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Modelo de ATPS para ergonomia - Faculdade Anhanguera
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CENTRO UNIVERSITÁRIO ANHANGUERA DE SANTO ANDRÉ
ENGENHARIA EM PROCESSOS DE PRODUÇÃO
Eduardo Comunhão
Felipe de Jesus Manzoni
João Paulo Gomes Alledo
José Edmilson da Silva
Rafael Venâncio Ribeiro de Sousa
Valdinar Pereira Nascimento
AUTOMAÇÃO DE FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO EM ALUMÍNIO
SANTO ANDRÉ
2014
CENTRO UNIVERSITÁRIO ANHANGUERA DE SANTO ANDRÉ
ENGENHARIA EM PROCESSOS DE PRODUÇÃO
Eduardo Comunhão, RA 3786765865
Felipe de Jesus Manzoni, RA 4201778936
João Paulo Gomes Alledo, RA 3775779379
José Edmilson da Silva, RA 3724679493
Rafael Venâncio Ribeiro de Sousa, RA 4211726336
Valdinar Pereira Nascimento, RA 4237830046
AUTOMAÇÃO DE FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO EM ALUMÍNIO
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Centro Universitário Anhanguera de Santo André, como parte dos requisitos para obtenção do Grau de Bacharel em Engenharia em Processos de Produção sob a orientação do professor Dr. Reinaldo Aparecido Teixeira.
SANTO ANDRÉ
2014
FOLHA DE APROVAÇÃO
Eduardo Comunhão, RA 3786765865
Felipe de Jesus Manzoni, RA 4201778936
João Paulo Gomes Alledo, RA 3775779379
José Edmilson da Silva, RA 3724679493
Rafael Venâncio Ribeiro de Sousa, RA 4211726336
Valdinar Pereira Nascimento, RA 4237830046
AUTOMAÇÃO DE FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO EM ALUMÍNIO
Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca examinadorado Centro Universitário Anhanguera de Santo André, como requisito parcial à obtenção do Grau de Bacharel em Engenharia de Processos de Produção, sob a orientação do Professor Dr. Reinado Aparecido Teixeira.
Aprovada em.........de....................de...............
DEDICATÓRIA
Dedicamos este trabalho a todas as pessoas que fizeram e fazem parte de nossas
caminhadas.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos primeiramente a Deus por ter
derramado suas bênçãos sobre nós, dando-nos
forças e sabedoria para que completássemos, com
sucesso, mais esta etapa de nossas vidas. À
Anhanguera Educacional, por ceder o seu nome, o
espaço e a oportunidade para o desenvolvimento
deste trabalho. Também agradecemos ao nosso
orientador Professor Dr. Reinaldo Aparecido
Teixeira.
EPÍGRAFE
Que os vossos esforços desafiem as
impossibilidades, lembrai-vos de que as grandes
coisas do homem foram conquistadas do que
parecia impossível. Charles Chaplin.
RESUMO
O objetivo do presente trabalho é abordar de forma rápida e sutilmente as mais
variadas tecnologias disponíveis no mercado para automação do processo de
fundição sob pressão. Tornando assim possível garantir melhorias permanentes,
como a redução do tempo de ciclo da célula e do processo produtivo; melhoria do
controle dos parâmetros de processos; melhoria do fluxo das operações, o que
tornou sua sequencia mais regular; quando foi eliminado áreas de estoque
intermediário; melhoria do ambiente fabril, o que tornou mais organizado e com
boas condições de saúde e segurança, o que garantiu melhor ergonomia para os
operadores.
Palavras chaves: Tecnologias; automação; fundição sob pressão.
ABSTRACT
The objective of this study is to address quickly and subtly the various technologies
available in the market for automation of the casting process pressure. Thus making
it possible to ensure permanent improvement, by reducing the cycle time of the cell
and the production process; improved control of process parameters; improving the
flow of transactions, which became his most regular sequence; when it was
eliminated intermediate storage areas; improvement of the manufacturing
environment, which made it more organized and with good health, safety which
ensured better ergonomics for operators.
Key words: Technology; automation; die casting.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Fluxograma do Processo de Produção do Alumínio.................................18
Figura 2 - Elaboração de uma peça cilíndrica pelo processo de moldagem em areia.
...................................................................................................................................21
Figura 3 - Peças fundidas em fundição de precisão (a) e sob pressão em alumínio.
...................................................................................................................................22
Figura 4 - Tampa de bueiro em ferro fundido............................................................23
Figura 5 - Esquema básico de uma fundição............................................................24
Figura 6 - Peça a ser fundida (a), modelo com marcação de macho (b), caixa de
macho (c), molde com macho (d) e macho (m).........................................................26
Figura 7 - Contração de uma peça solidificada.........................................................27
Figura 8 - Extração do modelo...................................................................................28
Figura 9 - Marcação de macho..................................................................................29
Figura 10 - Sistema de canal.....................................................................................30
Figura 11 - Formação do rechupe no massalote.......................................................30
Figura 12 - Solidificação............................................................................................31
Figura 13 - Formação do rechupe.............................................................................32
Figura 14 - Classificação dos principais processos de fundição................................37
Figura 15 - Escultura produzida pelo processo de fundição de precisão..................39
Figura 16 - Peças em aço produzidas em fundição de precisão...............................39
Figura 17 - Processo de modelação com cera..........................................................41
Figura 18 - Ilustração esquemática de lingoteiras.....................................................43
Figura 19 - Molde metálico permanente para vazamento de metal líquido...............43
Figura 20 - Representação esquemática do processo de fundição sob pressão em
câmara quente...........................................................................................................45
Figura 21 - Representação esquemática do processo de fundição sob pressão em
câmera a frio..............................................................................................................45
Figura 22 - Esquema de fundição centrífuga de tubos..............................................47
Figura 23 - Ilustração do processo de centrifugação.................................................47
Figura 24 - Representação esquemática dos tipos de máquinas de lingotamento
contínuo para aço......................................................................................................49
Figura 25 - Equipamento de lingotamento contínuo para pequenos perfis e placas de
ligas de alumínio e cobre...........................................................................................50
Figura 26 - Equipamento de lingotamento contínuo com rolos gêmeos (a) com perfil
na horizontal, (b) perfil descendente e (c) perfil ascendente.....................................52
Figura 27 - Rotas para o processamento no ESS.....................................................54
Figura 28 - Novos processos de tixoconformação: "nova reofundição": (a) usando
uma rampa de resfriamento; (b) rampa d resfriamento simples; (c) VBT com injeção
direta (d) VBT simples...............................................................................................55
Figura 29 - Evolução microestrutural para liga Al7-Si 0,3Mg: (a) microestrutura inicial
dendrítica, (b) após a laminação a 350ºc, (c) após 1 min no ESS a 580ºC (d) 30min
no ESS a 580ºC.........................................................................................................57
Figura 30 - Etapas do processo Squezze Casting.....................................................57
Figura 31 - Preço unitário comparado com número de peças para diversos
processos. ................................................................................................................59
Figura 32 Fluxo do Processo Anterior.......................................................................62
Figura 33 Injetora Buhler 840 ton..............................................................................63
Figura 34 Forno Westofen Striko 900........................................................................64
Figura 35 Pulverizador Automático ou Reciprocador.................................................65
Figura 36 Robô ABB instalado na porta frontal da Injetora........................................67
Figura 37 Robô ABB IRB 4600-40/2.55.....................................................................68
Figura 38 Prensa hidráulica Pretranza......................................................................69
Figura 39 Estampo Rebarbador e/ou Troquel...........................................................70
Figura 40 Lay out da Célula Automatizada Atual.......................................................71
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 Investimentos Realizados...........................................................................72
Tabela 2 Custos em reais por peça...........................................................................73
LISTA DE ABREVIATURAS
Al Aluminio
Si Silicio
Fe Ferro
Cu Cobre
Mg Magnésio
Zn Zinco
Pb Chumbo
Mpa Mega Pascal
Sumário
1. INTRODUÇÃO....................................................................................................15
2. OBJETIVO DA PESQUISA.................................................................................16
3. JUSTIFICATIVA..................................................................................................17
4. REVISÃO DA LITERATURA..............................................................................18
4.1 História do alumínio..........................................................................................18
4.2 Produção do alumínio......................................................................................19
4.3 Introdução à fundição.....................................................................................20
4.3.1 Generalidades..........................................................................................20
4.3.2 Histórico...................................................................................................21
4.3.3 Etapas para obtenção de uma peça fundida............................................22
4.3.4 Aplicações de peças fundidas..................................................................24
4.4 Partes essenciais de uma fundição................................................................26
4.5 Moldes e machos............................................................................................27
4.6 Modelos e caixas de macho............................................................................29
4.7 Canais e massalotes (sistema de alimentação)..............................................32
4.7.1 Canais de enchimento...............................................................................32
4.7.2 Massalotes (montantes)............................................................................33
4.8 Areia de moldagem.........................................................................................35
4.8.2 Compentes.............................................................................................36
4.9 Ligas usadas.................................................................................................37
4.9.1 Ligas ferrosas............................................................................................38
4.9.2 Ligas não ferrosas.....................................................................................38
4.10 Principais processos de fundição..................................................................39
4.10.1 Moldagem em areia................................................................................40
4.10.2 Fundição de precisão (cera perdida)....................................................40
4.10.2.1 Produção de modelo em cera......................................................41
4.10.2.2 Produção de moldes cerâmicos...................................................43
4.10.3 Moldes permanentes por gravidade........................................................45
4.10.4 Fundição sob pressão.............................................................................47
4.10.5 Fundição centrífuga.................................................................................49
4.10.6 Fundição contínua ou lingotamento contínuo............................................51
4.10.7 Processo no estado semissólido – tixoconformação...............................54
4.10.7.1 Processos de preparação do estado líquido................................56
4.10.7.2 Processos de preparação no estado sólido..................................58
4.10.8 Critérios para escolha do processo.........................................................60
4.10.9 Relevâncias de peças em alumínio para indústria automobilística........61
5. DESENVOLVIMENTO E APLICAÇÃO DO TRABALHO...................................63
5.1 Processo produtivo anterior.............................................................................63
5.2 Tempo de ciclo................................................................................................64
5.3 Máquina injetora..............................................................................................65
5.4 Forno westofen................................................................................................65
5.5 Pulverizador automático acheson DAG 1000................................................66
5.6 Robô ABB IRB 4600F – 40/ 2.55.....................................................................68
5.7 Prensa hidráulica.............................................................................................70
5.8 Estampo rebarbador........................................................................................72
5.9 Lay Out da célula automatizada......................................................................73
5.10 Investimentos realizados...............................................................................74
5.11 Análises e considerações finais.....................................................................74
6. CONCLUSÃO.....................................................................................................77
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.........................................................................78
GLOSSÁRIO.............................................................................................................82
APÊNDICE.................................................................................................................83
15
1. INTRODUÇÃO
A globalização da economia criou em todos os setores industriais uma
necessidade crescente de resposta rápida às solicitações do mercado. Este tipo de
resposta traduz-se na redução drástica do tempo de colocação no mercado de
novos produtos, sendo um fator crítico para a competitividade comercial das
empresas, determinando assim a sua capacidade de subsistência.
Uma das tecnologias mais determinantes na mudança radical de
funcionamento das empresas perante estes novos desafios foi à introdução dos
sistemas de automatização.
Esse ramo de atividade caracteriza-se principalmente pela produção de peças
em grandes volumes e em estado semi ou completamente acabados para
montagem e/ou utilização final.
Neste trabalho será apresentado como foi o desenvolvimento de um processo
produtivo em célula automática em fundição sob pressão.
Na operação automatizada podem-se agregar outras operações, sendo o
mais comum o acabamento da peça, como a remoção dos massalotes1, canais2 e
bolsas3.
Serão considerados os custos e as tecnologias aceitas e aplicadas em
processos automatizados, a fim de melhorar a eficiência e a produtividade em até
20%.
16
2. OBJETIVO DA PESQUISA
Demonstrar que com a aplicação das tecnologias disponíveis no mercado atual
foi possível atingir os objetivos específicos aqui estabelecidos. Desta forma
podemos ter maior competitividade frente aos constantes desafios exigidos pelo
mercado automotivo da atualidade.
Os objetivos específicos são:
1) Reduzir os tempos de ciclo da célula e do processo produtivo;
2) Melhorar o controle dos parâmetros do processo;
3) Melhorar o fluxo das operações do processo produtivo, tornando a sua
seqüência mais linear e regular;
4) Eliminar áreas de estoque intermediário;
5) Possuir um ambiente fabril limpo, organizado, com boas condições de
saúde, segurança e ergonomia dos colaboradores;
6) Desenvolver melhorias tecnológicas no processo, permitindo que sua
utilização e domínio possam ser o diferencial.
17
3. JUSTIFICATIVA
É cada vez mais evidente a preocupação dos profissionais dos setores de
Produção, Engenharia, Vendas, Marketing e até mesma da alta administração para
que se possa aumentar os níveis de produção e qualidade, diminuindo assim cada
vez mais os custos que são agregados ao produto final.
Este assunto já está bem difundido em países chamados de primeiro mundo,
onde se sabe que os processos de fundição estão em sua grande maioria
automatizados.
Então, para que possamos ser mais competitivos ao menos de igual para igual
com outros mercados tivemos que viabilizar nossos processos de fundição sob
pressão.
As empresas estão cada vez mais competitivas, e esse movimento envolve
qualidade, produtividade e pontualidade nos prazos de entrega.
A necessidade de busca por maior eficiência nos sistemas industriais deve ser
continua.
A automação que se realizou se justificou pela necessidade da busca contínua
da qualidade nas indústrias. O sistema implementado tornou o processo mais
confiável, evitando-se assim erros que redundariam em uma perda da eficiência do
processo como um todo.
18
4. REVISÃO DA LITERATURA
4.1 História do alumínio
A história do alumínio está entre as mais recentes no âmbito das descobertas
minerais.
À bauxita, minério que deu origem à obtenção de alumínio, foi identificado pela
primeira vez em 1821, na localidade de Les Baux, ao Sul da França, por Berthier.
Naquela época, o alumínio ainda não era conhecido, pois só foi isolado em 1824
pelo químico Hans Christian Oersted (Oersted, 2000, pg 16)
A primeira obtenção industrial do alumínio por via química foi realizada por
Henry Sainte-Claire Deville, (Deville, 2000, pg 16).
O processo químico inicial utilizado por Deville - usando cloreto duplo de
alumínio e sódio fundido, reduzindo-o com sódio - foi substituído com sucesso pelo
processo eletrolítico por meio de corrente elétrica, descoberto por Paul Louis
Toussaint Heroult (Heroult, 2000, pg 16) e Charles Martin Hall (Hall, 2000, pg 16).
Heroult e Hall, sem se conhecerem, inventaram ao mesmo tempo o procedimento de
que marcou o início da produção do alumínio.
As primeiras referências sobre a bauxita no Brasil estão nos Anais de 1928, da
Escola de Minas de Ouro Preto. Já a primeira utilização desse minério para a
produção de alumina e alumínio no País, em escala industrial, foi feita pela Elquisa, -
hoje Alcan - em 1944, durante a 2ª Grande Guerra Mundial, que mais tarde
participaria da consolidação da indústria no Brasil.
O primeiro milhão de toneladas de produção anual de bauxita foi atingido em
1917, quase no fim da Primeira Guerra, quando a mineração havia se expandido
para a Áustria, Hungria, Alemanha e Guiana Britânica, na América do Sul.
Na época da Segunda Guerra, por volta de 1943, os maiores produtores de
bauxita eram os Estados Unidos, a Guiana Britânica, Hungria, Iugoslávia, Itália,
Grécia, Rússia, Suriname, Guiana, Indonésia e Malásia.
19
Em 1952, a Jamaica iniciou intensa mineração de bauxita, ultrapassando o
Suriname, por anos o maior produtor. Na década de 60, Austrália e Guiné juntaram-
se a esse time.
A transformação da alumina em alumínio metálico recebe o nome de Redução,
e se realiza em cubas eletrolíticas em altas temperaturas, processo patenteado em
1886 por Hall-Heroult.
4.2 Produção do alumínio
O alumínio não ocorre isolado na crosta terrestre e sua obtenção depende de
etapas de processamento até chegar ao seu estado metálico. Para que a produção
do alumínio seja economicamente viável, é preciso que os minérios geradores de
alumínio - sendo a bauxita o principal - contenham, no mínimo, 30% de alumina.
A alumina, óxido de alumínio de alta pureza é obtido do processamento da
bauxita em operações químicas, por meio do processo Bayer. Nesta etapa,
conhecida como Refinaria, o minério é transformado em alumina calcinada, que será
utilizada em seguida no processo eletrolítico, como o principal insumo para a
produção de alumínio.
Neste processo, o alumínio se deposita no fundo da cuba, sendo extraído por
sucção para cadinhos, que transferem o metal líquido à fundição para a obtenção do
alumínio primário. Na forma de lingotes, vergalhões, placas e tarugos, o alumínio
está pronto para a transformação em indústrias que atendem diversos setores.
20
Figura 1 - Fluxograma do Processo de Produção do Alumínio (Internetional Aluminium, 2005)
http://www.maxwell.lambda.ele.puc-rio.br/10023/10023_2.PDF
4.3 Introdução à fundição
4.3.1 Generalidades
Uma fundição se dá por meio do derramamento do dado metal (ou liga
metálica) líquido no interior de uma cavidade denominada molde cuja forma
corresponde, em negativo, à da peça desejada. Com a solidificação do metal
derramado, obtemos a peça fundida. Esse método milenar de fabricação de peças
evoluiu com a humanidade e tornou-se um dos mais versáteis, permitindo a
fabricação de peças púnicas ou em série nas mais variadas formas e complexidades
e nos mais diversos tamanhos.
21
Há ainda o relevante fato de o processo ser um dos métodos mais
econômicos de se produzir em série uma vasta gama de componentes metálicos. As
etapas básicas de um processo de fundição, geralmente, se dividem em projeto e
confecção do modelo, confecção do molde e dos machos, derramamento do metal
líquido, desmoldagem e acabamento. Em muitos contextos fabris, a fundição pode
ser considerada um processo de fabricação de peças metálicas, que representa o
caminho mais curto entre a matéria-prima metálica líquida e a peça semiacabada, já
em condições de uso, para utilização imediata.
4.3.2 Histórico
Os objetos em metal mais antigos, conhecidos até agora, datam de 10.000
a.C. Eram pequenos enfeites de cobre nativo e batidos no formato desejado. No
período de 5.000 a 3.000 a.C., apareceram os primeiros trabalhos com cobre
fundido, sendo os moldes feitos de pedra lascada. Na sequência, inicia-se a Era do
Bronze. O processo de fundição de ferro tem lugar na China em 600 a.C.; já o de
aço se dá bem mais tarde, na Inglaterra, em 1740, atribuído ao inventor inglês, filho
de imigrantes alemães, Benjamin Hustsman.
Cronograma evolutivo da tecnoligia da fundição:
4000 a.C.: processo de fundição por cera perdida (modelos perdidos) que surge em
países como China, Egito, Índia e Nigéria, e na América do Sul.
2800 a.C.: processos de obtenção de ferro, a partir dos seus minérios, por redução
com carvão vegetal, na Mesopotâmia.
1000 a.C.: início da Idade do Ferro, com a obtenção de ferro forjado.
250 a 100 a.C.: no Império Romano, a metalurgia do ferro passa a fazer parte
constante em processos de infraestrutura e aplicações importantes do cotidiano
(armamentos, canalizações diversas, charruas, ferramentas, machados).
1300 a 1400: desenvolvimento de fornos de fusão industrial. Tecnologia de obtenção
de ferro fundido no forno cubilô.
1760: início da Primeira Revolução Industrial – o Coque substituiu o carvão industrial
no Alto-Forno. Início de utilização do Alto-Forno na Europa.
22
1855: implantam-se os processos Bessemer, Thomas e Siemens-Martin, para a
elaboração do aço, a partir da gus.
1890: F. Osmond estuda o comportamento do ferro a altas temperaturas e define os
pontos críticos do Diagrama de Ferro Carbono.
1944: o alemão Johannes Croning elabora e desenvolve o processo de fundição
Shell Molding, registrando-o sob patente.
1960 em diante: desenvolvimento da fabricação por controle das transformações
para obtenção, em especial, de peças fundidas em aço de alta resistência.
4.3.3 Etapas para obtenção de uma peça fundida
Para estabelecer o processo de fabricação de uma peça fundida, parte-se do
desenho técnico da peça a ser produzida ou até mesmo de uma réplica. A partir
disso, realiza-se o projeto que define todo o processo de fabricação na fundição . A
figura 2 mostra um típico exemplo das etapas para a fabricação de uma peça
cilíndrica com um furo passante em molde de areia. Tudo começa com o projeto da
peça desejada (1). A partir desse projeto, é feito o modelo (3), possuindo algumas
alterações, como as marcações de macho (4), em, que serão colocados os machos
(para compor as partes internas da peça fundida), feito com o auxílio de caixa de
machos (2).
Com uma parte do modelo partido, começa a primeira etapa da moldagem
(a), que é moldar a caixa inferior do molde de areia, usando para apoio uma caixa de
moldar (7) e um estrado (10). Em seguida, molda-se a caixa superior (b) e, para
manter as duas caixas na posição correta, usam-se pinos-guias (5). Moldadas as
duas partes, está pronto o molde (6).
Feitos os detalhes dos canais de enchimento (12, 15 e 16) e colocado o
macho (c e d), as caixas são abertas. Observa-se o vazio que corresponderá à peça
(8), o macho posicionado (9) e o canal para a saída dos gases (17). As caixas são
travadas por pesos ou presilhas (13) a fim de se evitar vazamento de metal fora do
molde. Após o vazamento e a solidificação, temos a peça.
23
Figura 2 - Elaboração de uma peça cilíndrica pelo processo de moldagem em areia. Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
24
4.3.4 Aplicações de peças fundidas
Algumas características da fundição a colocam em uma posição estratégica:
O fato de a fundição ser o caminho mais curto entre a liga metálica líquida e a
peça pronta torna o processo atrativo economicamente para muitas situações.
Por não haver limites para a confecção de formas de moldes e conjuntos
fundidos, a fundição é considerada o processo com a maior liberdade de
formas disponíveis.
Peças desde poucas gramas, como joias, até peças com dezenas de
toneladas, como turbinas para hidroelétricas, peças de navio e potes de
escória, podem ser produzidas por fundição.
Então muitas aplicações são possíveis, de simples peças decorativas a de
alta tecnologia e de quaisquer portes.
Exemplos:
Eletrodomésticos: carcaça de motores (como de geladeiras) e
componentes de compressores, peças injetadas e outros componentes.
Figura 3 - Peças fundidas em fundição de precisão (a) e sob pressão em alumínio.Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
Elétrica: carcaça de proteção em equipamentos e componentes, carcaça de
motores.
25
Indústria de bens e capital: carcaças e peças de máquinas de porte como
tornos, fresas, furadeiras, plainas.
Saneamento e água para cidades: tubos fundidos de grande porte, válvulas
de bueiros e portas de acesso, equipamentos de proteção,
Figura 4 - Tampa de bueiro em ferro fundido.
Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
Automotivo: as aplicações são enormes. Talvez o maior mercado individual
de fundidos, como blocos de motor, cabeçotes de motor, várias peças
injetadas sob pressão, carcaças de subconjuntos, coletores de descarga,
corpo de bomba de combustível, corpo de bomba de injeção, braços de
suspensão, peças do conjunto de freio, carcaça de diferencial para ônibus,
caminhões, tratores etc.
Indústria: perfis e lingotes para usinagem (como de ferros fundidos),
conformação mecânica, conexões, peças de válvulas e de motores,
componentes de máquinas como carcaças de engrenagens de portes, potes
de escória, lingoteiras, equipamentos em materiais de desgaste.
Aerospacial: paletas de turbina, bloco de motores, componentes de motores.
Brinquedos: muitos brinquedos utilizam peças injetadas sob pressão.
Informática: muitos computadores usam em suas estruturas peças fundidas
injetadas.
Utilidades do lar: panelas, peças de equipamentos de cozinha e jardinagem,
utensílios.
Ourivesaria: joias diversas, usualmente em metais nobres, como ligas de
ouro, prata e platina.
Decoração: peças de adorno, bancos, mesas, lustres, postes decorativos,
peças decorativas, acabamento em pontes e obras.
26
Artes plásticas: estátuas, pedestais, esculturas, bustos, formas abstratas.
Médica: próteses dentária e ortopedia.
4.4 Partes essenciais de uma fundição
Uma fundição funciona de maneira integrada, na qual cada setor fica
responsável por uma determinada etapa do processo. A fabricação de uma peça
fundida requer, pelo menos, os seguintes setores:
De projetos.
De confecção e reparação de modelos, caixas de macho e elementos de
modele, ou seja, modelação.
De fabricação de peças fundidas, ou seja, a fundição propriamente dita.
A fábrica de fundição pode ser dividida nas seguintes áreas:
De preparação de areia para moldação.
De moldação.
De confecção de machos, ou seja, macharia.
De preparação do metal líquido, ao seja, área de fusão.
De vazamento dos moldes.
De rebarbação e limpeza, ou seja, área de acabamento de peças.
27
Figura 5 - Esquema básico de uma fundição.Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
4.5 Moldes e machos
Os materiais utilizados na fabricação de moldes em fundição são,
principalmente, areia e metal. Os moldes metálicos são empregados, sobretudo, em
fundição sob pressão e em fundição em coquilha. A grande maioria de fundidos
produzidos é obtida por moldes confeccionados à base de areia, em moldação
manual ou mecanizada.
Uma areia de moldação é constituída, essencialmente, por grãos refratários
de areia-base e pelo aglomerante desses grãos. Há variedades tanto na areia-base
como no aglomerante. Macho é a parte do molde fabricado separadamente e
colocado em sua cavidade após a extração do modelo para:
Obter, de maneira mais econômica, formas internas ou externas de uma
peça.
Facilitar a construção do modelo.
A figura 6 (a) mostra uma peça com uma forma interna com diâmetro variável.
Para facilitar a moldação dessa peça, utiliza-se um modelo, Figura 6 (b), para a
28
obtenção da forma geral da cavidade do molde, na qual é posicionado o macho,
preparado numa caixa de macho, Figura 6 (c), paralelamente à confecção do molde,
Figura 6 (d).
Existem diferentes tipos de areia para macho. Elas podem ser classificadas
de forma diferentes, dependendo do tipo de processo usado para sua aglomeração.
Duas bastante usuais são as areias constituídas por grãos de areia silicosa e que
podem ser aglomeradas ou com silicato de sódio mais aplicação de gás carbônico,
ou uma segunda opção que seria a aglomeração pro resinas de cura a frio.
Figura 6 - Peça a ser fundida (a), modelo com marcação de macho (b), caixa de macho (c), molde com macho (d) e macho (m).
Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
29
4.6 Modelos e caixas de macho
Na preparação de um molde, utilizam-se modelos e caixas de macho. O
modelo de uma peça a ser obtido em fundição é utilizado para dar forma e
dimensões à cavidade do molde. A caixa do macho é utilizada para preparar os
machos.
Os moldes e os machos devem satisfazer as seguintes qualidades:
Exatidão de formas e dimensões.
Permanência de forma e dimensão como decorrer do tempo.
Facilidade de extração.
Bom estado de superfície.
Os modelos e as caixas de macho possuem uma série de alterações em relação ao
projeto da peça mecânica para adaptá-la ao processo de fundição. Entre as
alterações, destacam-se:
Sobre-espessura de usinagem: a maioria das peças fundidas é usinada
após sua limpeza, a fim de se obter dimensões, formas ou estado de
superfícies prefixadas. Quando no desenho da peça a ser obtida em fundição
existe algum sinal de usinagem, deve-se aumentar no modelo a espessura da
face assimilada, ou seja, considerar uma sebre-espessura de usinagem.
Acréscimos para compensar a contração linear: durante o resfriamento da
peça no molde, após sua solidificação, ocorre uma contração, ou seja, a peça
sólida terá dimensões inferiores à cavidade do molde, Figura 7. Como as
dimensões da cavidade do molde são as do modelo da peça, deve-se ter
dimensão linear do modelo diferente da peça bruta de fundição. Na confecção do
modelo, para compensar a contração do metal no estado sólido, deve-se mudar
as dimensões indicadas no desenho da peça. Na prática, são adotados valores
médios expressos pelo coeficiente de contração linear.
30
Figura 7 - Contração de uma peça solidificada. Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
Ângulos de saída: para facilitar a extração do mode modelo e do macho, é
necessário dar a suas paredes urna inclinação ou saída. Um modelo sem salda,
Figura 8 (a), ou um modelo com contrassaída, Figura 8 (b), quebra a areia quando
é retirado do molde. Já o modelo com saída, na mesma circunstância, não danifi-
ca as paredes do molde, Figura 8 (c)
31
Figura 8 - Extração do modelo.Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
Marcações de macho: marcações em modelo são partes salientes, que,
após a moldação deixam sua impressão no molde, permitindo o
posicionamento do macho. As marcações do modelo correspondem às
marcações dos machos. Há também as marcações que servem para
posicionar os machos entre si. A Figura 9 apresenta um modelo com
marcação horizontal e o molde fechado, obtido com esse modelo. As
marcações contribuem para o perfeito posicionamento dos machos, a esta-
bilidade dos machos e a saída dos gases dos machos.
32
Figura 9 - Marcação de macho. Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
Cantos arredondados: para facilitar o processo de moldagem, evitar defeitos,
concentração de tensões e trincas a quente na peça fundida, é comum fazer ar-
redondamentos em todos os cantos possíveis.
4.7 Canais e massalotes (sistema de alimentação)
4.7.1 Canais de enchimento
O sistema de canais de enchimento deve ser dimensionado de tal forma que
o metal líquido limpo preencha a cavidade do molde, a uma dada temperatura e
durante um intervalo de tempo, a fim de conseguir peças íntegras. A Figura 10
apresenta um sistema de canais de enchimento em que se indicam os diferentes
elementos que o compõem. O metal líquido vazado no funil, que se situa na
superfície do molde, desce até o nível do canal de distribuição em que o metal passa
através dos ataques e a cavidade correspondente à peça. É utilizado a câmera ou o
sistema de retenção de escórias para assegurar o enchimento da cavidade com o
metal líquido.
33
Figura 10 - Sistema de canal. Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
4.7.2 Massalotes (montantes)
O massalote é uma reserva de metal líquido, adjacente à peça, cujo objetivo
é fornecer metal líquido para compensar a contração no estado líquido e durante a
solidificação, ou seja, alimentar a peça a fim de evitar a formação de vazios ou,
tecnicamente falando, os chamados rechupes.
Um massalote é colocado na parte da peça, que se solidifica por último, ou
seja, adjacente ao ponto quente da peça. O massalote deve descolar esse ponto
quente, Figura 11, de maneira que o rechupe seja formado nele.
Figura 11 - Formação do rechupe no massalote. Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
34
O metal líquido é vazado na cavidade do molde a uma temperatura superior à
temperatura de início de solidificação, ou seja, vaza-se o molde com metal
sobreaqueeido. A diferença entre a temperatura de vazamento e a de início de
solidificação corresponde ao valor do grau de sobreaquecimento no metal líquido no
instante do vazamento. Após o preenchimento do molde, ocorre o resfriamento do
metal em três etapas:
Da liga no estado líquido.
Da liga durante sua solidificação.
Da liga do estado sólido até a temperatura ambiente.
Cada uma dessas etapas é, geralmente, acompanhada por uma
contração do metal. Imediatamente, após o vazamento de um molde, tem-se a
cavidade completamente preenchida por metal líquido, Figura 12, que inicia seu
resfriamento com uma consequente contração. As partes mais finas se solidificam an-
tes das mais espessas.
Figura 12 - Solidificação.Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
Em urna mesma secção, a solidificação progride da periferia para o centro da
peça e certa quantidade de liga líquida fica envolvida por metal já solidificado, Figura
13 (a). Em razão da contração desse líquido restante, ao terminar a solidificação da
peça, nota-se urna cavidade em seu interior, ou seja, tem-se um rechupe, Figura 13 (b).
Em decorrência da contração, obtém-se uma peça com rechupe com superfície
irregular e dimensões incorretas, corno pode ser observado na Figura 13 (b). Para
35
conseguir uma peça sem defeitos, é necessário compensar a contração. Para
compensar a contração, que se processa durante o resfriamento no estado líquido e
durante a solidificação, é necessário ter uma reserva de metal líquido, adjacente à
peça, denominado massalote, Figura 11.
Figura 13 - Formação do rechupe.Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
4.8 Areia de moldagem
Areia de moldagem é um sistema heterogêneo constituído essencialmente de um
elemento granular refratário (normalmente areia silicosa) e aglomerante. A areia de
moldagem deve apresentar elevada refratariedade, boa resistência mecânica,
permeabilidade adequada e plasticidade. Já a areia destinada à fabricação de
machos, além dos requisitos exigidos para a areia de moldagem, deve ter boa co-
lapsibilidade, definida como a perda de resistência da areia após o início da
solidificação da peça.
4.8.1 Classificação
36
Quanto à origem: natural; semissintética ou sintética.
Quanto ao uso: nova ou reciclada. As fundições que trabalham basicamente
com areia usada (reciclada) utilizam cerca de 10% de areia nova para
recompor as perdas durante a reciclagem e manter as propriedades da areia
estáveis. Na areia reciclada, são usadas pequenas quantidades de
aglomerantes e água.
Quanto ao emprego: areia de moldagem (faceamento ou enchimento) e
areia de macho.
Quanto ao estado de umidade: úmida (verde) ou seca (estufada).
4.8.2 Compentes
Areia-base: pode ser silicosa e não silicosa.
Silicosa: a areia-base é refratária, normalmente silicosa. Se for originária
de areia de praia deve ser lavada previamente para a retirada dos sais. A com-
posição química da areia-base afeta a dilatação térmica da areia, a reatividade
com o metal fundido, mas principalmente a refratariedade do molde. Esta última
propriedade é particularmente importante na fundição de aço.
A granulometria da areia-base afeta a permeabilidade da areia e a
penetração metálica. Considerando que a distribuição dos grãos seja
relativamente estreita; quanto maior for o diâmetro destes mais permeáveis,
maior será a areia (isso é bom, pois facilita o escoamento dos gases), e maior
será a penetração metálica, implicando num acabamento pobre.
Assim, existe um compromisso entre esses dois aspectos e a decisão
depende do metal em questão. Para ligas fluidas, como as de alumínio e magnésio,
é necessário utilizar areias finas para minimizar a penetração metálica. As ligas
ferrosas tendem a gerar gases, optando-se por areias mais grossas.
Não silicosa: a opção por uma areia de base não si-
licosa parte da constatação de que a areia silicosa apresenta inúmeras
desvantagens em relação às não silicosas, como elevada reatividade com o
metal fundido e elevada expansão volumétrica. Das areias não silicosas, pode-se
37
citar a zirconita, que seria a areia ideal em termos de propriedades, se não
fosse seu alto custo, e a de cromita, que apresenta maior capa,-; cidade de
extração de calor do que a areia comum. Outras como olivina e chamote também
são usadas.
Aglomerantes: são materiais que envolvem e ligam entre si os grãos,
conferindo à areia, após a computação, secagem ou reação química às
características necessárias ao processo de moldagem, ou seja, resistência às
solicitações dinâmicas, estáticas e térmicas, provocadas pelo metal fundido. Para um
dado aglomerante, com o aumento do seu teor, reforça a resistência, dureza e diminui
a permeabilidade. Os aglomerantes se subdividem em:
Orgânicos: a resistência é atingida por meio de uma leve socagem seguida de uma
secagem do molde em estufa. A resistência final pode ser superior à alcançada com
aglomerantes inorgânicos. Com o advento das resinas os aglomerantes orgânicos
naturais caíram em desuso. Exemplo: melaço de cana, amido de milho, óleos etc.
Inorgânicos: a resistência é atingida por meio de socagem. Essas substâncias
tendem a sinterizar quando em contato com o metal fundido, o que dificulta a
desmoldagem. São eles argila (normalmente, bentonitas), silicato de sódio e cimento.
Aglomerantes sintéticos: são as resinas que conferem excelente resistência aliada
a uma boa colapsibilidade e capacidade de fabricar secções finas, compensando o
elevado custo desse insumo.
4.9 Ligas usadas
As peças fundidas são constituídas por ligas metálicas. As ligas metálicas
utilizadas em fundição são divididas em dois grandes grupos: ferrosas e não ferrosas.
Entre toda a produção de fundidos, o ferro fundido (cerca de 83%) ocupa a maior
fatia, seguido do aço (10%) e das ligas não ferrosas (7%).
4.9.1 Ligas ferrosas
38
As ligas ferrosas são classificadas em aço e ferros fundidos. Os aços e ferros
fundidos comuns são, basicamente, ligas constituídas pelos elementos: ferro,
carbono, silício, manganês, fósforo e enxofre. Quando são incluídos voluntariamente
outros elementos ou alguns dos citados em concentrações mais elevadas, a fim de
melhorar as propriedades mecânicas, temos aços ou ferros fundidos ligados.
De acordo com Colpaert (2008), aço é uma liga constituída essencialmente de
ferro e carbono cuja porcentagem de carbono varia entre 0,008% e 2,11%. Já o
ferro fundido é uma liga essencialmente de ferro e carbono cuja porcentagem de
carbono varia entre 2,11% e 4,5%. Apesar de ser possível usar praticamente
quaisquer tipos de ligas ferrosas na fundição, desde as mais simples até as mais
sofisticadas e de alta liga, os principais tipos usados são:
Aço-carbono: é aço comum, ou seja, que não apresenta elementos de ligas.
A temperatura de fusão desse aço gira em torno de 1500 °C.
Ferros fundidos: podem ou não apresentar carbono livre em sua
microestrutura. Esse carbono livre, de coloração escura, chama-se grafita.
Os ferros fundidos que não apresentam grafitas são chamados de ferro
fundidos brancos, já os que apresentam grafitas são denominados de acordo
como a grafita que se encontra, como lamelar, esferoidal, vermicular e nodular.
4.9.2 Ligas não ferrosas
Embora seja possível utilizar ligas fundidas dos mais diferentes tipos de metal,
as ligas não ferrosas mais utilizadas em fundição são as de alumínio, cobre e zinco.
Ligas de alumínio: são as mais versáteis de todas as ligas empregadas
em fundição. Suas principais características de fundição são baixa
viscosidade e temperatura de fusão, além de elevado coeficiente de
transferência de calor. A maior parte das ligas de alumínio não possui
tendências ao fenômeno de trinca a quente e mostra bom acabamento
superficial após a fundição.
Ligas de cobre: podem ser fundidas por processos que permitam obter uma
grande variedade de formas geométricas, como a fundição em areia, em casca,
o processo por cera perdida e a fundição sob pressão. Quanto às
39
propriedades mecânicas das peças fundidas, pode-se citar resistência à
corrosão, ao desgaste (ligas de bronzes), à compressão, à fadiga e às con-
dufividades térmica e elétrica;
Ligas de zinco: o zinco é um dos metais não ferrosos amplamente usados
há muito tempo em diversas aplicações, funcionais e decorativas. Seu
uso é muito intenso em fundição sob pressão, em que se conseguem
peças de fino acabamento para uso em brinquedos, eletrônicos,
eletrodomésticos etc. Nesse grupo, tem-se a liga ZAMAC composta
basicamente por aproximadamente 4% de AI e 96% de Zn, além de
elementos de liga Mg e Cu. É possível a presença de alguns residuais de Sn,
Fe e Pb. Na verdade, o nome ZAMAC deriva das iniciais dos elementos que
compõem a liga: Zn, Al, Mg e Cu.
4.10 Principais processos de fundição
Os principais processos de fundição são moldagem em areia, moldagem em
casca, sob pressão, shell molding4 e cold box5, fundição de precisão, centrífuga e
alta precisão. Todas as técnicas citadas são usadas na fundição dos metais. A
escolha do processo adequado depende do tamanho e da geometria da peça, do
tipo de liga a ser fimdida, do número de peças a ser produzido e da qualidade
superficial desejada, entre outros parâmetros. Além da escolha do processo
tecnicamente viável, pondera-se o lado econômico.
Shey (2000) classifica os principais processos de fundição apresentados na
Figura 14.
40
Figura 14 - Classificação dos principais processos de fundição. Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
4.10.1 Moldagem em areia
O método mais tradicional utilizado em fundição é o de moldes de areia. Esse
processo consiste em assentar o modelo na areia para obter a forma da peça a ser
fundida no molde. O processo de moldagem em areia é composto por uma vasta
gama de métodos e entre estes podemos citar moldagem em areia com argila,
ligantes químicos, shell molding e cold box.
4.10.2 Fundição de precisão (cera perdida)
Esse processo é uma adaptação relativamente recente do processo de
cera perdida, utilizado desde a Antiguidade na produção de joias e utensílios
domésticos. Ele apresenta como grande vantagem à liberdade de formas, excelente
acabamento e estreita tolerância dimensional. Conforme Martinez et al., 2002, o
processo de fundição por cera perdida ou microfusão tem recursos que permitem, em
um "curto" espaço de tempo, a fabricação de grande quantidade de peças. O
formato pode variar desde o mais simples até o mais complexo, com espessuras de
paredes reduzidas, alta qualidade superficial e tolerâncias dimensionais estreitas.
Além de apresentar possibilidades de uso de ligas alternativas.
41
Também possibilita a eliminação de uma série de operações de usinagem,
soldagem e encaixes, entretanto requer controles rígidos em todas as etapas e
pode ser ajustado para atender às solicitações do cliente. O processo de fundição
de precisão tende a compatibiliza a obtenção de peças com bom acabamento
superficial e um mínimo de operações posteriores ao vazamento da peça. As
principais vantagens são:
Redução da usinagem, em que o corte dos gastos é bastante expressivo.
Redução de gastos com acabamento superficial da peça.
Transformação de um conjunto de peças (unidas anteriormente por meio
de soldas, rebites, encaixes etc.) numa única peça fundida.
O processo possui algumas desvantagens também, como investimento
relativamente alto, manuseio de produtos químicos à base de polímeros e/ou
resinas, geração de resíduos cerâmicos, ou seja, o material do molde usado não
pode ser reutilizado, restrito a peças de pequeno porte.
O modelo deve ter a geometria exata requerida pela peça final, mas também
deve ser feito "ligeiramente" maior, para compensar a contração volumétrica tanto
do material usado para fabricar o modelo (cera, plástico) quanto da solidificação do
metal. Ele deve ser construído com um ou mais canais de entrada, normalmente
localizados nas seções de maior massa. Esse canal possui três funções distintas:
Ligar esse modelo ao canal central, formando um cacho.
Servir de saída para o material do modelo durante a deceragem.
Servir de entrada do metal líquido durante o vazamento, garantindo um
enchimento completo e uma solidificação.
4.10.2.1 Produção de modelo em cera
O processo de fundição de precisão permite várias opções quanto ao tipo de
matriz em razão do baixo ponto de fusão, boa fluidez e ausência de abrasividade
das ceras. Primeiramente, por meio do desenho de uma peça, elabora-se o projeto,
adaptando-o ao processo de cera perdida, a partir do qual se consegue fabricar a
matriz. Na seleção do material da matriz é preciso considerar o seu custo e a sua
vida útil, a qualidade e eficácia de produção dos modelos. A matriz pode ser feita em
42
material rígido, como resinas, ou comumente de polímeros como borracha, mais
especificamente silicone.
A Figura 15 mostra uma peça produzida pelo método de cera perdida.
Figura 15 - Escultura produzida pelo processo de fundição de precisão. Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
Figura 16 - Peças em aço produzidas em fundição de precisão.Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
O modelo possui as dimensões aproximadamente 3% maiores do que as da
peça final por consequência da contração da cera (»1,5%) e do aço inox (»1,5%). As
principais propriedades exigidas para a cera estão correlacionadas principalmente
com a injeção, extração, manuseio, montagem, controle dimensional, molhabilidade,
deceragem e queima.
4.10.2.2 Produção de moldes cerâmicos
43
Os moldes em casca na fundição de precisão são feitos pela imersão da
árvore (cacho) em um banho cerâmico e remoção do banho em seguida para
escoamento da lama em excesso e produção de uma camada uniforme.
Finalmente, realiza-se a cobertura com uma camada de partículas (estuco) de
material refratário granulado, pela imersão em uni leito fluidizado ou aspersão do
processo é repetido (de cinco a dez vezes, dependendo do tamanho das peças)
até a formação de uma casca refratária forte o suficiente para resistir a,
basicamente, dois grandes esforços:
Saída do material termoplástico (cera) sob ação do calor.
Entrada do metal líquido, suportando-o até completa solidificação.
O processo está descrito a seguir e é mostrado na Figura 17:
O modelo em cera é injetado. (1)
Usualmente, vários modelos em cera são colados em um canal central,
formando um cacho. (3)
O cacho é submerso em uma lama cerâmica, usualmente de sílica vítrea ou
zirconita em pó e usando como ligante a sílica coloidal ou outros produtos de
características similares. (4)
O cacho é submerso em uma caixa com grãos fluidizados em ar (em
suspensão) de sílica vítrea ou zircofita para engrossar e dar corpo à casca.
(5)
A casca é seca, evaporada a solvente e vai adquirindo resistência para ser
manipulada. Os passos 3, 4 e 5 são repetidos de três a seis vezes, para
atingir a espessura de casca desejada. (6)
A casca é inicialmente aquecida para que a cera funda e saia, deixando o
vazio do molde. (7)
A casca já fria não apresenta muita resistência mecânica, por isso é
colocada em uma caixa e adicionado areia e material refratário e vibrado
para adensamento. (8)
A casca é sinterizada normalmente em temperaturas da ordem de 900 a
1.000 °C. Por vezes, a casca é sinterizada sem a caixa de apoio e só montada
no momento do vazamento. (9)
44
O conjunto é vazado. (10)
Figura 17 - Processo de modelação com cera.Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
Na produção de moldes de cera por injeção, o material que constitui o
molde influencia na precisão das dimensões do modelo. Por exemplo, Yarlagadda
e Holck (2003) mostraram que existem vantagens e desvantagens na produção de
modelos de cera utilizando como molde de injeção o poliuretano ou o silicone.
Modelos de cera produzidos a partir de moldes de silicone não só têm melhor
acabamento superficial, mas também são capazes de produzir padrões de cera com
formas complexas. Do ponto de vista da precisão, os moldes de poliuretano são
superiores aos de silicone, produzindo modelos mais precisos e com menos
distorções. Assim, se o requisito é a produção exata com modelos de cera com
valor mínimo de distorção, o molde em poliuretano é a melhor opção.
45
4.10.3 Moldes permanentes por gravidade
Siegel (1982) define o processo de fundição de molde permanente como
qualquer processo de fundição em que o metal líquido é vertido em um molde
metálico que pode ser utilizado um grande número de vezes, sendo por isso
denominado permanente.
Uma das aplicações mais importantes de moldes permanentes, que são
moldes metálicos, é na produção de lingotes, os quais são fundidos de forma
cilíndrica ou prismática, e processados termomecanicamente. A Figura 18 ilustra
esquematicamente alguns desses moldes metálicos para a produção de lingotes,
os quais são chamados de lingoteiras.
Podem ser também feitos moldes metálicos para a produção de peças, como
no caso dos processos estudados anteriormente. A Figura 19 mostra um molde
metálico útilizado em fundição. Esses moldes apresentam vantagens, pois as peças
têm maior uniformidade, melhor acabamento superficial, tolerâncias dimensionais
mais estreitas e melhores propriedades mecânicas. No entanto, a utilização de
moldes permanentes é normalmente limitada à fabricação de peças pequenas.
Figura 18 - Ilustração esquemática de lingoteiras.Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
46
Figura 19 - Molde metálico permanente para vazamento de metal líquido. Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
4.10.4 Fundição sob pressão
Os processos de injeção do metal sob pressão e o de injeção de polímeros
são similares, mas devido ao desgaste acentuado das matrizes metálicas, a injeção
de metais fica restrita aos não ferrosos de baixo ponto de fusão, principalmente
ligas de alumínio e de zinco. O acabamento das peças é excelente e o limite de
peso é dado pela capacidade de fechamento da máquina, que opera
hidraulicamente.
Os moldes metálicos utilizados em fundição sob pressão são chamados de
matrizes. A matriz é feita de aço ferramenta resistente a elevadas temperaturas,
como, por exemplo, o aço H13. Geralmente, é construída em duas partes que são
fechadas hermeticamente no momento do vazamento do metal líquido. O metal é
bombeado na cavidade da matriz sob pressão suficiente para o preenchimento total
de todos os seus espaços e cavidades. A pressão é mantida até que o metal se
solidifique. Então, a matriz é aberta e a peça ejetada por meio de pinos acionados
47
hidraulicamente. Muitas matrizes são refrigeradas à água. Isso é importante para
evitar superaquecimento da matriz, aumentando sua vida útil e evitando defeitos
nas peças.
O processo de fundição sob pressão realizado na máquina de câmara
quente, mais usada para ligas não ferrosas de menor ponto de fusão, como as ligas
de zinco, é mostrado na Figura 20. Utiliza um equipamento no qual existe um
recipiente aquecido (forno), no qual o metal líquido está depositado. No seu interior
está um pistão hidráulico que, ao descer, força o metal líquido a entrar em um canal
que o leva diretamente à matriz. O processo também pode ser realizado em
máquina de câmara a frio, Figura 21, mais usada para ligas não ferrosas de maior
ponto de fusão.
A pressão exercida pelo pistão faz com que todas as cavidades da matriz
sejam preenchidas, formando assim a peça após a solidificação. Logo após a
solidificação do metal, o pistão retorna à sua posição inicial, mais metal líquido entra
na câmara, por meio de um orifício, e o processo se reinicia.
Como todo o processo de fabricação, a fundição sob pressão tem uma série
de vantagens e desvantagens.
48
Figura 20 - Representação esquemática do processo de fundição sob pressão em câmara quente. Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
Figura 21 - Representação esquemática do processo de fundição sob pressão em câmera a frio.Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
As vantagens são:
49
Peças de ligas como as de alumínio, fundidas sob pressão, apresentam
maiores resistências do que as fundidas em areia.
As peças fundidas sob pressão podem receber tratamento de superfície com
um mínimo de preparo prévio da superficie.
É possível a produção de peças com formas mais complexas.
É possível a produção de peças com paredes mais finas e tolerâncias
dimensionais mais estreitas.
Consegue-se alta capacidade de produção.
Consegue-se alta durabilidade das matrizes.
As desvantagens são:
Limitações no emprego do processo que é usado para ligas não ferrosas com
poucas exceções.
Limitação no peso das peças (raramente superiores a cinco quilos).
Retenção de ar no interior das matrizes, originando
peças incompletas e porosidade na peça fundida.
Alto custo do equipamento e dos acessórios, o que
limita seu emprego a grandes volumes de produção.
A indústria automobilística utiliza uma grande quantidade de peças fundidas
sob pressão, como tampas de válvulas, fechaduras, carcaças de motor de
arranque, maçanetas, caixas de câmbio de máquinas agrícolas. O mesmo ocorre
com a indústria aeronáutica, que utiliza peças fundidas principalmente de ligas de
alumínio e magnésio. Essa variedade de produtos indica a importância desse
processo de fabricação dentro do setor de indústria metal-mecânica.
4.10.5 Fundição centrífuga
Na fundição em centrífuga, o metal fundido é introduzido em um molde, que
gira durante a solidificação, Figuras 22 e 23. A força centrífuga melhora a alimentação e
o enchimento dos detalhes da superfície atingida.
50
Figura 22 - Esquema de fundição centrífuga de tubos. Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
Figura 23 - Ilustração do processo de centrifugação.Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
A força centrífuga decorrente é suficiente para que o metal não só não
51
escorra, como para garantir urna macroestrutura colunar praticamente livre de
defeito. Com esse processo se fabricam tubos de ferro fundido nodular para
transporte de água e esgoto, tubos para indústria petroquímica, cilindros para
laminadores. Na área de não ferrosos a centrifugação também é bastante empregada
para a produção de buchas e mancais em ligas de cobre. O processo impõe
limitações na forma de peças, e é normalmente restrito à produção de formas
geométricas cilíndricas.
4.10.6 Fundição contínua ou lingotamento contínuo
Várias são as possibilidades de se obter barras e pla-
cas fundidas (lingotadas) continuamente. Em termos de produção por tonelada, a
superioridade da produção de aço é inabalável, e embora existam muitas
configurações de equipamentos de lingotamento contínuo, a que tem sido mais
usada modernamente é a máquina curva para aços. A Figura 24 mostra diversas
configurações de equipamento de lingotamento contínuo para aços. O modelo de
máquina horizontal é usado na produção de perfis de ferro fundido.
As lingoteiras (local onde se solidifica o metal) são normalmente oscilantes
(para evitar agarramento do metal no molde) e feitas de cobre com revestimento de
cromo (ou equivalente) e refrigeradas intensamente por água. Nas máquinas
verticais é comum o molde ser fixo e feito de grafite ou carbureto de silício. Para
evitar o agarramento do metal no molde, às vezes se usa oscilar a barra que está
sendo solidificada.
A qualidade dos produtos obtida é também de se ponderar. Mínima concentração
de escória, inclusões, defeitos de estrutura, uniformidade de produção estão presentes
em produtos fundidos continuamente. Nos processos contínuos, a incidência de defeitos
é em menor número quando comparado com os processos em moldes de areia ou
coquilha.
A instalação de fundição contínua pode limitar-se a máquinas relativamente
pequenas, como é o caso de seções pequenas de alumínio, até verdadeiras plantas
industriais de grande porte, caso das placas de aço de grandes dimensões como
2.000 x 300 mm .
52
Figura 24 - Representação esquemática dos tipos de máquinas de lingotamento contínuo para aço. Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
Para obtenção de perfis de pequeno porte em alumínio e cobre, como barras
triangulares de 30 mm de lado para posterior laminação e extrusão, uma opção é o
lingotamento contínuo com roda refrigerada e cinta de aço, Figura 25. Esse
processo é muito usado na fabricação do "fio máquina". Trata-se de uma barra com
diâmetro aproximado de 10 a 15 mm de Cu ou Al. O vergalhão segue posteriormente
para trefilação para produção de condutores elétricos.
53
Figura 25 - Equipamento de lingotamento contínuo para pequenos perfis e placas de ligas de alumínio e cobre.
Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
No processo de lingotamento contínuo usando rolos gêmeos, o metal líquido é
alimentado por uma válvula de cerâmica entre a fresta de dois rolos em giro e
refrigerado à água. O metal esfria entre os rolos e se solidifica, conforme mostra a
Figura 26. Adicionalmente a barra ou placa solidificada sai dos rolos com redução de
5 à 20% de sua espessura, o que inclusive facilita a expulsão de inclusões ou gases
em direção ao metal ainda não solidificado. No Brasil o equipamento mostrado na
Figura 26 (a) é muito utilizado para fabricação de chapas de Al com espessuras
entre 2 e 12 mm.
54
Figura 26 - Equipamento de lingotamento contínuo com rolos gêmeos (a) com perfil na horizontal, (b) perfil descendente e (c) perfil ascendente.
Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
4.10.7 Processo no estado semissólido – tixoconformação
O processamento de ligas metálicas no estado semissólido (ESS) ou
tixoconformação é uma tecnologia que ganhou destaque como alternativa aos
processos convencionais de fundição sob pressão e forjamento. Os estudos
relacionados com o comportamento dinâmico de ligas metálicas no ESS começaram
a ser realizados no Massachusetts Institute of Technology (MIT) no início da década de
1970, por Spencer e Flemings (1971), ficando evidentes as modificações
microestruturais causadas pela agitação mecânica imposta durante a solidificação.
55
ESS têm lugar em temperaturas mais baixas do que as convencionais; maior
rendimento energético em decorrência de menores temperaturas de conformação;
fabricação de peças mais íntegras; peças tixoconfonnadas possuem estrutura
uniforme, contêm menos porosidade e exibem menor contração durante a
solidificação (sendo assim, podem ser submetidas a tratamentos térmicos - T5 e T6
- e soldagem); fabricação de peças com seção fina (por conta das altas pressões
utilizadas nesse processo, é possível produzir peças complexas - near net shape); as
propriedades mecânicas e o acabamento final são excelentes, inferiores somente ao
forjamento.
A fabricação de peças, via tixoconformação, também apresenta algumas
desvantagens como alto custo do material de partida; altos custos de investimento
para os equipamentos de processo. Em alguns casos, tem-se difícil controle da
microestnitura porque ela é muito sensível à temperatura, sendo necessário seu
rigoroso controle durante o processamento. A microestrutura afeta diretamente a
viscosidade da pasta no ESS e muda bastante as condições de fluxo; grande
possibilidade de aparecimento de inclusões devida à formação de óxidos.
Além das vantagens já citadas, peças tixoconformadas em ligas de Al
apresentam excelente resistência à fadiga e por isso os produtos despertaram a
atenção da indústria automobilística. Essa vantagem é devida principalmente à
estrutura globular formada nesses processos. Para obtê-la, existem várias
metodologias que são denominadas condicionamento microestrutural, sendo as
principais: (i) reofundição (R_F); (ii) agitação eletromagnética (MHD); (iii) tratamento
termomecânico (TTM); (iv) processos baseados em vazamento em baixa
temperatura denominados "nova reofundição" (new reocasting; cooling slope e low
superheat casting) (VBT).
A Figura 27 apresenta algumas possíveis rotas para o processamento de
ligas no ESS, que podem ser subdivididas em duas grandes linhas: (i) preparação
no estado líquido; (ii) processos de preparação no estado sólido.
56
Figura 27 - Rotas para o processamento no ESS. Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
4.10.7.1 Processos de preparação do estado líquido
Nessa categoria, estão incluídos os métodos que visam a fragmentar a
estrutura dendritica do metal que está solidificando. As variantes mais empregadas
já foram mencionadas e são a agitação mecânica e a agitação eletromagnética.
Completando essas técnicas, também podem ser adicionados elementos refinadores
de grão que melhoram as condições de nucleação da fase sólida.
A agitação mecânica ou reofundição foi o primeiro método de condicionamento
microestrutural em estado líquido, mas o processo industrial mais comum é a agitação
eletromagnética, executada em equipamento convencional de lingotamento contínuo
ao qual se acrescentam indutores eletromagnéticos rotativos ou com movimento
linear. Desse modo, as dendritas se fragmentam quando no ESS iniciam seu
crescimento e esferoidização.
Outra forma de obter o material condicionado é usar o chamado "Osprey".
Nesse processo o metal fundido é vazado por um bico situado no fundo de um
cadinho. Um jato a alta pressão de gás inerte (normalmente N2) faz com que o
líquido seja transformado em finas gotículas, rapidamente resfriadas em voo (103 K.s-
1) e depositadas em um substrato móvel. Esse processo forma uma estrutura com
57
finas partículas caldeadas umas ás outras que, quando reaquecidas até o ESS, geram
uma estrutura também globularizada, adequada aos processos no ESS.
Recentemente, foi desenvolvido um novo processo
bastante promissor denominado "nova reofundição".
O resfriamento da liga é feito de forma controlada e pode ser subdividido em
duas variantes, sendo (i) cooling slope e (ii) low superheat casting, que
denominaremos respectivamente de rampa de resfriamento e vazamento em baixa
temperatura (VBT). A Figura 28 ilustra esquematicamente esses novos processos.
Na primeira variante, o metal líquido é resfriado de maneira controlada até o ESS
ao longo de uma rampa, até um molde localizado no final. O produto obtido pode ser
resfriado para posterior tixoconfonnação, Figura 28 (b), ou montando um aparato
adequado, é possível até mesmo fazer reofundição imediata, Figura 28 (a).
No segundo caso, o vazamento da liga é feito a urna temperatura muito próxima
da linha liquidus (cerca de 15 °C acima) com taxa de resfriamento controlada. Nesse
processo, o material obtido também pode ser tixoconformado posteriormente, Figura
28 (d), ou logo após o vazamento em um molde adequado, Figura 28 (c).
Figura 28 - Novos processos de tixoconformação: "nova reofundição": (a) usando uma rampa de resfriamento; (b) rampa d resfriamento simples; (c) VBT com injeção direta (d) VBT simples. Fonte,
livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
58
4.10.7.2 Processos de preparação no estado sólido
Nesse grupo de técnicas, parte-se de uma liga solidificada convencionalmente,
modificando sua microestrutura, normalmente dendrítica, por meio de um tratamento
termomecânico (TTM). Nos processos realizados em estado sólido, a variante mais
utilizada é o processo denominado SIMA (strain induced melt activated), que consiste
em uma deformação a quente (acima da temperatura de recristalização), e depois a
frio, para finalmente levar a liga ao ESS para posterior tixoconformação.
A deformação objetiva introduzir urna quantidade crítica de energia em forma
de discordâncias, para que no decorrer do aquecimento ocorra recristalização,
obtendo-se grãos pequenos e equiaxiais. Superada a temperatura solidus, inicia a
formação do líquido, que penetra nos contornos de grão, formando-se então a
microestrutura desejada. Finalmente, com a permanência no ESS tem lugar o
engrossamento/globularização das partículas, que atingem dimensões da ordem de
50 - 90 mm.
Os fatores críticos são a razão e a temperatura de deformação. O primeiro
parâmetro deve ser no mínimo 10%, enquanto a temperatura deve ser tão baixa
quanto possível para introduzir o máximo de energia de deformação. A Figura 29
apresenta a típica evolução microestrutural dessa rota de condicionamento.
Na verdade, quando a liga é conformada em uma temperatura em que se
inicia a solidificação, pode-se dizer que se trata de uma situação em que existe a
conjugação da fundição e a conformação mecânica simultaneamente. Se a
conformação for iniciada exatamente dessa forma, ou seja, quando a temperatura
está sobre a linha liquidus da liga, o processo denomina-se Squezze Casting.
O Squezze Casting consiste na aplicação de uma pressão da ordem de 70
MPa sobre o metal durante sua solidificação, o que irá garantir uma peça com maior
densidade do que o fundido convencional. Por esse processo esquematizado na Fi-
gura 30, são produzidas atualmente peças como pistões, rodas e flanges em ligas
de alumínio.
59
Figura 29 - Evolução microestrutural para liga Al7-Si 0,3Mg: (a) microestrutura inicial dendrítica, (b) após a laminação a 350ºc, (c) após 1 min no ESS a 580ºC (d) 30min no ESS a 580ºC. Fonte, livro
Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
Figura 30 - Etapas do processo Squezze Casting.Fonte, livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
60
4.10.8 Critérios para escolha do processo
Primeiramente, é preciso verificar se cada um dos processos
existentes, incluindo os de areia, é adequado ao: Tamanho e à geometria
da peça.
Tipo de liga a ser fundida.
Acabamento e à tolerância dimensional exigido.
Número de peças encomendado.
Restando dois ou mais processos tecnicamente viáveis, o critério de
desempate será o econômico. A avaliação econômica deve considerar:
Custo de equipamento (incluindo amortização e manutenção) e material
permanente.
Custo de produção: custo dos insumos, incluindo mão de obra, taxas
administrativas e lucro.
Cada processo apresenta um custo unitário que varia (inversamente) com o
número de peças a produzir segundo uma dada equação. Assim podemos
calcular a partir de quantas peças o processo A torna-se mais viável
economicamente que o processo B. O gráfico da Figura 31 exemplifica como
varia o custo para a produção de um determinado fundido, fabricado por
diversos processos, na hipótese de todos serem tecnicamente viáveis.
61
Figura 31 - Preço unitário comparado com número de peças para diversos processos. Fonte,
livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas (2014).
4.10.9 Relevâncias de peças em alumínio para indústria automobilística
Dados recentes levantados pela consultoria internacional Ducker Worldwide
trazem um panorama detalhado da penetração do alumínio, por peso e componente,
nas principais montadoras em atuação nos Estados Unidos. O estudo identifica, por
exemplo, quantos carros de uma mesma fabricante são equipados com para-
choques ou capôs de alumínio; quanto representa o metal não-ferroso no total de
peso dos veículos de cada empresa; e quais os lançamentos por marca que mais
fazem uso das vantagens dos componentes do metal leve.
Nos últimos três anos, Honda e BMW passaram a frente da GM e da Nissan e
assumiram a liderança no consumo de alumínio na América do Norte. Em termos de
conteúdo por veículo, os modelos da BMW são os que mais levam alumínio; já na
proporção percentual do metal não ferroso em relação à massa total dos carros, a
Honda sai na frente. Nesse mesmo período (2006-
62
2009), as duas fabricantes, que produzem apenas veículos com estrutura
monocoque, acrescentaram alumínio em margens históricas. Se não fosse por
blocos de ferro fundido e, em alguns casos, de magnésio/alumínio, o consumo
médio dos lançamentos da BMW ultrapassaria 226,80 kg quilos de alumínio/veículo
nos Estados Unidos, contra a média atual de 190,96 kg/carro (ASSOCIAÇAO
BRASILEIRA DE ALUMÍNIO - ABAL, 2009).
Importante notar que a tendência de substituição dos carros de grande porte,
notadamente esportivos ou SUV’s, observada na GM, Ford, Chrysler e Nissan,
acabou por diminuir o peso médio dos veículos dessas montadoras, o que,
indiretamente, reduziu também o consumo de alumínio.
No levantamento por componente, alguns dados revelam tendências
de consumo para os próximos anos: a penetração dos blocos de alumínio nos
veículos fabricados no território norte-americano passou de 52% em 2006 para 69%
em 2009. O aumento representa o maior vetor de crescimento do alumínio durante a
última década. As rodas de liga leve, que foram responsáveis pelo maior aumento
do consumo de alumínio automotivo na década de 90, tiveram, em 2009, 69% de
penetração e devem continuar tendo uma importante participação no incremento do
uso do metal não-ferroso. Acoplamentos de direção, braços e ligamentos de
suspensão, calipers de freio, capôs e para-choques também apresentaram
crescimento expressivo no último triênio.
Acoplamentos de alumínio, componente estrutural de alumínio fundido mais
significativo em termos de consumo, estão hoje em uso em cerca de 50% dos
veículos fabricados em 2009.
Braços e ligamentos de suspensão de alumínio já equipam em média um
terço dos modelos de 2009. Dessa fatia, mais de 50% é composta por componentes
forjados. Capôs de alumínio são o diferencial de mais de 22% dos veículos norte-
americanos.
63
5. DESENVOLVIMENTO E APLICAÇÃO DO TRABALHO
A produtividade é um dos principais indicadores de eficiência do processo
produtivo. Aumentar a eficiência das operações e reduzir desperdícios de tempo,
matéria prima e mão de obra são ações importantes na melhoria da produtividade e,
consequentemente, a lucratividade de uma fábrica. Assim com o objetivo de
melhorar a produtividade de uma célula de injeção de Alumínio foram
implementados equipamentos periféricos, tais como: Pulverizador automático de
molde, Robô para extração da peça fundida, Forno dosador automático, Prensa
hidráulica automática com estampo rebarbador, também foi otimizado o lay out do
processo anterior e realizado o fechamento da célula já automatizada, desta forma a
célula ficou enclausurada evitando-se riscos potenciais de acidentes de trabalho, o
que é mais comum no formato da célula anterior a automação.
Para que possamos entender o que foi automatizado na célula, temos antes
que conhecer o processo anterior de uma forma bem sucinta.
5.1 Processo produtivo anterior
Para que possamos entender o que foi efetivamente implementado e
otimizado no processo atual temos antes que saber como o processo anterior
funcionava.
Logo abaixo está representado um fluxo da célula de injeção que foi
automatizada.
64
Figura 32 Fluxo do Processo Anterior
5.2 Tempo de ciclo
O tempo de ciclo considerado aqui para estudos e conclusões ao final será o
lead time que a peças leva do momento da injeção até chegar o ponto de esta
pronta para ser embalada e enviada ao cliente. Em alguns casos temos tempos
extras onde a peça é enviada para operações complementada (tratamentos
superficiais; impregnação,...).
Vamos aqui considerar um processo em que temos que entregar peças
apenas brutas e sem operações complementares, o que vai nos facilitar bastante a
compreensão dos resultados finais.
65
5.3 Máquina injetora
A máquina injetora escolhida para à automatização foi uma Buhler com 840
toneladas de força de fechamento, em função da necessidade e geometria das
peças fundidas em carteira. Consumo de energia: 37 Kw/h
Figura 33 Injetora Buhler 840 ton.Fonte: Catalogo Buhler
5.4 Forno westofen
Forno da Marca Striko Westofen com capacidade de manter até 900 kilos de
alumínio com temperatura controlada através da regulagem adequada de seu set
point.
Este forno dispõe de CLP que está ligado diretamente ao programa da
máquina de onde são enviadas informações de quantidade e temperatura
necessária para dosagem automática da câmara de injeção da máquina. Esta
operação era antes realizada pelo operador de fundição, que retirava o metal líquido
do antigo forno de espera para alimentar a câmara de injeção. Desta forma foi
reduzido muito os perigos que o operado de fundição ficava exposto com a
transferência do metal liquido, evitando assim potenciais queimaduras e outro
aspectos insalubres. Consumo elétrico: 25 Kw/h
66
Figura 34 Forno Westofen Striko 900.Fonte: http://www.strikowestofen.com/Die-Casting.html
5.5 Pulverizador automático acheson DAG 1000
O Dag 1000BL é um duplo eixo, reciprocador servo-controlado com precisão
de posicionamento de ± 0,5 milímetros em operação contínua. O controlador
Acheson oferece programação por imagem, sem linguagem de programação
necessária. Com teach in / programação off-line, o aparelho é capaz de armazenar
100 programas, cada um com 99 etapas , com todos os programas armazenados
em um EEPROM trocável . A concepção rígida e robusta do Dag1000BL inclui uma
unidade de ar condicionado controlado ventilador para uso em temperaturas do ar
ambiente até 104 ° F. Quatro I individualmente programável / S de são padrão.
O colector de pulverização segmentado e expansível, com o bico Deltacast
(TM) , tem quatro circuitos de pulverização / sopro independentes com dois circuitos
adicionais de ar infláveis independentes. Dois lubrificantes ou diferentes razões de
diluição pode ser usado com o sistema.
Esta operação também era realizada pelo operador de fundição com
possíveis riscos de queimaduras devido sua exposição próxima ao molde de injeção.
O principal ganho nesta operação não esta relacionado ao tempo de
aplicação do desmoldante que anteriormente era realizado pelo operador de
fundição, mas sim na homogeneidade com que o pulverizador aplica o desmoldante.
67
Assim sendo a extração da peça fundida se dá com maior eficiência/facilidade.
Consumo elétrico: 1,5 Kw/h
Figura 35 Pulverizador Automático ou ReciprocadorFonte: Catalogo Pretranza
68
5.6 Robô ABB IRB 4600F – 40/ 2.55
Um robô da marca ABB modelo IRB 4600F-40-2.55 foi posicionado na frente
da porta da máquina injetora que trabalha em conjunto com o CLP da injetora para
retirar a peça após ser injetada e ter obedecido ao tempo de espera para
solidificação, tempo este que é programado de acordo com os parâmetros de
processo do próprio fundido.
Este robô esta realizando a função que anteriormente era do operador de
fundição que retirava a peça fundida com o auxilio de alicate com cabo prolongado
para se evitar exposição maior do operador ao calor da peça e do molde. O robô tem
as funções de retirada da peça do molde realizar o resfriamento em tanque de água
e posteriormente posicionar o fundido no interior do estampo rebarbador que faz
parte do processo de rebarbação automática, (prensa hidráulica) que veremos mais
a frente. Consumo elétrico: 2,9 Kw/h.
69
Figura 36 Robô ABB instalado na porta frontal da Injetora.Fonte Própria
70
Figura 37 Robô ABB IRB 4600-40/2.55Fonte http://www.abb.com/product/seitp327/06b05498c73c87a3c1257545003ab670.aspx?
productLanguage=pt&country=BR&tabKey=2
5.7 Prensa hidráulica
Foi instalada uma prensa hidráulica com 35 toneladas próxima à máquina de
injeção de modo a compor parte da célula de injeção. Esta prensa obedeceu os
limites de alcance do braço do Robô afim de facilitar a entrada da peça fundida,
distancia esta que já havia sido determinado em lay-out previamente validado como
veremos mais a frente.
Neste processo (rebarbação mecanizada) realizado através da prensa
hidráulica que ainda conta com seu estampo rebarbador que veremos logo à seguir,
tivemos um grande ganho de mão de obra, pois a operação de acabamento, onde
anteriormente eram retiradas todas as rebarbas da peça manualmente, agora esta
sendo realizada de forma automática.
Com a agregação desta etapa do processo houve uma redução significativa
de mão de obra que anteriormente utilizava um operador de fundição, o qual estava
71
exposto ao processo insalubre e suscetível a acidentes com as ferramentas
disponíveis para o processo, como: lixadeiras e serras fitas. Consumo elétrico: 18,5
Kw/h
Figura 38 Prensa hidráulica Pretranza. Fonte: Catalogo Pretranza.
5.8 Estampo rebarbador
72
Estampo rebarbador, também conhecido como Troquel é um dispositivo no
qual é acomodada a peça a ser rebarbada que tem como característica principal o
formato geométrico do fundido que se deseja realizar a retirada das rebarbas
resultantes da linha de fechamento do molde de fundição. Este dispositivo tem a
forma negativa do fundido nas regiões onde serão retiradas as rebarbas.
O estampo rebarbador foi desenvolvido pelo setor de Engenharia de Produto
e construído por empresa contratada do ramo.
Como já foi dito anteriormente, este dispositivo faz parte do processo de
rebarbação e o mesmo é fixado no interior da prensa hidráulica.
Figura 39 Estampo Rebarbador e/ou TroquelFonte: http://ferramentariama.com.br/projetos/troquel.html
73
5.9 Lay Out da célula automatizada
Após a conclusão das instalações e já com a célula em funcionamento temos o novo
lay out que podemos ver logo abaixo na figura 40.
Figura 40 Lay out da Célula Automatizada Atual Fonte: Adaptado do catalogo Pretranza
Prensa Hidráulica
Robô ABB
Pulverizador Pretranza
Forno Dosador Westofen
Tanque de resfriamento
Caçamba peças acabadas
Caçamba de rebarbas
74
5.10 Investimentos realizados
Para a implementação das melhorias realizadas foi necessário um
investimento total de R$ 921.580,49 já inclusos os custos de instalações conforme
tabela abaixo.
Investimentos Realizados em Novembro de 2013. €= 3,0328Equipamentos Marca Modelo Valor em Euro (€) Valor em ReaisPrensa Hidráulica Pretranza PREN ../35 ton 41.360,00 125.436,61Pulverizador Pretranza L2/4 1300x1000 34.080,00 103.357,82Forno Dosador Westofen Wstofen 900 120.000,00 363.936,00Robô para extração ABB IRB 4600F/40-2.55 73.447,00 222.750,06Estampo Rebarbador Ferramentaria Própria 75.500,00Instalações 30.600,00Total de Investimentos 921.580,49
Tabela 1 Investimentos Realizados
5.11 Análises e considerações finais
Após todo o investimento realizado e já com a célula funcionando conforme
descrito nos tópicos de instalação dos respectivos equipamentos, foi realizado um
breve estudo comparativo entre os ganhos obtidos e agregados ao custo de um
determinado produto que anteriormente era realizado com processo totalmente
manual, quando eram fabricadas 40 peças/hora e passou a ser fabricada 46
peças/hora, um ganho de 15% de produtividade.
Este ganho de 15% de produtividade se deu por conta da padronização nos
tempos de alimentação do metal líquido da injetora, pulverização automática e
abertura e fechamento da injetora, tempos estes que estavam sob o controle do
operador de fundição.
Tivemos ainda mais um ganho de produtividade que certamente ajudou a
diminuir o custo final do produto, custo este que estava ligado diretamente à
quantidade de horas que a máquina injetora estava efetivamente em produção.
No processo anterior onde tínhamos um operador no pé da máquina injetora,
havia a necessidade de parar o processo por 30 minutos todos os turnos de trabalho
para refeição, onde nesta configuração eram produzidas 300 peças por turno.
75
Com o processo na configuração atual totalmente automatizado, tivemos um
acréscimo de 68 peças por turno. Então se levarmos em consideração a
comparação do processo atual com o processo anterior, temos um aumento que
totalizou um ganho de 18,5% de produtividade.
O valor de 18,5% no ganho de produtividade esta bem próximo dos 20%
inicialmente proposto no inicio deste trabalho.
Na tabela logo abaixo podermos ver um comparativo de custos por peça,
onde na coluna da célula automatizada já foi considerado que temos uma
produtividade de 15% maior que no processo anterior. Estes custos independem da
quantidade de horas trabalhas.
Nota: Custo do Kilowatt/hora considerado= R$ 0,32
Custos em Reais por Peça Célula automatizada Processo anteriorCusto Material R$ 1,75 R$ 1,75Custo Mão de Obra Direta R$ 0,30Insumos R$ 0,34 R$ 0,41
Energia Elétrica
Forno Dosador - 25,0 Kw/h R$ 0,17 Forno de Espera - 25 Kw/h R$ 0,20Máquina de injeção - 37 Kw/h R$ 0,26 Máquina de injeção - 37 Kw/h R$ 0,29Prensa Hidráulica - 18,5 Kw/h R$ 0,13
Robô de Extração - 2,9 Kw/h R$ 0,02
Pulverizador - 1,5 Kw/h R$ 0,01 Total R$ 2,68 R$ 2,95
Tabela 2 Custos em reais por peça
Na tabela acima foi possível notar que o preço final do fundido analisado teve
um ganho de 9,1%, aja visto que com a célula na configuração atual não temos mais
o custo de mão de obra, pois não há mais a necessidade de operadores de fundição
no pé da máquina injetora e na antiga área de acabamento. O valor do custo total
apresentado ainda não esta contemplando os custos com deslocamento do produto
que havia no processo anterior, pois após as peças serem fundidas eram levadas
para outra área onde era executado o processo de rebarbação. Este custo não será
levado em conta neste estudo, pois não dispomos de histórico para realizar tal
comparativo.
76
Ainda podemos salientar que para o produto da analise em questão houve a
eliminação de estoque intermediário, o que propicia a otimização das áreas antes
utilizadas para este fim. O produto na configuração atual segue diretamente para
área de Expedição, quando então poderá ser enviado ao cliente.
77
6. CONCLUSÃO
Com a conclusão de todos os tópicos inicialmente propostos no inicio este
trabalho, foi possível evidenciar que com os estudos aqui aplicados os resultados
mostraram-se muito favorável no transformação realizada. A célula totalmente
automatizada constituiu-se numa boa opção na busca da estabilidade de processo.
Podemos aqui citar algumas das melhorias alcançadas com a conclusão dos
trabalhos realizados.
A maior de todas as melhorias foi sem dúvidas a padronização do processo, o
que resulta em um produto com repetitividade de sua geometria, diminuindo assim
problemas de ordem dimensional e até mesmo no material.
Desta forma houve um ganho no controle dos parâmetros de processo.
Houve redução no tempo de ciclo da célula e do processo produtivo, aja visto
que tivemos um ganho de 18,5% de produtividade.
O fluxo das operações agora realizadas no processo atual tornou sua
sequencia mais linear o que objetivou a eliminação de estoque intermediários.
O ambiente fabril se tornou mais limpo, melhorou os aspectos de saúde e
segurança o que propiciou maior satisfação com todos os colaboradores.
Em se falando de competitividade, houve uma diminuição de 9,1% do custo do
produto analisado, o que favoreceu a lucratividade e tornou a empresa mais solida e
competitiva.
A visão do cliente acabou mudando, pois sua percepção e confiança melhorou
aja visto que hoje temos um processo menos suscetível a variações e com um
produto mais confiável, evitando assim possível incidentes de qualidade e por
consequência retrabalhos indesejados.
78
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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DEVILLE, Henry Saint-Caire, A História do Alumínio no Brasil, p 16.
HEROULT ,Paul Louis Toussaint, A História do Alumínio no Brasil, p 16.
HALL, Charles Martin, A História do Alumínio no Brasil, p 16.
FARIA, Caroline Faria. Info Escola, Navegando e Aprendendo.Disponível em < http://www.infoescola.com/quimica/fundicao/ > Acesso em 23 de Outubro de 2013.
BALDAM, Roquemar de Lima Baldam; VIEIRA, Estéfano Aparecido Vieira. Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas, editora Érica, 2ª Edição revisada – 2014, pag. 21 à 40, 371 e 372.
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79
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Links relevantes para a fundição
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Association Technique de Fonderie http://www.atf.asso.fr
North American Die Casting Association (NADCA) http://www.diecasting.org
South African Institute of Foundrymen http://www.icon.co.za/—saiVprofile.htm
American Foundrymen's Society (AFS) http://www.afsinc.org
Norwegian Foundry Association http://www.tbi.no
Centre Technique des Industries de la Fonderie http://www.ctif.com
Italian Non Ferrous Foundry Association http://www.arnafond.com
Hommes et Fonderie http://www.attasso.fr
American Metalcasting (AMC) http://amc.aticorp.org
Spanish Foundry Association http://www.feaf.es
Belgian Foundry Association http://www.fabrimetal.be
Institute of British Foundrymen http://www.ibf.org.uk
Les Fondeurs de France http://http://www.fondeursdefrance.org
Canadian Foundry Association http://www.foundryassociation.ca
Swedish Foundry Association http://www.gjuteriforeningen.se
Danish Foundry Association http://www.di.dk
Association - Zinc Fonderie http://www.zinc-fonderie.asso.fr
Camara Industriales Fundidores (CIFRA) http://www.fundidores.org.ar
China Foundry Association http://www.foundry-china.com/cfa
Swiss Foundry Association http://www.jgp.ch/gvs
German Foundry Association http://www.dgv.de
Steel Founders Society of America http://www.sfsa.org
Sociedad Mexicana de Fundidores (SMF) http://www.smf.com.mx
European Foundry Association (CAEF) http://www.caef-eurofoundry.org
Ductile Iron Society http://www.ductile.org
Dutch Metais Association http://www.mkbnetni/sector/industrie/metaalunie
80
Entidades relacionadas
Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais (ABM). http://www.abmbrasil.com.br
Institution of Mining and Metallurgy http://www.imm.org.uk
Asociación de Industriales Metalúrgicos de Galicia (Asime) http://www.asime.es
European Committee for the Valve Industry (CEIR) http://vnvw.ceir-online.org
Institute of Materiais http://www.instmat.co.uk
Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) http://www.abnt.org.br
Associação Brasileira do Alumínio (ABAL) http://www.abal.org.br
Gerrnan Valve Industry Association http://www.armaturen.vdma.org
Italian Institute for Foreign Trade http://www.ice.it
Associação Nacional dos Fabricantes de Veículos Automotores (ANFAVEA)
http://www.anfavea.com.br
Associação Brasileira de Fundição (ABIFA) http://www.abifa.org.br
Italian Vale Industry Association http://www.anima-it.com
International Metalworkers Federation http://www.imfinetal.org
Federação das Indústrias do Estado de São Paulo (FIESP)
http://www.fiesp.org.br
Associação Brasileira da Indústria de Máquinas e Equipamentos (ABIMAQ)
http://www.abirnaq.org.br
Bristish Pump Manufacturers http://www.bpma.org.uk
Associazione Nazionale fra Industrie Automobilische (ANFIA)
http://www.anfia.it
Instituto Brasileiro de Siderurgia (IBS) http://www.ibs.org.br
ABIQUIM- Associação Brasileira da Indústria Química http://www.abiquim.org.br
British Valve and Actuator Manufacturers http://www.bvama.org.uk
Centro das Indústrias do Estado de São Paulo (CIESP) http://www.ciesp.org.br
MIRA - Motor Industry Research Association http://www.mira.co.uk
Sindicato Nacional da Indústria de Componentes para Veículos Automotores (SINDIPEÇAS)
http://www.sindipecas.org.br
Revistas técnicas
Modem Casting http ://www.mo demcasting.com
Foundry Management & Technology http://www.foundrymag.com
Fundidores http://www.metaispain.com
Metal Casting and Surface Finishing www.metals.rala.com.au
Serviços de informação
Centro de Informação Metal Mecânica http://www.cimm.com.br
Foundry International/Castings Buyer/Foundry Trade Journal
http://ww-w.dmg.co.ukkastings
Mat-Web http://www.matls.com
81
Foundry Planet http://www.foundry-planet.corn
The Copper Page http://www.copper.org
Foundry Gate http://www.foundrygate.com.br
Foundry Online http://www.implog.com/foundry
Marinha do Brasil - Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo
http://www.mar.mil.br
Metalworking Insider http://www.mmsonline.com
Metalcastings Online http://www.dmg.co.ukkastings/index.htm
Universidades e institutos
University of Birmingham Casting http://web.bham.ac.uk/h.s.h.lo
Faculdade de Tecnologia São Carlos (FATESC) http://www.fatesc.com.br
Institut für Giessereikunde - Germany Foundry Customer Institute
http://www.unileoben.ac.at
Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT)
http://www.ipt.br
Cast Metais Institute http://ww-w.castmetals.com
Sociedade Educacional de Santa Catarina (SOCIESC) http://www.sociesc.com.br
Fonderie Fondeur http://www.ctif.com
Universidade de São Paulo (USP) http://www.usp.br
Engenharia de Fundição (SOCIESC) http://www.sociesc.org.br
Castings Development Centre (CDC) http://www.castingsdev.com
Instituto Mauá de Tecnologia - Centro Universitário http://www.maua.br
Fonte: Adaptado do livro Fundição – Processos e Tecnologias Correlatas
82
GLOSSÁRIO
Bolsa: Bolsa de ar, parte externa da peça alocada em região especificas no molde
para absorção de ar e outras impurezas que provem do processo de injeção sob
pressão, evitando assim o aparecimento de defeitos na peça.
Canais: Canais de alimentação são os canais ou dutos por onde o metal líquido
passa para chegar ao molde.
Massalote: É uma reserva de metal para compensar a contração do material líquido
que vai se resfriando. Para compensar a contração da peça sólida, o molde é
construído com sobremetal.
Shell Molding: Traduzindo para o português, significa Moldagem em casca,
é um processo usado para Fundir com excelente precisão e baixo custo, inventado
em 1941 por Johannes Croning.
A Moldagem em Shell, é um processo similar ao processo de Moldagem em Areia
exceto pela mistura de resina (de 1 a 6%) na areia o que garante a união dos grãos.
Cold Box: Traduzindo para o português, significa Caixa Fria, consiste da mistura de
Areia + Sistema Fenólico-Uretânico (resina fenólica +isocianato)
Compactação (molde ou macho)
Introdução do Catalisador (Amina Terciária ) na forma de suspensão em um gás
(CO2- N2ou ar).
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APÊNDICE
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![Fundicao Solidificacao Aula II[1]](https://img.document.onl/doc/110x75/55cf976f550346d03391990c/fundicao-solidificacao-aula-ii1.jpg)
