Outubro 2014

Fundição por Cera Perdida

Ana Costa

Diogo Queirós

Henrique Correia

Paulo Baptista

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Índice

Resumo .............................................................................................................................................. 2

Introdução ......................................................................................................................................... 3

Objetivo ............................................................................................................................................. 4

Enquadramento teórico ................................................................................................................. 4

Produção de peças por cera perdida: o processo a nível industrial .................................. 6

Vantagens ..................................................................................................................................... 7

Desvantagens ............................................................................................................................... 7

Sobre o Estanho: propriedades e aplicações ........................................................................... 8

Trabalho Prático: Fusão e Vazamento do Estanho ................................................................. 9

Conclusão ........................................................................................................................................ 11

Bibliografia ...................................................................................................................................... 12

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Resumo

Este trabalho, realizado no âmbito da unidade curricular do Projeto FEUP, tem

como objetivo apresentar de forma clara e concisa o processo de produção de um

objeto metálico por fundição; concretamente, o processo de fundição por cera

perdida. Aqui, serão descritas as suas características e as suas vantagens e

desvantagens.

Aqui é descrito também um trabalho prático, em que se realizou uma pequena

parte do processo (fundição e vazamento de um metal, mais precisamente, o estanho).

Referem-se parte das propriedades do estanho, e aplicações práticas.

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Introdução

O processo de fundição existe desde a Antiguidade, e durante estes muitos anos

tem-se desenvolvido em todos os seus ramos, desde a ourivesaria à construção civil.

Este tem ajudado o Homem a ultrapassar as mais diversas dificuldades. Técnicas mais

eficazes fazem do processo de fundição algo de elevada importância financeira.

O processo de fundição por cera perdida é descrito como uma boa técnica para

realce de detalhes importantíssimos em certas peças; contudo, existem desvantagens,

desde a impossibilidade de produção em série e a elevada mão-de-obra que requer,

que fazem com que este processo seja o mais competitivo no mercado da fundição, já

que é preciso uma serie de mecanismos que iremos abordar neste trabalho. Este

processo é bastante utilizado na ourivesaria e na arte porque revela todo o detalhe

que a peça necessita.

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Objetivo

Produção de uma peça a partir de fundição; especificamente, através do método de

cera perdida.

Enquadramento teórico

A fundição é um processo que permite a obtenção de um objeto através do

vazamento de um líquido a alta temperatura (normalmente metal ou ligas metálicas)

num molde previamente criado. Este molde deve ter um formato tal que permita a

criação da peça que se pretende criar.

De uma forma dependente do molde que se usa, a fundição permite criar objetos

com as mais variadas formas, desde lingotes até esculturas, passando pela criação de

rolos maciços de chapa de várias espessuras e outro tipo de peças com as mais

variadas aplicações.

Figura 1- Vazamento de metal a nível industrial (Arsopi, S. A. s.d.).

Existem variados tipos de fundição. Alguns dos mais importantes são:

1. Fundição por cera perdida, método que será tratado com maior detalhe;

2. Fundição em molde de areia, considerado o processo mais simples e versátil.

É normalmente utilizado para produzir, por exemplo, pequenas quantidades

de peças iguais ou peças de grande tamanho. Este processo permite que a

peça fique porosa;

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3. Fundição de molde permanente, em que o material fundido é vazado para

dentro de um molde metálico. Este processo permite obter peças

resistentes e pequenas, havendo o problema de não ser possível reproduzir

detalhes com fidelidade;

4. Fundição injetada, em que o objetivo é mecanizar e maximizar o ritmo de

produção. São utilizados moldes metálicos para injetar o material líquido, e

encerrados de forma a criar pressões elevadas; depois de o metal solidificar,

o molde abre e deixa sair a peça ainda quente. Isto permite que o

arrefecimento seja rápido, criando uma superfície suave e de granulagem

fina (Smith 1995);

5. Laminagem, que permite a produção de chapas longas e finas. Este processo

envolve a fundição do material pretendido e a sua passagem por rolos que

vão tornar o material cada vez menos espesso, até formar “folhas”. Estas

podem ter milímetros de espessura, tendo as mais grossas vários

centímetros.

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Produção de peças por cera perdida: o processo a nível

industrial

Um processo de manufaturação e produção com mais de 5000 anos, o processo de

fundição por cera perdida é um dos métodos mais utilizados para peças com muitos

detalhes. Este foi utilizado, por exemplo, pelos egípcios para produzir joalharia, e pelos

indianos para criar esculturas sagradas (eFunda, Inc 2014) (Pillai 2002).

Neste tipo de produção de peças metálicas, é criado um envolvimento cerâmico à

volta de um protótipo que pode ser destruído, normalmente cera ou plástico, que se

permite endurecer para formar um molde de fundição removível. Isto significa que é

possível destruir este molde para obter a peça que se pretende criar (ASM

International 1992).

O processo de formação por cera perdida inicia-se com a produção de um molde;

este não é mais do que a peça inicial revestida com plasticina, ou um material

semelhante. No fim deste passo é necessário fazer os canais de vazamento e outros

canais de menores dimensões que servem para a libertação de gases que possam

prejudicar a peça final; este molde é coberto com gesso (denominado contramolde),

sendo depois necessário retirar o molde e ficar apenas com o contramolde.

Posteriormente a plasticina é retirada, ficando apenas a peça inicial; é necessário

voltar a colocar a peça inicial dentro do contramolde e preencher o espaço sobrante

Figura 2 - Esquema simplificado do processo de produção por cera perdida à escala industrial (ASM International 1992)

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com silicone. Quando o silicone seca, este deve ser parcialmente cortado para retirar a

peça inicial; neste molde, vaza-se a cera líquida, deixando-se solidificar.

Este processo pode ser repetido várias vezes; após a obtenção do número de peças

de cera desejadas, estas devem ser fixas numa estrutura em árvore. Esta interliga

todas as peças a um só orifício de entrada, que vai permitir a saída das peças

provisórias de cera e a entrada do metal fundido.

No fim desta etapa, a árvore é mergulhada em cerâmica e retocada com areia, de

forma a endurecer e aumentar a sua resistência. Numa fase seguinte, aquece-se a

árvore por duas razões: com o calor, a estrutura ganha rigidez, e a cera fica no estado

líquido e sai, ficando, assim, a estrutura oca; e para que, na altura do vazamento, não

haja um choque térmico, o que faria com que a estrutura quebrasse.

Após o vazamento do metal, é necessário aguardar até à sua solidificação. Após o

arrefecimento, pode-se então quebrar o contramolde, cortar e separar as peças da

estrutura interna de metal e, se necessário, dar os acabamentos finais. O metal

solidificado não aproveitado pode ser reutilizado num novo processo de fundição.

Vantagens Desvantagens

Este processo permite a produção

em massa de peças com formas

difíceis ou impossíveis de replicar por

outros processos de fundição;

A reprodução das peças, em relação

à original, é bastante fiável;

Possibilidade de obtenção de maior

precisão dimensional e superfícies

com melhor acabamento;

Permite a utilização de praticamente

qualquer metal/liga, mesmo as mais

difíceis de trabalhar.

É possível o controlo rigoroso da

estrutura do material fundido de

modo a garantir as propriedades

desejadas da peça produzida.

As dimensões e o peso das peças são

limitados (cerca de 5kg), devido ao

custo elevado e à capacidade dos

equipamentos disponíveis;

Para peças maiores (entre 5 e 25 kg),

o investimento inicial é muito

elevado;

Para obter o produto, é necessário

quebrar o molde externo. Isto não

permite o seu reaproveitamento;

É um processo de produção mais

caro, comparativamente com outros.

Tabela 1- Vantagens e desvantagens do método de cera perdida (CPM Industries s.d.).

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Sobre o Estanho: propriedades e aplicações

O estanho é um metal pertencente ao grupo 14 da Tabela Periódica; é maleável,

maciço e de cor prateada, com grande resistência à corrosão. Este encontra-se puro na

Natureza em pequenas quantidades, para além de se encontrar sob a forma de

cassiterite ou pedra de estanho (SnO2) na Bolívia e Indonésia.

Para a obtenção do estanho, calcina-se a cassiterite em contacto com o ar, para que

as impurezas, como enxofre e arsénio, sejam eliminadas. Em seguida, reduz-se o

estanho metálico pelo aquecimento com coque (carvão betuminoso). O estanho bruto

assim obtido tem ainda muitas impurezas, tais como o ferro. Para o separar deste, tira-

se partido do facto de o ferro ter um ponto de fusão muito mais elevado do que o

estanho. Aquece-se o estanho bruto um pouco acima do ponto de fusão do estanho

puro; este funde e é decantado, enquanto o ferro permanece no estado sólido.

O estanho pode ser laminado em folhas muito finas, designadas por papel de

estanho. Formam-se cristais relativamente grandes e visíveis quando a superfície do

sólido é tratada com ácido clorídrico. Uma característica peculiar do estanho é a

recristalização à temperatura ambiente dos cristais quando o metal é dobrado, criando

um ruído peculiar: o chamado “grito do estanho”.

O estanho utiliza-se em diferentes ligas, sobretudo com chumbo e cobre. Juntando

30% a 60% de chumbo, obtém-se uma liga de baixo ponto de fusão, utilizada em

soldas. Ligas com 70% de antimónio e um pouco de cobre utilizam-se nos chamados

metais antifricção, com os quais se fabricam chumaceiras para eixos de máquinas.

Outra liga onde o estanho é utilizado é no bronze, onde é combinado com cobre.

Nesta liga a sua função é aumentar a resistência mecânica e a dureza do cobre sem

alterar a sua ductilidade (2 a 11%). O estanho é utilizado em revestimento de latas;

recipientes de aço estanhado são amplamente utilizados para a conservação de

alimentos, solada para ligação de fios elétricos.

Nome (Símbolo químico) Estanho (Sn)

Densidade 7310 Kg/m3

Estado à temperatura

ambiente Sólido

Ponto Fusão 232ºC

Ponto ebulição 2270⁰C

Cor Cinzento brilhante

Tabela 2 - Propriedades do Estanho (Winter s.d.)

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Figura 3 - Forno de ourives e termopar

Trabalho Prático: Fusão e Vazamento do Estanho

Instrumentos a utilizar: forno de ourives (com cadinho de grafite), termopar, tenaz,

molde (porta-chaves), lingoteira.

1. Cortar um lingote de estanho em pedaços pequeno;

2. Colocar os pedaços num cadinho de

grafite para fusão num forno de ourives,

previamente ligado e regulado para 350ºC;

3. Verificar a temperatura

dentro do cadinho com a

ajuda de um termopar;

4. Esperar até à fusão do estanho, controlando até atingir a temperatura

de vazamento (~330ºC) (Figura 3);

Figura 4 – Controlo da temperatura com o termopar

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5. Vazamento do estanho líquido para o molde de silicone e uma lingoteira

metálica (figuras 4 e 5);

6. Aguardar até à solidificação do estanho;

7. Remoção da peça/lingote do molde;

8. Remoção dos canais de alimentação (Figura 6).

Figura 6 - Vazamento para uma lingoteira

Figura 7 - A peça final

Figura 5 - Vazamento para o molde de silicone

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Conclusão

No decorrer do trabalho que nos foi proposto, foi-nos possível compreender o

processo de fundição e quais as suas aplicações no quotidiano, mas também as suas

vantagens e desvantagens em relação a outros processos existentes.

O processo de fundição por cera perdida é um processo complexo em que as várias

fases do mesmo são importantíssimas para que o resultado final seja o melhor

possível, sendo claro que o elevado pormenor que este processo confere sobrepõe-se

as dificuldades passadas no processo.

É de referir que embora não tenhamos realizado a atividade prática do processo de

fundição por cera perdida, foi-nos possível fazer parte do processo: a fundição e

vazamento do metal. Na atividade, o metal utilizado foi o estanho, tendo sido possível

observar e manusear parte dos instrumentos utilizados do processo de fundição.

É claro que a simples fundição e vazamento do estanho deixa apenas entrever um

vislumbre daquilo que é realmente o processo de fundição por cera perdida; contudo,

foi importante para compreender todo o trabalho que poderá estar por detrás de uma

peça que nos parece tão simples.

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Bibliografia

Arsopi, S. A. n.d. http://www.arsopi.pt/pt/fundicao/produtos/ (accessed 10 22, 2014).

ASM International. ASM Handbook - Vol.15 - Casting. The Materials Information Company,

1992.

CPM Industries. Sand Casting vs Investment Casting. n.d. http://info.cpm-

industries.com/blog/bid/178170/Sand-Casting-vs-Investment-Casting (accessed 10 22,

2014).

eFunda, Inc. Investment Casting. 16 outubro 2014.

http://www.efunda.com/processes/metal_processing/invest_casting.cfm.

Pillai, R.M. TMS. 2002. http://www.tms.org/pubs/journals/JOM/0210/Pillai-0210.html

(accessed 10 16, 2014).

Smith, William F. Principles Of Materials Science and Engineering. 3ª. McGraw Hill, 1995.

Winter, Mark. WebElements. n.d. http://www.webelements.com/tin/ (accessed 10 22, 2014).