A Operao de Prensagem: Consideraes

Tcnicas e sua Aplicao Industrial.

Parte V: Descrio da Etapa de Prensagem.

J.L. Amors Albaro

Resumo: No desenvolvimento do tema se aborda primeiramente a preparao do p paraprensagem e os aditivos usualmente empregados (lubrificantes, plastificantes e ligantes). Aseguir so analisados os fenmenos e processos que ocorrem nas distintas etapas da prensagem:preenchimento do molde, compactao e extrao das peas prensadas. Na etapa da compac-tao, so estudados os estados e mecanismos de compactao, que relacionam a reduo daporosidade da camada de aglomerados com a presso de compactao. Posteriormente seestuda a influncia das distintas variveis de operao (em especial as caractersticas do p)sobre a evoluo da operao de compactao e as propriedades das peas. So abordadas asinfluncias dos aditivos, a compacidade dos grnulos, o tamanho mdio e a distribuio detamanhos dos aglomerados e a estrutura dos grnulos. Finalmente se estuda a transmisso dapresso na camada de p e, na prensagem uniaxial, o efeito de parede.

Tambm so estudadas as relaes entre a resistncia mecnica e as caractersticas das peasprensadas, analisando o efeito dos ligantes e da umidade; da compacidade das peas e da plasticidadee tamanho dos grnulos do p granulado. Na parte final so detalhados os dois tipos de prensagem,o uniaxial e o isosttico, apresentando as diferenas das tcnicas e dos programas de compactaousualmente empregados na indstria assim como os principais defeitos e problemas associados stcnicas de prensagem.

Palavras-chaves: p de prensagem, aditivos, fases da prensagem, equao de compac-tao, resistncia mecnica de peas prensadas, prensagem de revestimentos cermicos

A Prensagem Uniaxial:Atualmente, a prensagem uniaxial a tcnica de con-

formao de peas mais empregada no processamento demateriais cermicos. Ela consiste na compactao de umamassa aglomerada contida em uma cavidade rgida, medi-ante a aplicao de presso em apenas uma direo axialatravs de um ou vrios punes rgidos. A cavidade rgida composta pela base mvel denominada puno inferior e pelas paredes, que podem ser mveis ou fixas, chamadasde matriz do molde.

As diferentes tcnicas de prensagem se diferenciam pelamovimentao destes elementos bsicos do molde: opuno superior, o puno inferior e a matriz, bem comopelo nmero de elementos responsveis pela aplicao dapresso.

Na prensagem uniaxial de ao simples (Figura 48) apresso aplicada atravs do puno superior, que intro-duzido na cavidade que contm a massa, formada pelamatriz e pelo puno inferior, os quais permanecemimveis nesta etapa. Uma vez compactada a pea, o punosuperior retirado e o deslizamento do puno inferior

permite a extrao da pea do molde. Devido frico entreos aglomerados e entre estes e a parede do molde, surgem

Figura 48. Prensagem uniaxial de ao simples.

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gradientes de densidade na pea (Parte III). A prensagemuniaxial de ao simples empregada quando se necessitaobter peas de geometria simples e de espessura reduzida.

A prensagem uniaxial de dupla ao (Figura 49) empregada quando a espessura da pea muito grande parao emprego da tcnica de ao simples. Nestes casos, tantoo puno superior como o inferior exercem presso sobre amassa contida no molde. Uma vez finalizada a aplicao dacarga, a retirada do puno superior e o movimento ascen-dente do puno inferior permitem a extrao da pea.Neste caso a distribuio de densidades ao longo da pea simtrica, como pode ser visto na Figura 50.

Nos casos em que a frico entre os grnulos e asparedes do molde provoca uma excessiva heterogeneidade

na densidade da pea e/ou a formao de trincas durante aextrao da pea, recomendvel que a matriz tambm sejamvel. Nesta tcnica, durante a fase de compactao, amatriz acompanha, parcialmente, o movimento do punosuperior, e, na fase de extrao, enquanto o puno superior removido, a matriz desce ainda mais, para facilitar aextrao da pea. Esta tcnica denominada prensagemuniaxial (por ao simples ou dupla) com molde oumatriz mvel (Figura 51).

Para a obteno de peas de geometrias mais com-plexas, faz-se necessrio o emprego de vrios punes,superiores e/ou inferiores, que se movimentam de formasincronizada em funo do programa de compactao pre-viamente estabelecido (Figura 52).

A Prensagem de RevestimentosCermicos. Equipamento eProgramas de Compactao.

Dada a importncia atual da fabricao de revestimen-tos cermicos atravs da prensagem, tanto a nvel mundial(cerca de 3,5 bilhes de m2/ano aproximadamente 45bilhes de peas/ano) como no entorno scio-econmicoda Universidade Jaume I (385 milhes/m2 ano, 14% daproduo mundial), neste trabalho trataremos das prensas eprogramas de prensagem habitualmente empregados nestasindstrias para ilustrar os equipamentos industriais e seufuncionamento.

Prensas e Moldes

Atualmente, so utilizadas prensas do tipo hidrulicas,isto , a presso que chega aos punes transmitidamediante um fludo pressurizado, normalmente um leo(Figura 53). Os principais componentes de uma prensahidrulica so os seguintes:

Figura 51. Prensagem uniaxial de ao simples com matriz mvel.Figura 50. Distribuio da densidade aparente em peas obtidas porprensagem uniaxial. Efeito do tipo de prensagem utilizado.

Figura 49. Prensagem uniaxial de dupla ao.

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i. Sistema de alimentao (Figura 54), cuja finalidade preencher as cavidades do molde com a massa (normal-mente obtida mediante secagem por atomizao), nivela-lae extrair a pea compactada no ciclo anterior. Consiste emum recipiente metlico retangular, em cujo interior existembarras (normalmente transversais direo de preen-chimento), que funcionam como separadores, usualmentechamados de rguas. So dispostas convenientemente como fim de se obter a distribuio mais homognea possvelda massa nas cavidades do molde. O sistema alimentadopor um distribuidor, que pega a massa granulada, previa-mente armazenada (peneirada, misturada, etc...), de um silode recepo (Figura 53).

ii. Sistema hidrulico, composto por: Reservatrio de leo, normalmente localizado no in-

terior da estrutura da prensa.

Sistema hidrulico, capaz de bombear o leo ne-cessrio para realizar as distintas operaes que com-pe o ciclo de prensagem. O sistema hidrulicoconsiste em um motor eltrico, uma bomba de pistoe um trocador de calor que mantm o leo no intervalode viscosidade de trabalho (2.0 - 3.2 E).

Sistema multiplicador da presso que aumenta apresso na regio do sistema que transmite a pressoao puno superior.

iii. Sistema de prensagem (Figura 53), composto doselementos mecnicos que realizam a compactao da massae, posteriormente, a extrao da pea. Estes elementos seencontram inseridos na estrutura rgida da prensa. Os prin-cipais so:

a travessa mvel, que se adere magneticamente aopuno, ou punes, dependendo do nmero etamanho das peas que se deseje obter (Figura 55).

A matriz que contm as cavidades, cujo nmero etamanho dependem do nmero e formato das peasque se deseje obter, e os punes inferiores mveis,que se localizam nas cavidades da matriz (Figura 55).

iv. Sistema automatizado de controle, que regula ele-tronicamente o ciclo de prensagem.

Ciclo de prensagem ou programa de compactao.

Ciclo de prensagem ou programa de compactao adenominao referente ao conjunto de aes sincronizadasefetuadas pelos elementos principais da prensa que in-tervem nas distintas etapas que compreendem a pren-sagem.

O ciclo de prensagem ou programa de compactaonormalmente empregado na conformao de revestimentoscermicos constitudo pelas seguintes etapas:

preenchimento do molde ciclo da primeira prensagem perodo de desaerao ciclo da segunda prensagem, e extrao da pea

Figura 53. Prensa hidrulica para a fabricao de revestimentoscermicos.

Figura 54. Sistema de alimentao e distribuio da massa.

Figura 52. Esquema de um molde para a obteno de peas de formacomplexa atravs de prensagem uniaxial.

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O programa todo, que dura cerca de 3.5 segundos, podeser acompanhado com a ajuda das Figuras 56, 57 e 58.

O ciclo comea com o avano do sistema de alimen-tao (A), prvia e convenientemente carregado com amassa, que se desloca at a cavidade da prensa. (Nesteinstante, a travessa e o puno inferior esto em suasposies mais altas e no existe presso no sistemahidrulico principal) (Figura 57).

Quando se encontra em uma determinada posio sobrea cavidade (B), ocorre o primeiro deslocamento para baixodos punes inferiores (C) e a cavidade comea a serpreenchida. A velocidade de descida do puno (inclinaodo segmento CD) muito alta, fazendo com que esterapidamente alcance o ponto final da primeira descida (D),que determina a espessura da camada de massa.

No seu movimento de retrocesso (E), o sistema dealimentao dispe de um elemento, localizado em suaparte dianteira, chamado de nivelador, que retira a massaem excesso da cavidade.

Uma vez preenchida a cavidade, o puno inferior desceat um segundo ponto (F), acomodando a massa para suacompactao (Figura 58). Neste instante inicia-se a descidada travessa. Na representao da variao da posio datravessa com o tempo pode-se distinguir trs segmentos: aprimeira descida rpida (EG), um segundo momento defrenagem (GH), praticamente imperceptvel nesta forma derepresentao, e finalmente um segmento horizontal (HI),no qual a travessa fica apoiada diretamente sobre a massa.

A seguir, inicia-se a primeira prensagem, aumentandoa presso sobre a massa (JL) com a descida da travessa (M).

Quando se completa a primeira prensagem, a pressodiminui tanto no sistema hidrulico como na pea, sendoque a travessa se levanta ligeiramente devido ao efeito dosamortiguadores laterais (N). Neste momento se inicia operodo de desaerao, no qual a travessa levanta e semantm em uma posio mais alta para facilitar a evacua-o do ar aprisionado no compacto.

Depois do perodo de desaerao comea a segundaprensagem (O). O segmento de ascenso apresenta clara-mente duas regies distintas: uma primeira, na qual toda apresso necessria fornecida pelo sistema hidrulico (OP)e uma segunda em que o sistema multiplicador proporcionaa presso necessria (PQ) para completar a segunda pren-sagem.

Uma vez atingida a presso mxima programada para asegunda prensagem, diminui a presso no sistemahidrulico principal (QR) e sobe a travessa (ST), iniciando-se a extrao da pea com a subida do puno inferior (UV).

Figura 55. Molde de prensas para a fabricao de revestimentoscermicos.

Figura 57. Programa de compactao. Preenchimento do molde.

Figura 56. Programa de compactao.

Figura 58. Programa de compactao. Compactao/extrao.

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Neste caso a extrao da pea realizada em uma nicaetapa, e o puno inferior sobe junto com a travessa, at quea pea compactada se encontre fora da cavidade.

Quando a travessa volta sua posio inicial, inicia-seo ciclo seguinte, com o avano do sistema de alimentaoe a retirada da pea compactada anteriormente.

Na Tabela IV apresentada, para uma velocidade deprensagem de 17 batidas/min, a durao de cada uma dasetapas do ciclo de prensagem.

Defeitos e Problemas Associados Prensagem Uniaxial

Alguns dos problemas e defeitos mais freqentes queaparecem ao longo do processo de fabricao de peascermicas conformadas por prensagem uniaxial devidos auma inadequada realizao desta operao so:

Compacidade inadequada da pea Desgaste do molde por abraso Formao de trincas

Falta de uniformidade da compacidade no interior dapea e/ou entre peas

i. Compacidade inadequada da pea. Este defeito podeestar relacionado a uma falta de controle na preparao damassa. A variao no teor de umidade da massa, provocadapor alteraes nas condies de operao do secador atomizador ou granulador modifica sensivelmente a com-pacidade da pea prensada.

ii. Desgaste do molde por abraso. Este problema pro-voca uma mudana progressiva nas dimenses da pea eum deterioramento de sua textura superficial.

iii. Formao de trincas. O surgimento de trincas napea prensada pode ter diferentes motivos. Os maisfreqentes so: Desenho inadequado do molde, excesso dear aprisionado durante a fase de compactao, excessivaexpanso da pea durante sua extrao do molde, fricoelevada entre a pea e a parede do molde durante a extrao,etc.

Geralmente, as trincas comeam na bordas superioresda pea, ou durante a eliminao da carga (Figura 59-a), oudurante a extrao da pea do molde (58-b). No primeirocaso (59-a) a regio central da face superior da pea, queest em contato com o puno superior, se expande axial-mente, enquanto este retirado. Por outro lado, nas bordassuperiores, esta expanso est impedida pela frico entreas paredes da matriz e a superfcie da pea. Assim, sogeradas tenses de trao nas bordas superiores da pea,que podem provocar o surgimento de trincas, se o valordestas tenses superar a resistncia mecnica do materialnaquela regio.

A formao de trincas devido a este mecanismo,chamado de endcapping, pode ser evitada atravs dealguma ou algumas das seguintes aes:

Figura 59. Mecanismos de formao de trincas. (a) Formao de trincas durante a eliminao da carga; (b) Formao de trincas durante a extraoda pea.

Tabela IV. Durao das diferentes etapas da operao de prensagem.

Etapa de Prensagem Durao (s) %

Preenchimento da cavidade 1.338 39

Descida do puno superior 0.394 12

Primeira prensagem 0.320 9

Perodo de desaerao 0.955 28

Segunda prensagem 0.278 8

Extrao 0.77 2

Reposicionamento do puno superior 0.75 2

Total 3.437 100

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Reduo do coeficiente de frico do sistemapea/molde, atravs do emprego de um lubrificanteadequado.

Aumento da resistncia mecnica a verde da peaprensada, escolhendo natureza e proporo da faseligante mais adequadas.

Reduo da expanso de extrao. Retirada do puno superior sem a eliminao com-

pleta da carga, para evitar a expanso uniaxial da peadurante sua extrao.

O segundo mecanismo de formao de trincas (59-b)tambm est relacionado com a expanso de extrao dapea. medida que a pea extrada do molde, sua secoaumenta de tamanho. Esta expanso provoca o surgimentode tenses de trao na pea, logo acima da borda superiorda matriz, provocando a apario de trincas laminares(laminaes), quando o valor destas tenses supera o daresistncia mecnica do material. Para evitar o surgimentodeste defeito deve-se aumentar a resistncia mecnica averde da pea e reduzir ao mximo a expanso de extrao.O melhor modo de se conseguir isto uma seleo ade-quada da fase ligante.

iv. Falta de uniformidade da compacidade no interior dapea ou entre peas. As variaes excessivas na compaci-dade no interior de uma pea causam deformaes e dis-tores nas peas, inclusive quebra de peas durante aqueima. Por outro lado, se estas alteraes so entre peas,provocam uma falta de uniformidade entre os produtosqueimados.

Uma das causas da variao de densidade no interior deuma pea a frico entre as partculas e entre estas e amatriz, conforme visto anteriormente. Entretanto, geral-mente a principal causa deste tipo de defeitos umpreenchimento no-uniforme das cavidades do molde. Aregio da cavidade do molde que contiver mais massa nofinal da etapa de preenchimento ser a de maior compaci-dade aps a etapa de compactao. Se um molde contmdiversas cavidades para obter diversas peas com apenasuma prensagem, uma falta de uniformidade no preen-chimento provocar diferenas de compacidade entre as

peas. Para reduzir ou eliminar estes defeitos deve serotimizado o programa de operao do preenchimento domolde e aumentada a fluidez da massa.

Prensagem IsostticaCom a aplicao da presso em todas as direes da

pea se consegue alcanar uma grande uniformidade nacompacidade das peas, independente de sua forma, comopode ser comprovado na Figura 60.

Geralmente, so empregados dois tipos de prensagemisosttica: a de molde mido e de molde seco.

Tcnica do molde mido (Figura 61)

A massa introduzida no interior de um molde flexvele impermevel ao fludo pressurizado. Uma vez fechado, omolde submerso no lquido (geralmente gua) contido nacmara de presso. Na fase de compactao, o lquido, que pressurizado por uma bomba hidrulica, deforma o moldeflexvel e transmite uniformemente a presso massa. Umavez completo o ciclo de compactao, medida que reduzida a presso do lquido ocorre uma expanso tantodo molde como da pea, o que facilita a remoo desta.

Ainda que qualquer fluido incompressvel possa serempregado, o mais empregado a gua. O molde flexvel um elastmero, como o poliuretano. Sua flexibilidade e aespessura da parede so cuidadosamente selecionadas.

Figura 60. Distribuio da densidade aparente em peas obtidas porprensagem uniaxial e isosttica.

Figura 61. Prensagem isosttica. Tcnica do molde mido. Fases da operao.

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Em escala de laboratrio existem no mercado prensascapazes de alcanar presses da ordem de 1400 MPa. Asprensas industriais, entretanto, no superam os 400 MPa. Aetapa mais crtica da operao continua a ser opreenchimento do molde. As principais vantagens destatcnica so: a obteno de peas com uma distribuio decompacidade praticamente homognea, grande versatili-dade de formas e baixo custo do molde.

As principais desvantagens so: a excessiva durao dociclo de prensagem, da ordem de minutos ou mesmodezenas de minutos, a dificuldade de se automatizar aoperao e o elevado custo de mo-de-obra.

Tcnica do molde seco (Figura 62)

Esta tcnica foi desenvolvida para aumentar a veloci-dade de produo da tcnica de molde mido. Basicamente,nesta tcnica, em vez de submergir o molde em um fluido,ele feito com canais internos por onde se faz circular ofluido pressurizado. A maior dificuldade do mtodo re-pousa no desenho do molde, que alm de ser mecani-camente resistente deve ser capaz de transmitir de maneira

uniforme a presso massa. Uma vez obtido um desenho econstruo de molde adequados, a operao pode ser auto-

matizada e velocidades de at 1500 ciclo por hora podemser atingidas.

Figura 62. Prensagem isosttica. Tcnica de molde seco. Fases deoperao.

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