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Prensagem
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Prensagem
• Operação de conformação baseada na compactação (com aplicação de pressão) de um pó granulado contido no interior de uma matriz rígida ou de um molde flexível.
• Compreende três etapas ou fases: (1) preenchimento da cavidade do molde;(2) compactação da massa;(3) extração da peça.
• Processo de conformação mais utilizado pela indústria cerâmica:– elevada produtividade;– facilidade de automação;– capacidade de produzir peças de tamanhos e formas variadas,
sem contração de secagem e com baixa tolerância dimensional.
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Preenchimento das Cavidades do Molde
Preparação da massa e aditivos de prensagem:
• objetivo: proporcionar uma mistura homogênea das matérias-primas e aditivos, e adequar a massa para a etapa de prensagem:– elevada fluidez → escoar rapidamente e preencher o molde de
maneira homogênea;– elevada densidade de preenchimento→ quantidade mínima
de ar a ser expulsa durante a fase de compactação;– características mecânicas adequadas dos grânulos →
dureza, resistência mecânica e plasticidade.
• Tais requisitos implicam que os grânulos devem:– ter geometria esférica e textura o mais lisa possível;– ser suficientemente moles e deformáveis em pressões
moderadas, facilitando o deslizamento durante a fase de compactação.
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Preenchimento das Cavidades do Molde
• Porém, os grânulos não podem ser tão frágeis, moles e deformáveis → podem se romper, deformar ou aglomerar uns aos outros durante a armazenagem e transporte da massa.
• Características mecânicas dos grânulos dependem:▫ da porosidade;▫ do tamanho das partículas que os compõe;▫ da natureza e resistência das ligações químicas → podem ser
alteradas com o uso de aditivos (ligantes, plastificantes e lubrificantes).
Ligantes orgânicos: conferem resistência mecânica suficiente; Plastificantes: aumentam a deformabilidade do ligante e
reduzem sua capacidade de adsorção da umidade ambiente; Lubrificante: reduzem a fricção entre os grânulos da massa (ou
peça conformada) e a parede do molde durante a etapa de compactação (ou extração da peça);
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Preenchimento das Cavidades do Molde• A massa deve possuir boa fluidez para ser rápida e
uniformemente distribuída pelo molde;• Parâmetro: velocidade de fluxo (cm3/s);• Características que determinam a fluidez: forma, aderência,
distribuição e textura superficial dos grânulos.
Equipamento para a medida da velocidade de fluxo de massas cerâmicas.
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Preenchimento das Cavidades do Molde• tamanho intermediário: adequada morfologia (esférica) e tamanho relativamente grande;
• tamanho inferior: aumento do número de pontos de contato entre os grânulos por unidade de volume;
• tamanhos superiores: grânulos menores se aderem aos grânulos maiores, resultando em aglomerados de morfologia irregular.
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Preenchimento das Cavidades do MoldeEfeito do teor de umidade da massa sobre a velocidade de fluxo:
→ resultado do aumento das forças de adesão nos pontos de contato existentes entre os grânulos, devido à tensão superficial da água.
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Preenchimento das Cavidades do Molde• A massa deve possuir uma densidade relativa (ρ0) ou “compacidade” elevada;• Densidade relativa: razão entre a densidade de preenchimento (ρap0) e a
densidade real das partículas (ρs);• Uma densidade relativa excessivamente baixa indica:– elevado conteúdo de ar que deve ser extraído durante a fase de
compactação;– excessivo deslizamento do molde.
↓Ocasionam problemas durante a execução da operação de prensagem, e podem originar defeitos no produto acabado.
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Compactação -material granulado submetido a compressão
• Aumento na compactação permanente - fluxo, reordenação, deformação plástica e destruição dos grânulos ( intervalo de baixas pressões ); deslizamento e reordenação das partículas que constituem os grânulos (pressões habituais);
• Compressão elástica das partículas, ligantes e lubrificantes líquidos, e de gás;
• Fluxo de líquidos e gases através dos poros por fluxo viscoso, devido aos gradientes de pressão;
• Se a prensagem é uniaxial, a fricção entre as partículas e entre estas e as paredes do molde provoca uma distribuição heterogênea da pressão de compactação.
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Compactação - Mecanismos de diminuição do volume e tamanho dos poros
Mecanismo I
Redução do volume ocupado pelos porosintergranulares e de seu volume através do deslocamento ereordenação dos grânulos.
Vpg< Vpg0
Vpp= Vpp0
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Compactação - Mecanismos de diminuição do volume e tamanho dos poros
•Mecanismos 2 e 3 •Redução do volume e tamanho dosespaços intergranulares por deformação plástica e/ou destruiçãodos grânulos; •Esmagamento de grânulos ocos, geralmente presentes nas massas cerâmicas.
•Diminuição de volume e tamanho dosporos intragranulares pelo deslizamento e reordenação das partículas - empacotamento mais denso.
Vpg<< Vpg0
Vpp= Vpp0
Vpg= 0
Vpp<< Vpp0
Vpg= 0
Vpp =0
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Compactação - Estágios
Inicial:
máximo
empacotame
nto sem
deformação
ou destruição
–
deslizamento
e
reordenação
dos
grânulos .
Intermediário:
deformação e/ou
destruição dos
grânulos, maior a
área de contato -
peça mais
homogênea,
eliminação dos
poros
intergranulares.
Final: eliminação dos poros intragranulares -deslizamentoe reordenação das partículas, interfaces imperceptíveis, peça homogênea, compressão elástica.
Os estágios podem acontecer simultaneamente.
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Compactação final
Dois motivos:
- Formação de empacotamentos irregulares e porosos de partículas que resistem às altas pressões devido a sua fragilidade e dureza;
- Elevada presença de ligantes e plastificantes líquidos.
Sempre inferior ao empacotamento mais denso possível das partículas.
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Variáveis da compactação
• Influência de algumas variáveis de operação sobre o processo de compactação:
▫Aditivos – umidade: queda da resistência mecânica, aumento da plasticidade, pressão sobre a água e não nos pontos de contato;
▫Compacidade do grânulo – quanto maior a compacidade maior dificuldade de eliminar os poros inter/intraganulares;
▫Tamanho médio e distribuição de tamanhos – compacidade maior é obtida com grânulos maiores
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▫Estrutura dos aglomerados (ocos ou maciços) – se teor de plastificante é alto, não há diferenças na compacidade nem na microestrutura resultante;
▫Saída de ar do interior da massa através de fluxo viscoso – evitar pressurização do ar aprisionado e a expansão de extração; a permeabilidade da massa diminui conforme avanço da compactação, diminuição do tamanho dos grânulos (poros menores) e presença de água (argilosas).
Variáveis da compactação
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Extração da Peça• Compressão elástica da massa no processo de compactação; • Energia elástica é dissipada à medida que se retira a carga e se extrai a
peça, provocando aumento de suas dimensões → “expansão de extração” • Expansão excessiva pode ocasionar problemas e defeitos nas peças →
expansão máxima aceitável: 0,75%
• Aumento da pressão → aumento dos pontos de contato entre as partículas e da elasticidade;
• Aumento do teor de água (plastificante) → aumento da plasticidade dos grânulos.
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Extração da Peça• Diminuição da expansão de extração com a redução da
velocidade de aplicação da carga:▫ favorece o reordenamento das partículas, que alcançam
posições mais estáveis;▫ reduz a quantidade de ar aprisionado no interior do corpo.
• Prensagem uniaxial : fricção entre as superfícies do molde e da peça gera uma tensão de cisalhamento → deve ser a menor possível
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Extração da Peça
A umidade dos grânulos atua como:
• plastificante: reduz a energia elástica armazenada na peça;
• lubrificante: reduz a fricção na interface peça/molde.
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Resistência Mecânica das Peças a Verde
aumento da pressão de prensagem → aumento a compacidade da peça → aumento da área efetiva de contato entre os grânulos → aumento da resistência mecânica da peça
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Resistência Mecânica das Peças a Verde
• A relação entre compacidade e resistência depende da pressão de fluência do grânulo;
• para uma mesma compacidade, as peças mais fortes são aquelas que foram obtidas a partir dos grânulos mais úmidos;
• pressão de fluência mais baixa → grãos mais plásticos e deformáveis → aumento efetivo da área de contato entre os aglomerados → aumento da resistência mecânica da peça.
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Resistência Mecânica das Peças a Verde• Mantendo-se constante as demais características da peça →
resistência mecânica da peça é tanto maior quanto menor é o tamanho médio dos aglomerados;
• Motivo: tamanho do defeito iniciador da trinca aumenta com o tamanho médio do grânulo.
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Considerações técnicas
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Prensagem Uniaxial• Aplicação de pressão na
direção axial, através de punções rígidos;
• Fabricação de peças sem relevo superficial;
• Produtos estruturais, refratários, cerâmicas eletrônicas e magnéticas e outras cerâmicas técnicas
• Técnica de conformação de peças mais empregada
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Prensagem Uniaxial
• Simples ação –peças de geometria simples e de espessura reduzida.
• Dupla ação - espessura da peça é muito grande para o emprego da técnica de ação simples.
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Prensagem Uniaxial
• Nos casos em que a fricção entre os grânulos e as paredes do molde provoca uma excessiva heterogeneidade na densidade da peça e/ou a formação de trincas durante a extração da peça, é recomendável que a matriz também seja móvel.
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Prensagem Uniaxial• Para a obtenção de peças
de geometrias mais complexas, faz-se necessário o emprego de várias punções, superiores e/ou inferiores, que se movimentam de forma sincronizada em função do programa de compactação previamente estabelecido.
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Equipamento e programas de compactação
•São utilizadas prensas do tipo hidráulicas
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Defeitos e problemas associados à prensagem uniaxial
• Compacidade inadequada da peça▫Este defeito pode estar relacionado a uma falta
de controle na preparação da massa. A variação no teor de umidade da massa, provocada por alterações nas condições de operação do secador modifica sensivelmente a compacidade da peça prensada.
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Defeitos e problemas associados à prensagem uniaxial
•Desgaste do molde por abrasão▫Este problema provoca uma mudança
progressiva nas dimensões da peça e um deterioramento de sua textura superficial.
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Defeitos e problemas associados à prensagem uniaxial• Formação de trincas
▫ Motivos: Desenho inadequado do molde, Excesso de ar aprisionado durante a fase de compactação Excessiva expansão da peça durante sua extração do molde Fricção elevada entre a peça e a parede do molde durante a extração
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Defeitos e problemas associados à prensagem uniaxial• Falta de uniformidade da compacidade no interior da peça
e/ou entre peças▫ As variações excessivas na compacidade no interior de uma
peça causam deformações e distorções nas peças, inclusive quebra de peças durante a queima.
▫ A principal causa deste tipo de defeitos é um preenchimento não-uniforme das cavidades do molde.
▫ A região da cavidade do molde que contiver mais massa no final da etapa de preenchimento será a de maior compacidade após a etapa de compactação.
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Prensagem isostática
▫ molde flexível;▫ atuação de um fluido pressurizado;▫ distribuição homogênea da pressão sobre a superfície do
molde;▫ fabricação de peças de formas complexas, que apresentem
relevos em duas ou mais direções, ou uma de suas dimensões é muito maior do que as demais (tubos e barras);
▫ produtos estruturais, eletrônicos, químicos e refratários.
•Molde úmido•Molde seco
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Molde úmido
• A massa é introduzida no interior de um molde flexível e impermeável ao fluído pressurizado. Uma vez fechado, o molde é submerso no líquido (geralmente água) contido na câmara de pressão. Na fase de compactação, o líquido, que é pressurizado por uma bomba hidráulica, deforma o molde flexível e transmite uniformemente a pressão à massa.
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Vantagens
•Obtenção de peças com uma distribuição de compacidade praticamente homogênea
•Grande versatilidade de formas•Baixo custo do molde
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Desvantagens
•Excessiva duração do ciclo de prensagem, da ordem de minutos ou mesmo dezenas de minutos
•A dificuldade de se automatizar a operação
•Elevado custo de mão-de-obra
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Molde seco
• Esta técnica foi desenvolvida para aumentar a velocidade de produção da técnica de molde úmido. Basicamente, nesta técnica, em vez de submergir o molde em um fluido, ele é feito com canais internos por onde se faz circular o fluido pressurizado.