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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Como se produz um metal
Prototipagem rápida
Projeto FEUP 2014/2015 – LCEEMG e MIEMM:
Armando Sousa e Manuel Firmino Alexandre Leite e Sónia Simões
Equipa EMM11:
Supervisor: Filomena Viana Monitor: Tatiana Padrão
Estudantes & Autores:
António Paiva - [email protected]
Gonçalo Gorito - [email protected]
Gustavo Pereira - [email protected]
Ivo Salgado - [email protected]
João Martino - [email protected]
Projeto FEUP - 2014
Como de produz um metal – Prototipagem rápida 1
Resumo
Nesta unidade curricular que se denomina Projeto FEUP, o tema atribuído foi:
"Como se produz um metal?" o assunto abordado será a Prototipagem Rápida.
Neste relatório, começamos por descrever o que é a fundição, tipos de moldação e
seus respetivos processos. Foi importante adquirir conhecimento sobre este
processo pois é uma base para o assunto que será o principal.
Acerca da prototipagem rápida é descrito todo o processo: O que é? Para que
existe? E Porquê? são mencionados todos os tipos de processos de prototipagem
rápida e terminamos com um trabalho experimental onde o processo que
utilizamos é detalhado passo a passo.
A prototipagem rápida tem vindo a crescer, num mundo onde a evolução é
inevitável e o tempo um bem essencial, esta tecnologia torna-se cada vez mais
importante, pois conseguimos produzir um objeto 3D mais rapidamente que por
métodos tradicionais.
Palavras-chave
Fundição
Protótipo
Molde
Prototipagem rápida
CAD (Computer Aided Design)
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Como de produz um metal – Prototipagem rápida 2
Índice
Introdução .............................................................................................................................................. 3
Fundição .................................................................................................................................................. 4
Vantagens da fundição .................................................................................................................. 7
Desvantagens da fundição ........................................................................................................... 7
Prototipagem Rápida .......................................................................................................................... 8
Diferentes processos de Prototipagem Rápida .................................................................... 9
Trabalho Experimental ....................................................................................................................15
Conclusão ..............................................................................................................................................16
Recursos Consultados ......................................................................................................................17
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Como de produz um metal – Prototipagem rápida 3
Introdução
A fundição sofreu uma grande evolução desde a sua descoberta, e o homem veio
aperfeiçoando este processo, começando pelos pequenos trabalhos artesanais até
às técnicas usadas atualmente nas indústrias. Este processo consiste na fusão de
materiais ou ligas e posterior vazamento para um molde adequado. Por fim o
material fundido acaba por solidificar obtendo o produto pretendido.
A investigação em meios informáticos tem vindo a alterar os processos de trabalho
em projeto nas áreas da engenharia, tornando-os com maior qualidade, céleres e
levando a um desenvolvimento de produtos que permitam acompanhar a evolução
e as exigências do mercado internacional.
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Fundição
A fundição é o processo pelo qual os metais ou ligas metálicas em estado líquido
são vazadas num molde para a fabricação de vários tipos de peças, objetos
decorativos, joias, maquinas, etc. Normalmente a fundição é um processo simples e
económico para a produção de uma peça principalmente quando esta é de grande
porte.
A fundição pode dar origem a peças acabadas ou inacabadas. De um modo geral,
todas as peças fundidas passam por processos de acabamento (como por exemplo:
corte de canais, laminagem, rebarbação, polimento) e quando necessário podem
passar por tratamentos térmicos para conferir maior resistência.
Para que seja possível executar o processo de fundição é necessário seguir uma
certa ordem de etapas. Na generalidade, as etapas a executar são:
1. CONFEÇÃO DO MODELO
Consiste em construir um modelo com o formato aproximado da peça a ser
fundida. Esse modelo vai servir para a construção do molde e as suas
dimensões devem prever a contração do metal quando ele solidificar bem
como a eventual maquinação da peça.
2. CONFEÇÃO DO MOLDE
O molde é o dispositivo no qual o metal fundido é colocado para que se
obtenha a peça desejada. Este é moldado sobre o modelo que, após retirado,
deixa uma cavidade com o formato da peça a ser fundida.
3. FUSÃO DO METAL
É o processo em que se derrete o metal, num formo de fundição, para
formar a liga que se desejar produzir, no caso de ser uma fundição de ligas
metálicas, ou então, o metal puro quando se deseja somente derreter o
mesmo, tendo sempre em atenção o ponto de fusão do metal que estamos a
processar.
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4. VAZAMENTO
Consiste em vazar o metal no estado liquido para o molde.
5. SOLIDIFICAÇÃO
O metal fundido vai arrefecendo, passando do estado liquido ao sólido.
6. DESMOLDAGEM
Esta etapa consiste em separar a peça do molde e pode ser feita por
vibração, no caso do molde usado seja de carater temporário ou então por
separação das várias partes do mesmo.
7. ACABAMENTO
Nesta etapa os canais de vazamento são separados da peça e esta pode
passar por vários processos de maquinagem (laminagem, reberbaração,
polimento, etc.
Existem vários processos diferentes de se produzir peças fundidas, tais como:
• Fundição por gravidade;
• Fundição por centrifugação;
• Fundição sob pressão (cera perdida).
Cada um destes processos ajusta-se a determinadas exigências de qualidade, custo
e tempo, porém o início do processo é comum a todos – produção de um molde.
Molde é uma peça oca utilizada para dar forma ao fundido. Os moldes podem ser
de diferentes tipos que distinguem os processos de fundição:
• Molde temporário (exemplo: molde de areia de fundição);
• Molde permanente: permite a sua reutilização, podendo fabricar um
elevado número de peças (exemplo: molde metálico);
• Molde misto: possui partes em areia e partes em material metálico,
possibilitando variações de propriedades mecânicas e geométricas ao
longo da mesma peça.
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Podem ser aplicadas produtos desmoldantes, como o talco e a grafite, que facilitam
a sua extração do molde.
No processo de fundição também pode haver dispositivos denominados “machos”,
feitos em areia, que têm como finalidade ocupar os vazios, isto é, são colocados nos
moldes antes do vazamento de maneira a formar “ocos” na peça final.
A fundição em areia (fig. 1) é a mais utilizada na
produção de peças de aço e ferro e na produção do
alumínio, latão, bronze e magnésio.
A fundição por gravidade consiste em preencher e
solidificar as peças metálicas apenas com a utilização
da força da gravidade.
Na fundição por centrifugação (fig. 2) as formas
cilíndricas podem ser vazadas usando a força
centrífuga num molde giratório de modo a forçar o
metal a entrar para o interior deste.
Na
fundição sob pressão (fig. 3) os
moldes são produzidos em cera.
Neste processo o metal é bombeado
para dentro do molde e este é
arrefecido com água aumentando a
sua vida útil e permitindo um
arrefecimento mais rápido.
Fig. 1 - Molde de areia de fundição
Fig. 2 - Desenho de um molde para a fundição por centrifugação
Fig. 3 - Esquema da fundição sob pressão
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Vantagens da fundição
A principal vantagem da fundição é obter, de maneira econômica, peças de
geometria complexa. As fundições podem ser de materiais ferrosos ou não-
ferrosos e permite a produção de peças de paredes mais finas e tolerâncias
dimensionais mais estreitas. Produz peças quase que acabadas e pode ser utilizada
a mesma matriz para produzir milhares de peças, sem variações significativas nas
dimensões finais das peças.
Desvantagens da fundição
Os aços fundidos podem apresentar elevadas tensões residuais, microporosidade,
zoneamento e variações de tamanho de grão. Estes fatores resultam numa menor
resistência e ductilidade, quando comparados aos aços obtidos por outros
processos de fabricação como a conformação a quente. Os equipamentos e os
acessórios são relativamente caros para se fundir e também há grandes dispêndios
de energia para atingir temperaturas da ordem dos 1000 °C, de modo que o
processo somente se torna econômico para grandes volumes de produção.
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Prototipagem Rápida
Num sector industrial em que as fundições têm que fazer face a um mercado,
cada vez mais intenso e duro, a relação entre tempo e custo adquire uma maior
importância e para satisfazer as exigências de clientes, particularmente quanto a
preço e qualidade, é necessário recorrer a processos que produzam protótipos que
permitam analisar o valor funcional e também estético dos produtos de uma forma
satisfatória. Os gastos na criação destes protótipos podem mais tarde traduzir em
grandes lucros.
O recurso a protótipos tradicionais ligados à mão-de-obra é habitualmente um
processo vagaroso, de difícil acesso pela falta de trabalhadores qualificados, que
atualmente não responde às necessidades no cumprimento de prazos cada vez
mais apertados, sendo portanto o recurso à prototipagem rápida cada vez mais
necessário, pela grande capacidade de resposta que oferece no que diz respeito a
prazos, a controle de qualidade, permitindo uma análise mais rápida e detalhada
do produto a fim de evitar erros que podem mais tarde sair com enorme prejuízo.
A prototipagem rápida (PR) permite esta análise porque obtemos um protótipo
de um modelo de uma maneira rápida e eficiente, a partir de um modelo gerado em
computador no sistema CAD (Computer Aided Design). As vantagens oferecidas no
que toca ao apoio ao modelo podem ser comprovadas em muitas das etapas pelas
quais passa, partindo de uma melhor documentação e apresentação do produto,
com melhoria da qualidade dos desenhos, aumentando a produção no geral e por
consequente uma notável melhoria na gestão do modelo.
O modelo desenhado no programa CAD, depois de convertido para o formato
STL e posteriormente para o formato SLI, é enviado para uma impressora 3D que
vai camada a camada, por adição sucessiva de material, construir o modelo
pretendido.
Assim, torna-se possível que as empresas possam desenvolver o seu produto de
uma forma mais rápida e com melhor qualidade por meio de uma avaliação mais
pormenorizada do projeto.
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Diferentes processos de Prototipagem Rápida
Dentro da Prototipagem Rápida existem vários processos de fabrico do modelo,
estes estão indicados no esquema a baixo.
Em todos os processos recorre-se a:
1. Desenho CAD 3D;
2. Ficheiro STL (onde as superfícies do
modelo são convertidas em triângulos);
3. Ficheiro SLI: para poder ser lido pela
impressora (este divide o modelo nas
várias camadas de construção,
utilizando o software da própria
máquina)
Fig. 10 - Desenho CAD 3D
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Nalguns processos o software da máquina gera simultaneamente suportes (ex:
SLA) de modo a possibilitar a construção de zonas dos modelos que não estejam
apoiadas.
Modelagem por Fusão e Deposição (FDM)
Este processo de prototipagem foi desenvolvido pela Stratasys Inc.;
Consiste em construir peças por deposição de um material termoplástico
extrudido. A cabeça injetora traça os perímetros da sessão transversal e preenche-
os construindo assim cada camada;
São usados materiais como por exemplo:
• ABS (Acrilonitrila butadieno estireno);
• Policarbonato;
• Polifenilsulfona.
Estereolitografia (SLA):
Este processo de prototipagem foi criado pela 3D Systems, Inc., USA em parceria
com a CIBA no ano de 1987;
O processo consiste num Laser Ultra Violeta, um tanque de resina liquida foto-
curável, e um sistema de controlo.
O protótipo é construído por fotopolimerização de uma resina epoxy líquida,
usando um feixe laser de ultravioletas.
A solidificação (como a resina é líquida e relativamente pouco viscosa, a
complexidade dos modelos pode ser extremamente elevada;) é feita camada a
camada e este processo permite a obtenção de peças com boa transparência e
excelente acabamento superficial.
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1. Uma plataforma elevatória é mergulhada na resina, de modo a que a sua
superfície fique uma camada abaixo da superfície da resina. O raio Laser
então desenha os contornos e preenche essa secção horizontal e
bidimensional do modelo, solidificando toda a resina que atinge.
2. Quando a camada está endurecida a plataforma desce de novo uma camada
de espessura e a resina líquida do tanque sobrepõe-se à camada anterior,
para que a próxima seja processada. Este processo repete-se até que o
modelo esteja completo.
3. Quando o modelo está completo, a plataforma eleva-se para fora do tanque
e o excesso de resina é drenado.
4. O modelo é então removido da plataforma, enxaguado o seu excesso de
resina, e colocado num forno UV para uma cura final.
5. Após retirado da máquina o modelo sofre:
• Pós-cura;
• Operações de lixagem e/ou polimento;
• Pintura.
Conferindo assim uma máxima resistência e melhorando o seu aspeto e
funcionalidade
Fabricação de Objetos por Camadas (LOM)
Os modelos são fabricados colando sucessivamente folhas de papel, as quais são
cortadas por intermédio de um feixe laser.
Todo o papel que não faz parte do componente é cortado em quadrados ou
retângulos para facilitar a posterior remoção do modelo do bloco de papel.
Para assegurar a rigidez de todo o conjunto é construído simultaneamente um
caixilho.
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Além do papel, este equipamento pode construir modelos em:
• Fibra de vidro;
• Cerâmica;
• Metal.
Sinterização Seletiva por Laser (SLS)
Este processo foi desenvolvido na Universidade do Texas (EUA);
Permite a construção de modelos físicos utilizando materiais na forma de pó;
O pó é processado num ambiente inerte e termicamente controlado no interior de
uma câmara, atingindo a temperatura de fusão (sinterização) por ação de um laser
de CO2. Depois da camada ser sintetizada, uma nova é depositada e assim
sucessivamente até finalizar a construção da peça.
Este processo exige um trabalho de pós-processamento (Operações de
maquinagem depois da peça ser removida. De modo que, melhore o acabamento e
a qualidade da superfície e haja um aumento da resistência do modelo;
O processo pode utilizar vários tipos de materiais:
• Nomeadamente modelos em True Form e Cast Form (para fundição
por modelos perdidos);
• Pós cerâmicos revestidos por uma resina termoendurecível
(produção de carapaças cerâmicas);
• Pós de aço;
• Cobre revestidos com um polímero.
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Impressão tridimensional (TDP)
Neste processo os modelos são construídos a partir de um material em pó ligado
por intermédio de um ligante líquido.
1. O jacto de ligante é aplicado através de cabeças de impressão (idênticas às
utilizadas pelas impressoras de jacto de tinta.);
2. A peça é removida da máquina ficando solto o pó não aglutinado pelo
ligante;
3. O modelo sofre, numa segunda fase, um tratamento térmico (destinado a
aumentar a sua resistência).
Cada um dos processos de prototipagem rápida apresentados tem várias
vantagens e desvantagens, na tabela I são apresentadas algumas delas.
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Tabela 1 - Vantagens e desvantagens dos 5 processos de PR
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Trabalho Experimental
O nosso trabalho prático consistiu na produção de um modelo em plástico numa
impressora 3D. Neste tipo de impressão conseguimos obter objetos sólidos
tridimensionais a partir de um projeto digital. Este objeto é criado camada por
camada, isto é, a impressora imprime horizontalmente secções em camadas
sucessivas que dão origem ao objeto.
A principal vantagem deste tipo de impressão é a rapidez do seu processo. Neste
caso obtivemos um protótipo de um modelo num material polimérico em apenas
20 minutos.
Para a realização da impressão em 3D realizou-se o seguinte procedimento:
1. Fazer um projeto virtual do objeto que desejamos criar através dum CAD
(Computer Aided Design) e converter o ficheiro num formato possível de
ser lido pelo software da impressora 3D- Beesoft.
2. Alterar as propriedades que nos sejam mais úteis, como por exemplo, as
dimensões e a densidade da peça.
3. Iniciar a impressão.
4. Quando finalizada a impressão, retirar o protótipo da impressora.
Fig. 11 – Peça final da impressão 3D
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Conclusão
A prototipagem rápida vai levar a que a indústria sofra um grande impulso, pois irá
permitir uma maior rapidez na confeção de produtos, uma redução de custos e a
utilização de novos materiais, com propriedades mais adequadas ao efeito, para a
execução das mais diversas tarefas.
O Homem tem uma grande dependência pela fundição e esta tem vindo a sofrer
muitos avanços à medida que o conhecimento e a tecnologia evoluem. Esta nova
técnica (Prototipagem Rápida) é a mais recente inovação. Não irá interferir
diretamente na fundição, mas sim nalgumas das etapas anexas a ela,
nomeadamente na produção de protótipos para o fabrico de moldes.
Com o trabalho prático conseguiu-se ter uma ideia mais aprofundada da técnica de
PR. Foi possível ter a noção da rapidez e da facilidade com que se poderá executar
tarefas que anteriormente demorariam horas e requeriam muita mão-de-obra
especializada.
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Recursos Consultados
Soares ,Gloria de Almeida; FUNDIÇÃO: Mercado, Processos e Metalurgia
Queijo, Luís; Rocha, João, Pereira, Paulo Miguel; Barreira, Luísa; Juan, Manuel San;
Barbosa, Tiago; A PROTOTIPAGEM RÁPIDA NA MODELAÇÃO DE PATOLOGIAS
Pedro Vasconcelos, F. Jorge Lino, Rui J. Neto; O FABRICO RÁPIDO DE
FERRAMENTAS AO SERVIÇO DA ENGENHARIA CONCORRENTE
F. Jorge Lino e Rui J. Neto; A PROTOTIPAGEM RÁPIDA NA INDÚSTRIA NACIONAL
Teixeira ,Rui Miguel Marinho; Estudo Numérico do Efeito dos Principais
Parâmetros de Fundição na Formação de Rechupes em Peças Fundidas
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litografia-sla
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A7%C3%A3o%20e%20Sinteriza%C3%A7%C3%A3o.pdf
http://awf2.no.sapo.pt/ficheiros/monografias/trabalhos_mold_perman6.pdf
http://www.aluinfo.com.br/novo/materiais/fundicao-por-gravidade
http://mmborges.com/processos/Conformacao/cont_html/fundicao.htm
http://www3.fsa.br/mecanica/arquivos/02%20Fundi%C3%A7%C3%A3o.pdf
ftp://ftp.demec.ufpr.br/disciplinas/TM233/Coquilhamento%20ou%20Gravidade/
Apostila%20de%20Fundi%E7%E3o%20por%20Coquilhamento.pdf
http://www.ebah.pt/content/ABAAAAoowAJ/fundicao
http://repositorio-aberto.up.pt/bitstream/10216/59421/1/000141291.pdf