As ferramentas de fundição constituem a base da fundição de metais. A fundição de metais é um processo no qual o metal fundido é vertido na cavidade de um molde, sendo depois arrefecido e solidificado para se obter a peça pretendida. Um plano de ferramentas bem concebido pode reduzir eficazmente os riscos associados à produção experimental e constitui um fator essencial para ajudar um projeto a avançar sem problemas desde a fase de prototipagem até à produção em série.
A MinHe é um fabricante líder de produtos metálicos na China, especializado em peças metálicas personalizadas. A fundição da MinHe utiliza principalmente três processos de fundição: fundição por baixa pressão, fundição por gravidade e fundição em areia. Os seus produtos abrangem uma vasta gama de materiais, incluindo alumínio, ferro, aço e cobre. Diferentes materiais e processos de fundição exigem diferentes conceções de ferramentas; por isso, a MinHe avalia cada projeto de molde com base em desenhos, volume de produção e normas de qualidade, para determinar se é adequado para fundição experimental, maquinagem e produção em série.
O que é um molde de fundição?
Um molde de fundição é uma ferramenta utilizada para conter o metal fundido e dar forma à peça fundida durante o processo de fundição. Depois de o metal fundido entrar na cavidade do molde, este preenche o espaço definido pelo molde, arrefece e solidifica.
Por «molde de fundição» entende-se normalmente o corpo do molde que dá forma diretamente à peça fundida. O termo «ferragem de fundição» tem um significado mais abrangente. Para além do próprio molde, pode também incluir modelos, caixas de núcleo, canais de alimentação, canais de alimentação secundários, sistemas de ventilação, arrefecimento, posicionamento e ejeção.
Os moldes de fundição podem assumir diferentes formas, tais como moldes descartáveis, moldes permanentes, moldes de areia, moldes metálicos, moldes de peça única e moldes de várias peças. As diferentes formas de molde estão normalmente relacionadas com o processo de fundição, a estrutura da peça e o volume de produção.
Tipos de ferramentas de fundição em diferentes processos de fundição
Os diferentes processos de fundição utilizam diferentes tipos de moldes e ferramentas, dependendo do material do molde, da estrutura da peça e do volume de produção.
Fundição em areia
A fundição em areia recorre normalmente a modelos, caixas de núcleos e moldes de areia para formar a peça fundida. É adequada para peças de grandes dimensões, produção em pequenas séries ou peças fundidas com cavidades internas complexas.
As ferramentas de fundição mais comuns incluem:
- Modelo: Determina a forma da peça fundida no interior do molde de areia e serve de base para o equipamento de fundição em areia.
- Caixa de núcleos: Produz núcleos de areia e está relacionada com as cavidades internas, os canais e a estabilidade da espessura das paredes.
- Placa de molde: Mantém o molde no lugar e melhora a eficiência e a repetibilidade da moldagem.
- Molde de areia: Contém o metal fundido e dá forma ao perfil da peça fundida, influenciando o estado da superfície e a estabilidade dimensional.
- Sistema de canal de alimentação e coluna de alimentação: Controla o fluxo e a alimentação do metal, o que está relacionado com a contração, as falhas de soldadura a frio e o enchimento completo.
Fundição por cera perdida
A fundição por cera perdida começa normalmente com a produção de modelos em cera através de um molde de injeção de cera, seguida da construção da concha, da remoção da cera e da fundição.
As ferramentas de fundição mais comuns incluem:
- Matriz de injeção de cera: Determina a consistência do modelo de cera e é importante para uma produção em lote estável.
- Modelo em cera: Reproduz a geometria final da peça fundida e influencia os detalhes da forma e o desempenho dimensional.
- Montagem do modelo de cera: Organiza vários modelos de cera e o sistema de canais de alimentação, o que influencia a disposição do vazamento e a limpeza posterior.
- Sistema de canalização: Controla o percurso do metal fundido que entra na estrutura e está relacionado com o enchimento e o controlo de defeitos.
- Ferramentas de apoio à fabricação de conchas: Ajudam no posicionamento do modelo em cera e na estabilidade da concha, reduzindo a variação entre lotes.
Fundição por gravidade
A fundição por gravidade utiliza normalmente moldes metálicos e é frequentemente aplicada a peças em liga de alumínio de volume médio e baixo, tais como suportes, tampas terminais, caixas, placas de cobertura e flanges.
As ferramentas de fundição mais comuns incluem:
- Molde metálico: Proporciona capacidade de moldagem repetível e está relacionado com a estabilidade dimensional e a qualidade da superfície.
- Cavidade do molde: Determina a forma, o perfil e as dimensões principais da peça fundida.
- Núcleo metálico ou núcleo de areia: Permite formar orifícios internos, cavidades ou estruturas complexas locais.
- Estrutura de ventilação: Liberta o ar e o gás da cavidade, reduzindo o risco de porosidade por gás e de enchimento incompleto.
- Estrutura de ejeção: Afeta a estabilidade da desmoldagem; um projeto inadequado pode causar deformações ou marcas de ejetor.
Fundição a baixa pressão
A fundição por baixa pressão utiliza normalmente um molde metálico e injeta o metal fundido na cavidade a partir de baixo, sob baixa pressão controlada. Este tipo de processo centra-se mais no enchimento estável, na alimentação, na ventilação e no controlo da temperatura do molde.
As ferramentas de fundição mais comuns incluem:
- Molde metálico: Dá forma à peça fundida e define a sua estrutura principal, estando relacionado com a consistência do lote.
- Interface do tubo ascendente: Liga o percurso de alimentação do metal fundido à entrada do molde e influencia a estabilidade do enchimento.
- Conceção da porta de injeção: Determina por onde o metal fundido entra na cavidade e como flui.
- Sistema de ventilação: Reduz o risco de retenção de ar e de porosidade causada por gases, especialmente no caso de peças estanques.
- Canais de arrefecimento: Controlam a sequência de solidificação e os pontos quentes, influenciando o encolhimento, a deformação e a vida útil do molde.
- Estrutura de ejeção: Ajuda à libertação suave da peça fundida e reduz a deformação ou os danos locais.
Fundição injectada a alta pressão
A fundição sob alta pressão utiliza um molde complexo e é adequada para peças produzidas em grandes volumes, de paredes finas e de geometria complexa.
As ferramentas de fundição mais comuns incluem:
- Matriz fixa e matriz móvel: Constituem a estrutura principal da matriz e determinam o método de abertura do molde e a posição da linha de separação.
- Cavidade do molde: Determina a forma da peça fundida, as dimensões principais e os detalhes locais.
- Corrediças: Formam orifícios laterais, recuos ou características externas complexas.
- Pinos ejetores: Empurram a peça fundida para fora da matriz; a localização dos pinos está relacionada com o aspeto e o risco de deformação.
- Sistema de canaletas e portas: Controla a direção do fluxo de metal, a velocidade e o percurso de enchimento.
- Ranhuras de transbordamento e ventilação: Libertam o ar e recolhem o metal frio na frente do fluxo, reduzindo a porosidade causada pelo gás e o risco de fechamento a frio.
- Canais de arrefecimento: Controlam a temperatura do molde, reduzem o tempo de ciclo e melhoram a estabilidade dimensional.
Funções das ferramentas de fundição
As ferramentas de fundição não se limitam a dar forma à peça. Também influenciam as dimensões, o estado da superfície, o controlo de defeitos, a margem de maquinagem e a estabilidade da produção em lote.
Controlo dimensional
O metal encolhe durante a solidificação e o arrefecimento. O projeto do molde deve ter em conta a taxa de encolhimento, a tendência para a deformação, o ângulo de desbaste e a margem de usinagem.
Se a compensação for insuficiente, a peça fundida poderá apresentar desvios na posição dos orifícios, espessura de parede irregular, baixa planicidade ou dimensões críticas instáveis.
Qualidade da superfície
O material do molde, a superfície da cavidade, a qualidade do molde de areia, a linha de separação, a posição do pino ejetor e o método de desmoldagem estão todos relacionados com o estado da superfície da peça fundida.
Se o molde estiver gasto ou mal conservado, a peça fundida poderá apresentar superfícies rugosas, excesso de material de fundição, marcas visíveis de desmoldagem ou defeitos superficiais localizados.
Controlo de defeitos
O projeto da porta, do canal de alimentação, da ventilação e do arrefecimento afeta o fluxo do metal fundido e a sequência de solidificação. Uma ventilação inadequada pode aumentar o risco de porosidade por gás. Uma alimentação insuficiente pode causar cavidades de contração ou porosidade por contração. Percursos de fluxo inadequados podem aumentar a ocorrência de falhas de soldadura a frio e o enchimento incompleto.
No caso de caixas de alumínio, corpos de bomba e peças de retenção de pressão, estes defeitos só podem tornar-se visíveis após a maquinagem CNC, os ensaios de estanqueidade ou a montagem.
Subsídio de maquinagem
Muitas peças fundidas industriais requerem maquinagem CNC em faces críticas, orifícios, roscas e referências de montagem. Durante a conceção do molde, é necessário confirmar as áreas de maquinagem, a margem de maquinagem e as referências da peça fundida em bruto.
Se a margem de usinagem for insuficiente, a peça fundida em bruto pode parecer aceitável, mas mesmo assim não cumprir os requisitos dimensionais finais ou de montagem.
Estabilidade do lote
Na produção em lote, o estado do molde afeta as dimensões da peça fundida em bruto, o estado da superfície e a variação dos defeitos. O desgaste do molde, as saídas de gás obstruídas, o arrefecimento desigual ou alterações na estrutura de ejeção podem, todos eles, causar diferenças entre lotes.
Os projetos de produção a longo prazo têm, normalmente, de ter em conta a manutenção dos moldes, as inspeções regulares e os planos de reparação necessários.
O que determina o custo das ferramentas de fundição?
O custo do equipamento de fundição não é fixo. Está normalmente relacionado com o processo de fundição, a estrutura da peça, o material do molde, o volume de produção, os requisitos de inspeção e o número de ciclos de ensaio e modificação.
Ao comparar orçamentos, os compradores não devem ter em conta apenas o custo inicial do equipamento de produção. Têm também de avaliar se o plano de produção é adequado para uma produção estável.
Processo de fundição
Os diferentes processos de fundição implicam custos de ferramentas distintos. Os modelos para fundição em areia têm, normalmente, um custo mais baixo e são adequados para peças de baixo volume ou de grandes dimensões. Os moldes metálicos para fundição por gravidade e fundição a baixa pressão são mais caros, mas proporcionam, normalmente, uma melhor repetibilidade dimensional e estabilidade de produção.
Os moldes para fundição sob alta pressão são, normalmente, os mais caros e mais adequados para peças produzidas em grandes volumes, com paredes finas e de geometria complexa.
Tamanho da peça
Quanto maior for a peça, maior será, normalmente, o molde. Isto aumenta os requisitos em termos de material do molde, equipamento de maquinagem e tempo de fabrico.
As peças fundidas de grandes dimensões podem também exigir operações mais complexas de elevação, posicionamento e preparação para a produção experimental.
Complexidade estrutural
Cavidades profundas, paredes finas, contra-cortes, nervuras complexas e múltiplas linhas de divisão aumentam a dificuldade do projeto e do fabrico do molde.
Quanto mais complexa for a estrutura, maior será a probabilidade de ser necessário proceder a ajustes experimentais e a modificações no molde.
Cavidades internas e núcleos
Se a peça fundida tiver canais internos, orifícios ou cavidades complexas, são normalmente necessárias caixas de núcleo e núcleos de areia.
Um maior número de núcleos de areia implica um posicionamento mais complexo e riscos mais elevados de deslocamento dos núcleos e de variação dimensional. Isto pode aumentar os custos com as ferramentas, bem como dificultar a validação dos ensaios e o controlo de qualidade.
Material do molde
Os modelos em madeira, os modelos em resina, os moldes em alumínio, os moldes em ferro fundido, os moldes em aço e os moldes em aço para ferramentas diferem em termos de custo, vida útil e flexibilidade de modificação.
Os projetos de baixo volume podem ser mais adequados para materiais de ferramentas de menor custo e mais fáceis de modificar. Os projetos de alto volume requerem, normalmente, moldes metálicos mais duráveis ou moldes de fundição sob pressão.
Volume de produção
O volume de produção pretendido influencia o nível de investimento em ferramentas. Os projetos de baixo volume centram-se mais no custo inicial das ferramentas, enquanto os projetos de alto volume se concentram mais na vida útil do molde, na eficiência da produção, nos custos de manutenção e na estabilidade a longo prazo.
Se o projeto tiver um plano de abastecimento a longo prazo, a vida útil dos moldes e os custos de manutenção devem ser avaliados numa fase inicial.
Período experimental e alterações
Após o fabrico do molde, é normalmente necessária uma produção experimental. As amostras experimentais têm de ser verificadas quanto às dimensões, qualidade da superfície, margem de maquinagem e defeitos.
No caso de peças vedadas ou que retêm pressão, também podem ser necessários ensaios de estanqueidade, ensaios de pressão ou outras inspeções. Se, após a produção experimental, forem detetados desvios dimensionais, porosidade por contração, porosidade por gás, falhas de soldadura a frio ou margem de usinagem insuficiente, poderá ser necessária uma modificação do molde.
Conclusão
O valor das ferramentas de fundição torna-se frequentemente evidente após a produção experimental. Quando um desenho é convertido num molde, num modelo ou numa caixa de núcleos, fatores como a margem de retração, as linhas de separação, o posicionamento dos núcleos, a ventilação e as áreas de maquinagem já estão integrados no plano de produção. Se estes detalhes não forem analisados cuidadosamente no início, as modificações posteriores ao molde e os ajustes ao processo podem tornar-se mais limitados.
À medida que os projetos de fundição personalizados continuam a aumentar, as ferramentas de fundição já não se limitam à fabricação tradicional de moldes. Os modelos impressos em 3D, os protótipos rápidos, as ferramentas flexíveis ajustáveis, o arrefecimento otimizado em moldes metálicos e os dispositivos de maquinagem ou inspeção estão a desempenhar um papel cada vez mais importante na transição do protótipo para a produção em série.
Para a MinHe, a avaliação do equipamento de moldagem é normalmente realizada em conjunto com a seleção do processo de fundição de baixa pressão, fundição por gravidade e fundição em areia. O plano final de equipamento de moldagem deve ter em conta a formação da peça fundida, a maquinagem pós-fundição e o volume de produção, em vez de ser considerado apenas como um orçamento para um único molde.
