Na fundição de metais, os modelos são frequentemente produzidos por usinagem CNC. Da mesma forma, os núcleos, conforme descrito na etapa 2, são criados usando outro tipo de ferramental: caixas de núcleo. Métodos de fundição que utilizam moldes reutilizáveis, como a fundição em molde permanente, normalmente não requerem modelos ou caixas de núcleo. Nesses casos, os fabricantes de ferramentas podem produzir o molde e o núcleo diretamente.
2. Criar o molde e o núcleo. Para produzir uma peça fundida com sucesso, o fabricante deve primeiro criar uma cavidade de molde para conter e moldar o metal fundido. Em muitos casos, também deve produzir um núcleo que se encaixe dentro do molde, formando cavidades ocas na peça final. Moldes e núcleos podem ser reutilizáveis, como na fundição sob pressão ou fundição em molde permanente, ou de uso único, como na fundição em areia verde ou fundição em molde de casca.
3. Fundir a liga. Em seguida, o fabricante deve fundir o metal. Frequentemente, o metal utilizado é uma liga, ou seja, uma mistura de elementos que, juntos, fornecem propriedades mecânicas ideais. Os processos de fusão variam: na sua forma mais simples, a fusão consiste em colocar a liga em um recipiente com ponto de fusão mais alto e aquecê-la sobre um queimador ou chama aberta. Métodos de fusão mais contemporâneos, como a fusão por indução, baseiam-se nas propriedades físicas das ligas para fundi-las e levá-las à temperatura de fundição de forma mais eficiente.
4. Verter o metal fundido no molde. Uma vez que a liga é fundida, o fabricante deve verter o metal fundido na cavidade do molde. Normalmente, isso é realizado com um sistema de concha, que suporta o processo de vazamento e permite que os operadores controlem a velocidade de vazamento manual ou automaticamente. Técnicas incorretas de vazamento podem levar a defeitos, pois gases podem ficar presos dentro do molde, causando furos na peça fundida resultante.
5. Permitir que o metal se solidifique. Após o vazamento, o fabricante deve criar condições ideais para que o metal se solidifique dentro do molde. Novamente, os fabricantes devem considerar a contração do metal fundido à medida que esfria, bem como a liberação de gases que se acumulam dentro do molde durante o vazamento.
6. Remover a peça fundida do molde. Quando o metal esfriou e solidificou suficientemente, o fabricante deve remover a peça fundida do molde. Em métodos que empregam moldes de uso único, os operadores simplesmente quebram o molde para libertar a peça. Para moldes reutilizáveis, revestimentos especiais são frequentemente utilizados para evitar aderência, e características que permitam a remoção da peça (como pinos ejetores) devem ser projetadas no molde.
7. Acabar a peça fundida. A maioria das peças fundidas deve passar por processos de acabamento como limpeza (remoção de material excedente da peça); remoção de canais de vazamento (remoção dos canais de vazamento da peça); tratamento térmico (aquecimento e resfriamento controlado das peças fundidas para aumentar propriedades físicas) e inspeção para controle de qualidade. Muitos produtos também passam por processos de usinagem CNC para melhorar a precisão dimensional e o valor estético.

História da Fundição de Metais

Grande parte do que sabemos hoje sobre as origens da fundição de metais baseia-se em achados arqueológicos. Felizmente, a durabilidade das peças fundidas significa que muitos artefatos sobreviveram por milhares de anos.

As primeiras fundições eram frequentemente estátuas artísticas, ferramentas e armas, e os primeiros metais utilizados na fundição foram cobre e estanho, ou uma liga feita dos dois metais chamada bronze. Civilizações nos continentes asiático e europeu experimentaram outros materiais e continuaram a utilizar a fundição por milhares de anos. À medida que os processos foram refinados e as técnicas registradas em linguagem precisa, o escopo de produtos fundidos também se expandiu. Na Idade Média, as fundições europeias eram encarregadas principalmente de produzir sinos de igrejas.

Na imagem à direita está o Castiçal de Gloucester, uma elaborada fundição por cera perdida (investimento) produzida para a Catedral de Gloucester na Inglaterra entre 1104 e 1113 d.C.

No século XX, a fabricação automotiva – impulsionada em parte pelas técnicas de produção em fluxo da Ford Motors – aumentou a demanda por fundidos e levou a novos avanços no processo. O aço foi inventado, e em meados do século XX o aço inoxidável já era amplamente utilizado para fundição. Tanto a Primeira quanto a Segunda Guerra Mundial testaram os limites da fundição nos Estados Unidos, Europa e Japão. Processos antigos, como a fundição por investimento, foram refinados para produzir melhores fundidos mais rapidamente. Novos processos, como a fundição sob pressão e a fundição em molde de casca, também foram desenvolvidos durante o século XX.

Processos de Fundição de Metais

Os seguintes processos de fundição de metais representam algumas das técnicas mais comuns e versáteis no arsenal de uma fundição. Alguns métodos datam de milhares de anos, enquanto outros têm menos de um século, e cada um desses processos é o método de fundição ideal para certos tipos de produtos. Aqui oferecemos uma breve visão geral de cada processo. Para informações mais aprofundadas, clique nos links fornecidos em cada seção.

Fundição por Investimento (Cera Perdida)

A mais antiga técnica de fundição de metais ainda em uso em escala industrial, a fundição por investimento é um processo engenhoso que envolve cobrir um modelo de cera com a forma do produto final com material refratário, depois derreter a cera e substituí-la por metal fundido.

Saiba Mais Sobre Fundição por Investimento

• Guia de Fundição por Investimento (Ebook)
• Capacidades de Fundição por Investimento na Eagle Precision Cast Parts, Inc.
• Estudo de Caso de Fundição por Investimento: Da Fabricação Desajeitada à Fundição Elegante

Fundição em Areia Verde

A fundição em areia verde é uma técnica versátil de fundição de metais com baixos custos de ferramental, na qual areia úmida ligada com argila é compactada ao redor de um modelo para formar um molde. Os moldes resultantes podem ser usados para fundir praticamente qualquer liga, e a maior parte da areia usada para formar o molde pode ser recuperada e reciclada.

Saiba Mais Sobre Fundição em Areia Verde

• Introdução à Fundição em Areia Verde (post de blog)
• Capacidades de Fundição em Areia Verde na Eagle Aluminum Cast Products, Inc.

Fundição em Molde de Casca (Shell Molding)

Também conhecida como fundição em casca ou molde de casca, a fundição em molde de casca foi inventada em meados do século XX por um engenheiro alemão e subsequentemente aperfeiçoada por fabricantes nos EUA e na Alemanha. O processo envolve cobrir um modelo com grãos de areia revestidos de resina que se ligam entre si com a aplicação de calor. A fundição em molde de casca proporciona alto grau de precisão e excelente repetibilidade.

Saiba Mais Sobre Fundição em Molde de Casca

• Guia do Processo de Fundição em Molde de Casca (Ebook)
• Introdução à Fundição em Molde de Casca (série de blogs)
• Capacidades de Molde de Casca na Eagle Alloy, Inc.

Fundição em Molde Permanente

A fundição em molde permanente, como o nome indica, utiliza moldes reutilizáveis em vez dos moldes descartáveis envolvidos na fundição em areia. O ferramental pode ser complicado de produzir, e as ligas são um pouco limitadas com base na temperatura de fusão, mas produções de alto volume podem atingir baixos custos por peça. Repetibilidade, acabamento superficial e precisão são excelentes em peças fundidas em molde permanente.

Saiba Mais Sobre Fundição em Molde Permanente

• Primeiros Passos com Fundição em Molde Permanente (post de blog)
• Estudo de Caso de Pás de Ventilador de Alumínio Fundidas em Molde Permanente
• Capacidades de Fundição em Molde Permanente na Eagle Aluminum Cast Products, Inc.

Fundição Airset (No-Bake)

Outra variação da fundição em areia, a fundição airset – também conhecida como fundição no-bake – utiliza areia ligada quimicamente que solidifica à temperatura ambiente. O processo pode ser mais demorado que a fundição em areia verde ou molde de casca devido ao tempo necessário para os moldes solidificarem, mas o ferramental é barato e excelente precisão dimensional e acabamento superficial podem ser alcançados através da fundição airset.

Saiba Mais Sobre Fundição Airset

• Primeiros Passos com Fundição Airset (post de blog)
• Capacidades de Fundição Airset na Eagle Alloy, Inc.

Fundição sob Pressão (Die Casting)

A fundição sob pressão é outro método de fundição que utiliza moldes reutilizáveis. Em contraste com a fundição em molde permanente, a fundição sob pressão emprega injeção de alta pressão para preencher rápida e completamente a cavidade do molde. A fundição sob pressão pode fornecer excelentes parâmetros de fundição, mas os custos iniciais muitas vezes limitam seu uso a produções de alto volume.

Saiba Mais Sobre Fundição sob Pressão

• O que é o Processo de Fundição sob Pressão? (Vídeo)

Fundição de Metais: Um Processo de Fabricação Moderno com Raízes Antigas

Hoje, a fundição de metais é uma indústria de 33 bilhões de dólares que responde por quase 200.000 empregos apenas nos EUA. Peças fundidas são utilizadas em 90% dos bens duráveis, desde equipamentos de construção até dispositivos médicos. Segundo a American Foundry Society, "A maioria das pessoas raramente está a mais de 3 metros de uma peça fundida." Novas tecnologias e processos aprimorados estão tornando as peças fundidas melhores e mais complexas do que nunca, o que significa que as fundições podem expandir para novos mercados, aumentando ainda mais a prevalência da indústria de fundição de metais.

As instalações de fundição regularmente fazem parcerias com o governo dos EUA e universidades para garantir que a indústria de fundição beneficie-se de pesquisas de ponta. Uma dessas parcerias com o Departamento de Energia dos EUA já conseguiu desenvolver fundidos mais leves, fundidos que requerem menos pós-processamento e fundidos que utilizam uma gama mais ampla de ligas.

Tecnologias relativamente novas, como a impressão 3D, podem ser usadas em conjunto com a fundição de metais para criar protótipos, modelos e até moldes mais rapidamente do que antes. Organizações de defesa estão trabalhando para tornar esse tipo de tecnologia, e outras que podem ajudar a avançar a indústria de fundição como um todo, mais amplamente disponíveis. A Steel Founders Society of America (SFSA) está atualmente desenvolvendo uma célula robótica que pode ser estudada e adotada por fundições associadas. O objetivo é melhorar a automação em toda a indústria, tornando possível trazer de volta mais empregos de fundição.

Enquanto isso, na frente de divulgação, a American Foundry Society (AFS) realiza uma variedade de programas voltados para educar tanto o público quanto legisladores dos EUA sobre o potencial da fundição de metais. Desde sua parceria com a National Association of Manufacturers na promoção do Manufacturing Day até seu Fly-in Anual de Assuntos Governamentais, a AFS prioriza preparar a próxima geração de profissionais de fundição.

Após uma longa história de inovação, a fundição de metais permanece na vanguarda da tecnologia de fabricação. Embora o processo essencial permaneça o mesmo usado pelos primeiros fundidores, a fundição evoluiu além de suas origens humildes para atender às necessidades dos consumidores modernos.

Saiba Mais Sobre Compra de Produtos Fundidos Brutos e Usinados