Desenvolvimento da metodologia de fabrico de protótipos de torneiras pelo processo de cera perdida

Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida Luís Filipe Minhava Peixoto Morais Moreira Dissertação do MIEM Orientador na FEUP: Prof. Jorge Lino Orientador no INEGI: Eng.º Rui Neto Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Junho 2014 Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida iii Resumo A realização de protótipos é, nos dias de hoje, uma etapa indispensável para a inovação e criação de novos produtos. Quando aliado a isso se pretende obter protótipos em ligas metálicas, o processo de fundição de cera perdida é certamente um método a ter em conta, pela sua capacidade de gerar peças complexas, dispensado muitas vezes operações de acabamento como a maquinagem, bem como a compra ou fabrico de ferramentas específicas. Esta dissertação tem como principal objetivo desenvolver uma metodologia que permita obter protótipos de torneiras com geometrias complexas, nomeadamente secções interiores pequenas com grande extensão de comprimento, especificamente utilizando o processo de fundição de cera perdida para o efeito. O modo de desenvolvimento dessa metodologia passa, numa primeira fase, pela recolha bibliográfica e estudo das torneiras, assim como do processo de fundição escolhido. Posteriormente, já numa fase experimental, é descrito todo o processo, com as diferentes etapas percorridas, desde a criação de um modelo virtual em CAD 3D, até atingir o produto final – torneiras maciças e ocas em latão. No decorrer do processo existem caminhos alternativos que podem ser seguidos, nomeadamente na geração de um modelo em cera que permita iniciar o processo de cera perdida. Nesse sentido, há essencialmente dois tipos de obtenção dos modelos em cera – métodos de conversão indiretos e diretos. O método de conversão indireto envolve a impressão em estereolitografia de elementos de apoio à construção, por vazamento, de um molde de injeção de cera. Já o método de conversão direto aplicado neste trabalho corresponde à impressão 3D do modelo em cera. Uma vez que estas alternativas têm diferentes particularidades, não só processuais, mas também de custos, são analisados os dados obtidos e define-se qual o número de modelos a partir do qual compensa optar por um método de conversão ou outro. Inerentes a qualquer processo de fundição, especialmente quando se trata de criar novos produtos, são os defeitos. É realizada uma análise visual das peças vazadas e identificados os defeitos, sendo descritas as possíveis causas e propostas soluções que os minorem ou eliminem de futuras peças vazadas. As contrações sofridas no decorrer do processo são também analisadas globalmente através de uma análise dimensional, comparando os valores de compensação atribuídos às medidas reais nas peças vazadas. Este percurso, com a descrição de todos os passos e materiais utilizados, assim como a análise de resultados (dos comentários e observações) deverão ser entendidos como uma metodologia a seguir para a criação de protótipos de torneiras, pelo processo de cera perdida. Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida iv Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida v Development of the Manufacturing Methodology of Faucets Prototypes by the Lost Wax Process Abstract Prototyping is, nowadays, a prerequisite for innovation and creation of new products. When it is sought to obtain prototypes in metal alloys, the process of lost wax cast casting is certainly a method to take into account for its ability to create complex parts, often dispensing finishing operations such as machining and the purchase or making of specific tools. This thesis aims to develop a methodology to obtain prototypes of faucets with complex geometries, including small inner sections with large extension length, specifically using the process of lost wax casting. The developing of this methodology starts initially with literature review and study of faucets, as well as the chosen casting process. Subsequently, in an experimental phase, the whole process is described, with the different taken steps, starting with the creation of a virtual 3D CAD model up to the final product – hollow brass faucets. In the process there are alternative paths that can be followed, namely the generation of the wax model that allows the lost cast process to begin. In this sense, there are essentially two ways of obtaining the wax models – methods of indirect and direct conversion. The indirect method of conversion involves printing stereolithography elements to allow the construction of a wax injection mold. The direct conversion method applied in this study corresponds to the 3D print of the wax model. Since this alternatives have different particularities, not only procedural but also economical, the data obtained is analyzed and it’s defined the number of models by which is preferable to opt to a method rather than the other. Inherent in any casting process, especially when it comes to creating new products, are the defects. A visual examination of the resulting casting parts is performed and identified the respective defects. The probable cause and the solution are explained to help eliminate defects from future castings. The contractions sustained in the process are also analyzed through dimensional analyses, comparing the compensation values assigned to actual measurements in castings. This course, with the description of all the steps and materials used, as well as the analysis of the results should be understood and used as a methodology for manufacturing faucet prototypes. Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida vi Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida vii Agradecimentos Ao Sr. Engenheiro Rui Neto, orientador deste trabalho no INEGI, agradeço o tratamento cordial, sempre com disponibilidade no acompanhamento e esclarecimento de dúvidas. Ao Sr. Professor Jorge Lino, orientador deste trabalho na FEUP, agradeço o cuidado, atenção e apoio dado na realização desta dissertação. Ao INEGI e seus colaboradores, nomeadamente aos elementos da equipa do CETECOFF, que contribuíram e sempre se mostraram disponíveis para a realização e apoio das tarefas experimentais, deixo aqui a uma palavra de apreço e agradecimento. À minha família, em particular aos meus pais e irmão, e à Cátia agradeço-lhes por todo o carinho, compreensão e incentivo. O autor deseja ainda expressar o seu agradecimento pelo financiamento do Projeto SAESCTN-PII&DT/1/2011 cofinanciado pelo Programa Operacional Regional do Norte (ON.2 - O Novo Norte), sob o Quadro de Referência Estratégico Nacional (QREN), através do Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER). Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida xiv Figura 91 - Varetas cerâmicas com 4,5 mm de diâmetro de secção fornecidas pela Zolern ... 89 Figura 92 - Imersão de modelo em trisol ................................................................................. 92 Figura 93 - Imersão de modelo na primeira camada de barbotina ........................................... 92 Figura 94 - Polvilhamento de material refratário sobre a primeira camada de barbotina ........ 93 Figura 95 - Secagem da primeira camada ................................................................................ 93 Figura 96 - Forno do INEGI utilizado na descerificação e sinterização de carapaças cerâmicas .................................................................................................................................. 95 Figura 97 - Remoção do gancho e corte com serra das superfícies cerâmicas da pia de vazamento e ventes .................................................................................................................. 95 Figura 98 - Peças após processo de descerificação e sinterização ........................................... 96 Figura 99 - Forno utilizado no pré-aquecimento das carapaças cerâmicas .............................. 96 Figura 100 - Forno de indução do INEGI ................................................................................ 97 Figura 101 - Vazamento da liga de latão da Cifial nas carapaças cerâmicas ........................... 97 Figura 102 - Quebra da carapaça cerâmica nº 6 na zona do alimentador ................................ 98 Figura 103 - Resultados da fundição e posterior limpeza do modelo nº1 ................................ 99 Figura 104 - Torneira nº 1 após remoção do macho cerâmico e corte do sistema de gitagem ................................................................................................................................... 101 Figura 105 - Modelo CAD 3D da torneira utilizado para a impressão de cera ...................... 102 Figura 106 - Parâmetros de exportação do ficheiro modelado para a impressão de cera ...... 102 Figura 107 – Impressora tridimensional de cera ProJet 3510 CP .......................................... 103 Figura 108 - Modelo impresso em cera com defeito de impressão, ainda com suportes (material branco) .................................................................................................................... 104 Figura 109 - Modelo impresso em cera da torneira pretendida ............................................. 104 Figura 110 - Sistema de gitagem aplicado aos modelos impressos ....................................... 105 Figura 111 - Sistema de gitagem integrado no modelo nº 7 .................................................. 106 Figura 112 - Sistema de gitagem integrado no modelo nº 8 .................................................. 106 Figura 113 - Preparação para a colocação das varetas e pasta cerâmica na carapaça do modelo nº 8 ............................................................................................................................ 107 Figura 114 - Aspeto final da carapaça do modelo nº7 após aplicação das oito camadas cerâmicas ................................................................................................................................ 108 Figura 115 – Latão, contido no cadinho, a ser fundido no forno de indução do INEGI ........ 108 Figura 116 - Resultados da fundição e posterior limpeza do modelo nº7 .............................. 109 Figura 117 - Resultados da fundição e posterior limpeza do modelo nº8 .............................. 109 Figura 118 – Fotos de peça vazada nº1 após corte de gito..................................................... 112 Figura 119 - Fotos de peça vazada nº2 e seus defeitos .......................................................... 113 Figura 120 - Defeito presente na peça nº3 provocado pela presença de escória .................... 113 Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida xv Figura 121 - Modelo nº4 e respetivo defeito .......................................................................... 114 Figura 122 - Peça nº7 como material vazado na zona oca ..................................................... 115 Figura 123 - Defeitos presentes na peça nº8 provocado pela falha da carapaça .................... 115 Figura 124 - Referências das cotas escolhidas para avaliar a contração das peças vazadas .. 116 Figura 125 - Custos de produção em função do nº de modelos injetados em cera................. 122 Figura 126 – Custos de produção em função do nº de modelos impressos em cera .............. 124 Figura 127 - Gráfico comparativo de Conversão indireta vs. Conversão direta para diferentes numeros de modelos .............................................................................................. 125 Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida xvi Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida xvii Índice de Tabelas Tabela 1 – Normas referentes a torneiras sanitárias ................................................................... 7 Tabela 2 – Características típicas da resina líquida fotopolimerizável .................................... 16 Tabela 3 – Características típicas da resina fotopolimerizável endurecida e após cura de 90 minutos ..................................................................................................................................... 18 Tabela 4 - Propriedades típicas das ceras utilizadas na impressão tridimensional ................... 19 Tabela 5 - Composições típicas dos modelos em cera ............................................................. 25 Tabela 6 - Critérios de seleção das ceras .................................................................................. 26 Tabela 7 - Características de alguns materiais refratários ........................................................ 33 Tabela 8 - Temperaturas de pré-aquecimento das carapaças consoante a liga ......................... 35 Tabela 9 - Contração aproximada de diferentes ligas após vazamento .................................... 39 Tabela 10 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação das descontinuidades causada por falta de fusão ......................................................................................................... 41 Tabela 11Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação dos danos de corte....... 42 Tabela 12 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de bolhas ou poros ..... 42 Tabela 13 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de defeitos causados por retenção de ar ..................................................................................................................... 43 Tabela 14 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação dos defeitos causados pela escória ............................................................................................................................... 44 Tabela 15 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de fissuras a quente .... 45 Tabela 16 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de inclusões ................ 45 Tabela 17 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de defeitos de inclusões cerâmicas .................................................................................................................. 46 Tabela 18 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de defeitos de excesso de metal devido a falha da carapaça ......................................................................................... 47 Tabela 19 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de defeitos derivados da fratura da carapaça ............................................................................................................... 48 Tabela 20 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de defeitos derivados do mau enchimento ................................................................................................................... 48 Tabela 21Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de defeitos derivados do abatimento da camada primária ........................................................................................... 49 Tabela 22 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de defeitos rabo de rato ............................................................................................................................................ 50 Tabela 23 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de defeitos derivados da contração da carapaça ............................................................................................................... 51 Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida xviii Tabela 24 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação devido a contrações na área do gito ......................................................................................................................... 52 Tabela 25 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação devido a contrações na superfície ............................................................................................................................. 52 Tabela 26 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de defeitos derivados de marcas do modelo em cera .................................................................................................. 53 Tabela 27 - Características das ceras utilizadas na injeção ...................................................... 81 Tabela 28 - Condições de injeção das ceras nos moldes .......................................................... 81 Tabela 29 - Referências dos modelos injetados em cera com sistema de gitagem .................. 86 Tabela 30 - O sistema de gitagem integrado em cada modelo ................................................. 87 Tabela 31 - Barbotina utilizada na primeira camada - SZ ....................................................... 88 Tabela 32 - Barbotina para restantes camadas - SSF ............................................................... 88 Tabela 33 - Composição da pasta cerâmica ............................................................................. 89 Tabela 34 - Procedimento de criação das camadas cerâmicas para o modelo nº 1 .................. 90 Tabela 35 - Procedimento de criação das camadas cerâmicas para o modelo nº 2 .................. 91 Tabela 36 - Procedimento de criação das camadas cerâmicas para os modelos nº 3, 4, 5 e 6 91 Tabela 37 - Carapaças construídas (imagens respeitantes após descerificação) ...................... 94 Tabela 38 - Condições de vazamento das carapaças referentes aos modelos injetados .......... 98 Tabela 39 - Peças vazadas após granalhagem ........................................................................ 100 Tabela 40Referências dos modelos impressos em cera com sistema de gitagem ............... 105 Tabela 41 - Procedimento de criação das camadas cerâmicas para os modelos nº 7 e 8 ....... 107 Tabela 42Condições de vazamento das carapaças referentes aos modelos impressos ........ 109 Tabela 43 - Defeitos detetados na torneira com o modelo nº2 .............................................. 112 Tabela 44 - Defeitos detetados na torneira com o modelo nº4 .............................................. 114 Tabela 45 - Defeitos detetados nas torneiras com o modelo nº7 e 8 ...................................... 115 Tabela 46 - Cotas de referência do modelo CAD da torneira ................................................ 116 Tabela 47 - Contrações da torneira maciça obtida através do modelo em cera injetada ....... 117 Tabela 48 – Contrações médias das torneiras ocas obtidas através dos modelos em cera injetada ................................................................................................................................... 118 Tabela 49 - Contrações médias das torneiras ocas obtidas através dos modelos em cera impressa ................................................................................................................................. 119 Tabela 50 - Custos estimados da modelação CAD 3D dos diferentes elementos de uma torneira ................................................................................................................................... 120 Tabela 51 - Custos estimados da estereolitografia da torneira e diferentes elementos de apoio ...................................................................................................................................... 120 Tabela 52 - Custos estimados de pós-cura e limpeza ............................................................. 120 Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida xix Tabela 53 - Custo de produção dos moldes de injeção de cera (para torneira e macho) ........ 121 Tabela 54 - Custos da injeção de cera (cerita e solúvel) ........................................................ 121 Tabela 55 - Custos de remoção do macho solúvel ................................................................. 121 Tabela 56 - Custos totais de produção de um modelo em cera pelo método de conversão indireto .................................................................................................................................... 122 Tabela 57 – Impressão 3D de modelo em cera ....................................................................... 123 Tabela 58 – Limpeza e remoção dos suportes ........................................................................ 123 Tabela 59 - Custos totais de produção de um modelo em cera pelo método de conversão direto ...................................................................................................................................... 124 Tabela 60 - Custos adicionais para a obtenção de um modelo em latão ................................ 125 Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida xx Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 1 1 Introdução 1.1 Objetivos A presente dissertação tem como principal objetivo desenvolver uma metodologia que permita obter protótipos de torneiras, pelo processo de fundição de cera perdida. Decorrentes deste objetivo principal, surgiram objetivos de estudo e experimentais. Relativamente aos objetivos de estudo são essencialmente conhecer as origens das torneiras até aos tempos de hoje, entender a composição e materiais destas peças presentes no nosso quotidiano e investigar os processos de fabrico que as criam, nomeadamente, todo o processo de desenvolvimento e produção de protótipos pelo processo de cera perdida. Os objetivos experimentais prendem-se sobretudo com a implementação de um conjunto de soluções pensadas para a produção de protótipos, através do processo de cera perdida. Essas soluções passam pela aplicação de métodos de conversão direta ou indireta para a materialização de modelos de torneira em cera. Pretende-se obter, numa liga de latão fornecida pela empresa Cifial, protótipos maciços e ocos de torneiras. Esses protótipos ocos têm uma geometria exigente sob o ponto de vista de fundição, devido ao facto de possuírem secções interiores com uma área diminuta e simultaneamente, essa área estender-se ao longo de um elevado comprimento. Procurar-se-á definir e corrigir eventuais defeitos decorrentes do processo. Finalmente, analisar os custos e identificar a solução mais apropriada, consoante o número de protótipos que se pretende alcançar. Através dessa análise, o percurso pode ser entendido como um guia ou metodologia para obter protótipos de torneiras. 1.2 Apresentação da instituição INEGI O presente projeto foi realizado no Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial – INEGI. Esta organização, definida como uma associação privada sem fins lucrativos e com estatuto de “utilidade pública”, teve origem no Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial (DEMEGI) da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP) no ano de 1986. Sendo um organismo de elo entre a Universidade e a Indústria, esta tem como objetivos principais:  Investigação, desenvolvimento e transferência de tecnologia para as empresas de modo a fomentar a competitividade da indústria nacional;  Formação nas áreas de conceção e projeto, materiais, produção, energia, manutenção, gestão industrial e ambiente. Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 2 O INEGI tem como ambição tornar-se numa instituição de referência, não só a nível nacional, mas também a nível mundial, tornando-se num elemento pertinente no Sistema Cientifico e Tecnológico Europeu. O INEGI é uma Unidade de Investigação do Laboratório Associado de Energia, Transportes e Aeronáutica, que agrega também o Instituto de Engenharia Mecânica - Polo IST, o Instituto de Engenharia Mecânica - Polo FEUP, o Centro de Ciência e Tecnologia em Aeronáutica e Espaciais do IST e o Laboratório de Aeronáutica Industrial da Universidade de Coimbra. O Instituto mantém também relações com outras Unidades de Investigação nomeadamente o Centro de Estudos de Energia Eólica e Escoamentos Atmosféricos e o Centro de Estudos de Fenómenos de Transporte. 1.3 Organização e temas abordados na dissertação A presente dissertação encontra-se dividida em 4 partes:  Revisão bibliográfica  Metodologia experimental  Apresentação e discussão dos resultados  Conclusões Numa primeira fase, a revisão bibliográfica explora a história, os componentes constituintes e suas funções e os processos de fabrico atuais das torneiras. Em seguida são descritos diferentes processos de geração de modelo físico, centrando a atenção naqueles que direta ou indiretamente produzam modelos em cera, necessários ao processo de fundição em estudo. Esse processo de fundição, as suas etapas e particularidades são também descritas, bem como os defeitos inerentes, suas causas e soluções. É também abordada a forma de detetar esses defeitos, o denominado controlo de qualidade. Finalmente são descritos aos acabamentos habitualmente utilizados nas torneiras, que permitam obter uma peça finalizada. A metodologia experimental pretende descrever todas as etapas e opções tomadas, desde a modelação CAD 3D, passando pelo processo de obtenção direta e indireta dos modelos em cera, até à fase final de realização dos vazamentos para produzir torneiras maciças e ocas, na liga pretendida. A apresentação dos resultados diz respeito sobretudo à qualidade das peças vazadas e à análise e discussão de defeitos e contrações das mesmas. São apresentadas neste capítulo as diferenças económicas entre os dois percursos tomados para o fabrico dos protótipos de torneiras, sendo feito um estudo do número de peças que é necessário produzir, para que um método seja considerado mais aconselhável que o outro. Na última fase, são apresentadas as conclusões do presente trabalho e sugeridos trabalhos futuros. Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 3 2 Revisão Bibliográfica 2.1 A torneira 2.1.1 Introdução O surgimento da primeira torneira remonta à Antiguidade. Pensa-se que em Creta, 1700A.C., já existiam sistemas de canalização e torneiras de mármore, ouro e prata, que abasteciam as fontes públicas. Também no período da Roma Antiga, os Romanos utilizavam os sistemas de canalização e as torneiras para transportar a água, não só para os banhos públicos, como também para casas, cisternas e fontes (How Products Are Made: Faucet). O funcionamento da torneira, embora simples, era eficaz para os requisitos da época: um cilindro, com um orifício perpendicular ao seu eixo, que era inserido no cano. A água, então, passava ou não pelo orifício, conforme a posição do cilindro (fig. 1). A torneira de encaixe foi usada durante toda a Idade Média. Figura 1 – Torneira utilizada no período da Roma Antiga (ArteHistoria) No século XIX, a distribuição da água passou a ser feita com o auxílio de bombas a vapor, o que, devido às pressões decorrentes, exigia outro tipo construtivo de torneira. Inventada em Inglaterra em meados de 1800 por Thomas Gryll, a torneira de rosca provou ser capaz de se adaptar a este tipo de fornecimento. Semelhante às torneiras modernas, esta possuía um parafuso que forçava um anel vedante contra uma superfície plana, interrompendo o fluxo da água (fig. 2). Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 10 pois é uma ferramenta extremamente útil para a representação gráfica tridimensional de equipamentos e/ou produtos, para a simulação de operação e controlo de processos industriais. A modelação em software CAD 3D é, em vários processos de fabrico, um elemento intrínseco do próprio desenvolvimento do produto. Não só permitem simular diferentes solicitações (térmicas, de fadiga, estruturais), como possuem os recursos necessários para definir a produção de peças (criação de ferramentas, moldes, entre outros). No caso concreto da produção de protótipos, como por exemplo a estereolitografia ou a impressão 3D, são utilizados como a ferramenta que vai dar início à geração de um modelo físico. Por estes motivos a modelação CAD 3D é um instrumento que irá ser utilizado no processo de produção de protótipos de torneiras. 2.2.2 Engenharia Inversa Num mercado globalizado e altamente competitivo é obrigatório estar ao corrente do que existe e é feito, tanto a nível de produtos como de processos, por empresas concorrentes. Só adquirindo este conhecimento é que se torna possível compreender se se está atualizado a nível de design de produto e funcionalidades do mesmo. Neste sentido, o primeiro cliente ou interessado de um produto de uma empresa deve ser o concorrente direto. A ferramenta que auxilia a obtenção das características, mais particularmente as geométricas, de um determinado produto é a denominada engenharia inversa. Assim, o processo de duplicação de uma peça ou produto existente, sem ter acesso a desenhos, especificações técnicas, ou modelo CAD, é definido como engenharia inversa. Também pode ser definida como o processo de obter um modelo CAD através da digitalização de pontos da superfície da peça ou produto (Raja e Fernandes 2007). Na realidade, a engenharia inversa tem outras funções e não se limita a cópia concorrencial. A produção de sobressalentes para equipamento obsoleto, fabricação de cópias de peças obtidas com ferramentas velhas, reformulação de produtos próprios que podem assim reaparecer com um novo aspeto, são alguns exemplos em que se parte de produtos sólidos já existentes, para criar novos produtos (Alves 2001). Outra aplicação decorrente da aplicação desta tecnologia é a capacidade de comparar uma peça manufaturada com a peça modelada em CAD 3D, funcionando a engenharia inversa, neste caso, como um elemento de controlo de qualidade. Depreende-se pois que a utilização desta ferramenta também constitui uma vantagem, não só pela obtenção da forma geométrica de um produto, mas também pela rapidez que induz na sua produção e controlo de qualidade, sendo por isso importante a sua referência, no âmbito deste trabalho, nomeadamente na produção de protótipos de torneiras. O processo de engenharia inversa pode ser decomposto em três fases (Raja e Fernandes 2007):  Digitalização Esta fase engloba a escolha da técnica mais apropriada de digitalização, de acordo com a peça pretendida, a sua preparação e a própria digitalização, para extrair a informação que descreve todas as características geométricas da peça. Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 11 Nesta fase de digitalização 3D, podem ser usados dois tipos de equipamento:  Digitalização por contacto (fig. 10) Estes equipamentos possuem sondas de contacto que percorrem automaticamente, ponto a ponto, os contornos da superfície da peça a digitalizar. Têm como principal vantagem a elevada precisão, com tolerâncias de 0,01 mm (Raja e Fernandes 2007). Com esta elevada precisão, surge um dos inconvenientes deste processo - o tempo prolongado que uma peça demora a ser digitalizada (Alves 2001). Outra limitação da utilização desta tecnologia é decorrente do facto de neste processo existir contacto físico com a peça a digitalizar. Nesse sentido, materiais flexíveis, como por exemplo borracha, estão excluídos no que diz respeito à sua digitalização por este meio (Raja e Fernandes 2007).  Digitalização sem contacto (fig. 11) Figura 10 – Sonda de digitalização por contacto (McDonald, Ryall, e Wimpenny 2001) Figura 11 – Dispositivo de digitalização sem contato (McDonald, Ryall, e Wimpenny 2001) Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 12 Nesta variante de digitalização – sem contacto físico com a peça a digitalizar – os sensores utilizados podem ser do tipo laser, ótico ou dispositivo de carga acoplada (Raja e Fernandes 2007). Embora sejam bastante mais expeditos do que os equipamentos de digitalização por contacto devido a digitalizar por varrimento em vez de o fazer ponto a ponto (Alves 2001), apresentam limitações quando comparadas a este (Raja e Fernandes 2007): o Tolerâncias maiores da ordem de 0,025 até 0,2 mm; o Geometrias com superfícies paralelas ao eixo do laser não são corretamente interpretadas (fig. 12); o Como utilizam luz para proceder à captura das informações da geometria da peça, estão dependentes do tipo material da peça a ser digitalizada. Assim, pode ser necessário aplicar um revestimento na peça, para que esta possa ser digitalizada. Estas limitações restringem a utilização desta tecnologia, sobretudo quando a importância da precisão da digitalização se sobrepõe a velocidade da captura de dados.  Processamento de pontos O resultado da digitalização traduz-se numa nuvem de pontos. Sendo relativamente fácil de gerar, em oposição a superfícies ou volumes, esta nuvem de pontos é a forma mais básica de informação geométrica tridimensional, mas também a que corresponde à informação dimensional mais precisa. Isto porque, qualquer modelação subsequente, no sentido de criar superfícies a partir dos pontos que proporcionará uma informação mais completa, se tratará de uma aproximação do modelo real (Smith e Claustre 2004). O processamento de pontos, corresponde à interpretação feita pelo software da máquina e compreende a importação da nuvem de pontos, redução do ruído e do número de pontos da informação coletada. Essa interpretação feita por software obedece a uma série de filtros que o utilizador do equipamento pode controlar (Raja e Fernandes 2007). Esta fase permite também a integração de diferentes digitalizações, com diferentes ângulos e orientações, da mesma peça, de forma a criar um modelo mais completo, que doutra maneira Figura 12 – Falha na digitalização de pontos da superfície paralela ao eixo do laser. (McDonald, Ryall, e Wimpenny 2001) Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 13 não seria possível. O resultado final resume-se a um ficheiro composto por uma nuvem de pontos (Raja e Fernandes 2007).  Desenvolvimento e aplicação do modelo geométrico gerado A geração de um modelo CAD a partir de dados de pontos é provavelmente a fase mais crítica da engenharia inversa, uma vez que são necessários algoritmos extremamente capazes para representar e modelar a informação tridimensional, descrita pela nuvem de pontos. Adicionalmente, como referido anteriormente, a criação de superfícies a partir de pontos é um processo subjetivo e uma aproximação do modelo real (Raja e Fernandes 2007). Assim como os equipamentos de fabrico aditivo e subtrativo diminuem drasticamente o tempo de obtenção de um protótipo, a partir de um modelo CAD, estes equipamentos de digitalização reduzem substancialmente o tempo de obtenção de um modelo em CAD, a partir de um modelo físico (Raja e Fernandes 2007). Aparentemente o uso de engenharia inversa para obtenção de um modelo CAD é morosa, mas normalmente é muito mais rápida que uma modelação de raiz, de um modelo com formas complexas. O modelo representado na figura 13 foi digitalizado e criado em menos de 8 horas. A modelação de raiz do mesmo modelo estima-se que demoraria duas semanas (Smith e Claustre 2004). A partir do modelo CAD 3D obtido é possível replicá-lo ou editá-lo consoante a necessidade do processo de desenvolvimento. Pode ainda ser utilizado para estudos de CAE, aerodinâmica e verificações de conformidade, nomeadamente, comparação das formas dos modelos 3D com as da peça produzida (Alves 2001). Nesse sentido é importante dispor de ferramentas que auxiliem o conhecimento em detalhe desses produtos e processos. Figura 13 - Modelo CAD 3D obtido por digitalização (Smith e Claustre 2004) Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 14 2.3 Geração de modelo físico – protótipo 2.3.1 Protótipo Considera-se que o desenvolvimento de um novo produto foi bem-sucedido quando se obteve a melhor qualidade possível, ao menor preço e da forma mais rápida (Gebhardt 2003). As fases iniciais do desenvolvimento de um produto têm especial relevância nesse mesmo sucesso, bem como no êxito desse produto no mercado. A utilização de um protótipo permite testar e visualizar o design de um produto, antes de este ser realmente produzido. Neste sentido, os protótipos proporcionam não só um auxílio para identificar e avaliar alguns aspetos construtivos do modelo, como também simular, dentro de determinadas limitações, a integração da futura peça no contexto em que se insere (Chung 2009). Graças à natureza física e tangível dos protótipos, a sua utilização também oferece fácil interpretação do modelo, para indivíduos, que, tendo interesse direto no produto, não possuam eventualmente conhecimentos específicos acerca de desenvolvimento de produto, permitindo assim que vejam e reportem eventuais sugestões (Chung 2009). Paralelamente, a realização rápida de protótipos pode constituir um suporte às ações de marketing, sendo um precioso auxiliar à comercialização dos produtos (Alves 2001). Uma das principais aplicações dos protótipos é na implementação de novos projetos, quando estes se encontram numa fase embrionária ou mesmo avançada de conceção, e antes do elevado investimento de fabricar uma ferramenta para a sua produção. Testar um protótipo funcional nessa altura dá a oportunidade de detetar erros de projeto quando os custos de alterações são ainda baixos (Alves 2001). Assim, pela observação do gráfico presente na figura 14, é possível descortinar a magnitude dos custos de alterações ao projeto, nas diferentes etapas de criação de um novo produto. Quanto mais tarde forem necessárias e feitas alterações, maior o custo que acarretará, sendo que, pela análise do gráfico, esse aumento é exponencial, consoante se progride do desenvolvimento do produto. Figura 14 – Custos de alteração de projeto em diferentes etapas de desenvolvimento (Gebhardt 2003) Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 15 Naturalmente, o gráfico tem continuidade para fases posteriores do desenvolvimento do produto, até chegar à comercialização, sendo o agravamento dos custos semelhante. Na eventualidade de se achar que o custo de erros na conceção e desenvolvimento do produto está extrapolado da realidade, basta pensar em exemplos como a alteração de um equipamento ou ferramenta construídos especificamente para a produção de um produto, ou em casos extremos, por exemplo, a recolha de automóveis à marca, por erros de conceção de uma peça (Gebhardt 2003). Resumindo, a criação de um protótipo é importante por dois fatores - acelera o desenvolvimento de um produto e auxilia a deteção de eventuais erros de conceção. O protótipo, para além das importantes funções mencionadas até aqui, pode ter também um papel indissociável de um determinado processo de fabrico. No processo de fundição por cera perdida, a criação de um molde de injeção de modelos em cera, pode passar pela prévia criação de um protótipo, que vai dar a forma desejada da cavidade, e ser assim replicado em cada modelo em cera. 2.3.2 Fabricação aditiva A fabricação aditiva, tradicionalmente designada por prototipagem rápida, é caracterizada pela geração de um modelo físico, através de modelação tridimensional de um modelo virtual, sendo este materializado pela adição sucessiva de camadas de material. A grande vantagem do fabrico aditivo consiste na rapidez e na possibilidade de se obterem protótipos com características dimensionais, geométricas e de acabamento superficial, muito semelhantes às futuras peças (Neto, Lino, e da Rocha). Apesar de ser um processo que engloba uma diversidade de soluções, todas elas respeitam os seguintes princípios, de forma a serem consideradas um processo de fabricação aditiva (Alves 2001):  O processo de modelação tem de ser baseado em CAD 3D;  O processo de obtenção do protótipo deve demorar apenas entre algumas horas a poucos dias, dispensando a utilização de pessoal especializado;  O modelo ser obtido por adição de material. Como referido, existe uma considerável variedade de processos inseridos na noção de fabricação aditiva, sendo estes referidos e explicados exaustivamente nas referências (Wohlers 2013; Grenda 2009; Gebhardt 2003; Alves 2001). De forma sucinta, alguns dos tipos de fabrico aditivo mais difundidos são:  Estereolitografia (SL) – o protótipo é criado por fotopolimerização de uma resina líquida, através da incidência de luz ultravioleta.  Sinterização seletiva por laser (SLS) – pós muito finos de materiais poliméricos, compósitos de matriz polimérica, metais revestidos a termoplástico ou ligas metálicas são ligados entre si por varrimento de um feixe laser.  Impressão tridimensional (TDP) – distribuição de uma camada uniforme de pó sobre a superfície de trabalho, seguindo-se a deposição, por intermédio de finos jatos, de um ligante líquido sobre os pontos que correspondem ao corte local da peça. Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 16  Modelação por extrusão de plástico (FDM) – um fio de material termoplástico é extrudido e depositado em camadas muito finas, unindo-se a camada depositada à camada anterior durante a solidificação.  Impressão de cera – o funcionamento é como que uma simbiose entre o processo FDM e TDP, existindo a deposição em jato de cera que vai formando a superfície de cada camada. Uma distinção lógica entre os diferentes processos reside no material de que é composto o modelo ou protótipo criado. Assim, o espectro dos materiais utilizados expande-se desde resina fotopolimérica, passando pelo papel, ceras, materiais poliméricos, materiais compósitos, até ao metal. Devido à evidente diversidade de soluções, neste relatório serão mencionados mais detalhadamente os processos que utilizam a resina e cera como materiais dos modelos, uma vez que são os materiais utilizados no trabalho experimental. Estereolitografia A estereolitografia é o processo de fabricação aditiva mais antigo e é na atualidade amplamente difundido. O modelo resultante é construído por fotopolimerização de uma resina epoxídica líquida (características na tabela 2), utilizando um feixe laser de raios ultravioleta, que provoca na resina uma reação fotoquímica. Esta reação de polimerização da resina ocorre nas zonas onde o feixe incide. A extensão depende da potência do feixe laser, do seu diâmetro e da velocidade de varrimento (Alves 2001). Tabela 2 – Características típicas da resina líquida fotopolimerizável (Huntsman) Propriedades/Características Resina líquida (Sl7810) Aparência Líquido branco Densidade a 25ºC Viscosidade a 28ºC a 30ºC Profundidade de penetração da luz Exposição crítica Espessura de camada Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 17 Na figura 15 é possível observar o esquema dos elementos e princípio de funcionamento de uma máquina de estereolitografia. No início da materialização de um modelo, a porta de acesso à área de trabalho é selada devido aos fumos decorrentes do processo de fabrico. O elevador é colocado, com auxílio de sistemas integrados eletromecânicos de grande precisão, numa posição imediatamente abaixo da superfície da resina líquida presente no reservatório. Como referido, este material tem a propriedade de solidificar quando incidido com luz ultravioleta. Assim, à medida que o laser trabalha num plano X-Y, guiado pela informação contida no ficheiro CAD entretanto interpretado e modificado por software dedicado da máquina, uma porção de uma determinada camada solidifica. Quando a camada está concluída, o elevador desce e começa a ser construída nova camada. A peça é construída desta forma, camada a camada. Como o meio envolvente do modelo em fabricação é líquido, todas as zonas das peças sem apoio necessitam de suportes sólidos em resina, para que seja possível construir os modelos. Estes suportes são gerados automaticamente pelo software do equipamento, simultaneamente com a definição do número de camadas (Alves 2001). Terminado o processo de fabrico, a peça é elevada do reservatório, pelo elevador, libertandose da resina líquida que lhe está subjacente. É feita uma limpeza e realizada uma cura, também com luz ultravioleta, para endurecer a estrutura da peça (tab. 3). Finalmente são retirados os eventuais suportes que a peça possua (Grenda 2009). Figura 15 – Elementos e princípio de funcionamento de um aparelho SLA (Alves 2001) Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 18 Tabela 3 – Características típicas da resina fotopolimerizável endurecida e após cura de 90 minutos (Huntsman) Propriedades/Características Resina endurecida (Sl7810) Dureza Módulo de elasticidade Resistência à flexão Resistência à tração Alongamento após rotura Temperatura de distorção térmica Coeficiente de expansão térmica Densidade após cura A utilização deste processo para a criação de modelos apresenta as seguintes vantagens (Alves 2001):  Um dos melhores processos em termos de precisão dimensional ( ;  Permite obter as formas mais complexas e os detalhes mais finos;  Possibilidade de obtenção de modelos parcialmente ocos, através da tecnologia “Quick Cast”, reduzindo assim os custos de produção;  Ótimas superfícies de acabamento após lixamento e polimento. Relativamente às limitações deste processo, podem enumerar-se as seguintes (Alves 2001):  Elevado custo das matérias-primas;  Fraca resistência mecânica dos componentes;  Necessidade de pós cura e propensão a empenos. Impressão de cera O processo de criação de um protótipo, utilizando para o efeito uma impressora com capacidade de impressão de modelos tridimensionais em cera, é particularmente interessante para o processo de fundição de cera perdida. A justificação mais evidente para a utilização deste tipo de tecnologia é o facto de o modelo em cera ser impresso diretamente, sendo portanto dispensável do processo de fabrico, o procedimento de criação de um protótipo adicional noutro tipo de material e a criação de moldes de injeção de cera. É portanto uma solução aliciante para o processo de cera perdida, uma vez que é expedita e, em determinadas situações, é mais económica, tendo portanto especial relevo na realização deste trabalho. As impressoras com capacidade de imprimir modelos em cera seguem o processo de impressão por jato de material, que utiliza cabeças de impressão semelhantes às presentes nas conhecidas impressoras de jato de tinta (fig. 16). Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 19 Uma ou mais cabeças de impressão presentes na impressora de cera depositam seletivamente gotas de material, na área de impressão. É comum estas cabeças de utilizarem vários bicos, para aumentar a velocidade e permitir a impressão de mais de um material. No que diz respeito aos materiais, uma das ceras utilizada é solúvel e serve de suporte estrutural, enquanto a segunda é usada como material base do modelo (Wohlers 2013). As características dos materiais de base e de suporte estão presentes na tabela 4. Tabela 4 - Propriedades típicas das ceras utilizadas na impressão tridimensional (VisiJet Materials for ProJet CP & CPX Printers) Propriedades/Características Material Base (VisiJet Prowax) Material Suporte (VisiJet S400) Composição Cor Densidade a 80ºC ( Temperatura de fusão Temperatura de amolecimento Contração volumétrica a 40 ºC Contração linear a 40 ºC À semelhança do que acontece na estereolitografia, a peça é construída por camadas sobrepostas no plano X-Y, sendo neste caso a base móvel. A duração da impressão depende essencialmente da altura Z das peças a imprimir, e não da área total de impressão. Concluída a impressão, as peças em cera são retiradas da base amovível, sendo posteriormente removidos os respetivos suportes das peças, numa limpeza apropriada. Figura 16 - Funcionamento de uma impressora por jato ("Digital Print Preservation Portal"). Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 26 Seleção das Ceras A seleção de uma cera para modelo perdido, é determinada por aplicações particulares, no entanto os fatores que devem ser considerados em cada um dos estágios do processo são descritos na tabela 6: Tabela 6 - Critérios de seleção das ceras (Ferreira 1999) Injeção Ponto de amolecimento, gama de arrefecimento, propriedades reológicas, capacidade para duplicação de detalhes, superfície e tempo de produção total Remoção, Manuseamento e Montagem Poder lubrificante, resistência, rigidez, dureza, resistência ao impacto, estabilidade e soldabilidade Controlo Dimensional Expansão/contração térmica e por solidificação, tendência à cavitação, distorção e estabilidade Construção da moldação Resistência, tenacidade, resistência aos aglomerantes e aos solventes Remoção do modelo de cera da moldação Ponto de amolecimento, viscosidade, expansão térmica, difusão térmica e conteúdo em cinzas Diversos Custo, disponibilidade, facilidade de reciclagem, toxicidade e fatores ambientais Injeção de ceras As ceras destinadas ao processo de fabrico de modelos são injetadas, a relativamente baixas temperaturas e pressões, num molde de produção de modelos de cera (em silicone, resina com pós de alumínio ou alumínio), utilizando para o efeito equipamento específico (fig.20). Figura 20Máquina de injeção de cera pronta a injetar cera num molde [INEGI] Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 27 As ceras podem ser injetadas no estado líquido, pastoso ou sólido. Neste último caso, o processo é por vezes denominado por extrusão de cera. Quanto às condições de injeção, as temperaturas variam entre os 43ºC até aos 77ºC e as pressões entre 275kPa até 10MPa (ASMHandbookCommitee 1998). O tipo de equipamento utilizado varia e pode ser desde simples e relativamente barato a complexo e dispendioso. Relativamente ao equipamento mais simples, e por isso mais frequentemente utilizado, este consiste num reservatório de cera no estado líquido com um cilindro de injeção, um bocal e conjunto de válvulas temporizadas. A cera líquida flui do reservatório para o cilindro de injeção, onde é pressurizada e forçada a sair pelo injetor para o interior da moldação. Os parâmetros principais e controláveis, que têm influência direta na qualidade do modelo em cera, são a temperatura e pressão (Ferreira 1999). Defeitos dos modelos em cera Os defeitos nos modelos em cera dependem, ou são influenciados significativamente, por determinadas características, tanto da injeção como do tipo de molde. A temperatura de injeção deve ser a fornecida pelo fabricante, uma vez que, por vezes, uma diferença de 2ºC é o suficiente para que ocorram defeitos no modelo perdido. Nesse sentido, injetar cera a uma temperatura superior à recomendada pode causar os seguintes defeitos (Wolff):  Alterações dimensionais do modelo resultante;  Rechupes;  Excesso de rebarba no modelo em cera;  Aumentar o tempo de permanência do modelo no molde;  Bolhas de ar aprisionadas devido a turbulência no molde. Por outro lado, injetar a uma temperatura inferior pode acarretar defeitos, tais como (Wolff):  Não enchimento;  Ondulações e linhas na superfície do modelo;  Mudanças dimensionais;  Defeitos superficiais. Quando as temperaturas de injeção são respeitadas e ocorre algum destes últimos defeitos, o problema pode estar na própria injeção da cera. Neste sentido, se a injeção for realizada com um caudal demasiado lento, a cera, ao percorrer o canal de injeção e cavidade do molde, pode arrefecer e assim aumentar a viscosidade. Quando isto acontece, deve-se ajustar o parâmetro da pressão, de forma a ter uma injeção mais expedita. Caso não seja possível, deve considerar-se, se possível, ajustar a própria temperatura do molde, por forma a obter uma injeção adequada, tendo em consideração que uma temperatura elevada deste provoca um aumento da permanência do modelo em cera (Wolff). Um defeito, muitas vezes não visível, são tensões residuais presentes no modelo, resultantes de um arrefecimento desigual. As soluções possíveis neste caso, isoladamente ou em Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 28 conjunto, passam por injetar a uma temperatura inferior, permitir que o modelo se mantenha mais tempo no molde ou mesmo recorrer a um elemento de arrefecimento externo. 2.6 Processo de Cera Perdida 2.6.1 Introdução O processo de cera perdida, ou Investment Casting, é um processo de fundição normalmente associado à produção de peças com geometria complexa. Por esse motivo é por vezes denominado por fundição de precisão (Ferreira 1999). O termo cera perdida, nome pelo qual o processo é conhecido, é atribuído pelo facto do modelo em cera, que dá a forma geométrica da cavidade moldante, ser desfeito e perdido por fusão. A fundição de metais líquidos para produzir objetos sólidos é um processo de fabrico que data de mais de 5000 anos, sendo o processo de cera perdida um dos primeiros utilizados para o efeito (Jones e Yuan 2003). A ideia inicial consistiu em esculpir um modelo em cera de abelha (material que era utilizado frequentemente na altura, sobretudo para a criação de figuras de adoração) cobrindo-o com barro, para que este reproduzisse a forma do modelo. Através do aquecimento, o barro endurecia e, simultaneamente, a cera derretia, saindo assim da moldação. Na cavidade criada na moldação em barro era então vazado o metal, obtendo-se a peça pretendida após a destruição da moldação de barro (Hunt 1980). Figura 21 – Peça em cobre de 2850 A.C. produzida pelo processo de cera perdida (Hunt 1980). Ao longo dos tempos, em diferentes eras e civilizações, o processo foi utilizado sobretudo na produção de estatuária e joalharia, sendo também aplicado na produção de armamento, ferramentas e utensílios (Ferreira 1999). Apesar de nunca ter sido esquecido, o processo foi, de certa forma, redescoberto no final do século XIX quando o Dr. B.F. Philbrook o decidiu utilizar para produzir coroas e implantes dentários (ASMHandbookCommitee 1998). Industrialmente, este sofisticado processo, começou a ter especial relevância pouco tempo depois, aquando da Primeira Guerra Mundial, Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 29 decorrentes das urgentes necessidades militares. O facto de possibilitar criar peças complexas com elevada precisão, algumas delas que não eram sequer possíveis de realizar de qualquer forma, dispensando processos dispendiosos e que consumiam muito tempo, como maquinagem, soldagem e montagem, generalizaram o uso deste processo de fundição (ASMHandbookCommitee 1998). Com essa expansão, decorrente das necessidades supracitadas, o próprio processo foi sendo melhorado, nomeadamente nas composições das formulações das camadas, bem como especificações de tempos de processo, até aos dias de hoje. Atualmente, este processo de fundição é utilizado em diversas áreas como nas indústrias aeronáutica e aeroespacial, em aplicações militares (mísseis), indústria automóvel, equipamentos eletrónicos, medicina dentária e de reabilitação, joalharia, máquinasferramentas, sistemas hidráulicos e pneumáticos, máquinas para a indústria têxtil, entre outras (ASMHandbookCommitee 1998). Figura 22 - Turbina fabricada pelo processo de cera perdida (FoundrySuppliers) Este tem enormes vantagens na produção de peças de qualidade beneficiando da precisão, versatilidade e integridade do próprio processo. Na ótica de produção diversificada de diferentes tipos de materiais, com geometrias complexas, este torna-se o processo mais económico. Para produções dedicadas e em série, cujas peças a fundir estejam dentro de geometrias exequíveis, com materiais constantes, é eventualmente preferível optar por outro tipo de processo de fundição. (Jones e Yuan 2003) O processo pode também ser utilizado para obter protótipos ou mesmo pré-series de determinadas peças ou modelos funcionais ou semi-funcionais, na liga metálica pretendida. Como foi mencionado no capítulo de geração de modelo físico, do presente relatório, a rapidez de obtenção de produtos funcionais é importante por diversos motivos. Aliado a isso, o facto de não implicar o investimento e obtenção imediata de máquinas dedicadas, ferramentas ou moldes metálicos permanentes, torna este processo uma opção extremamente válida, nomeadamente no âmbito deste trabalho, para a realização de protótipos de torneiras. Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 30 2.6.2 Etapas do Processo Este processo de fundição é composto por um certo número de etapas, que permanecem fieis à filosofia do processo original, naturalmente evoluídos sob o ponto de vista tecnológico, nomeadamente em termos de materiais e tempos de execução. A figura 23 permite perceber as diferentes etapas que constituem o processo de cera perdida. Figura 23 - Diferentes etapas do processo de cera perdida (Ferreira 1999) O processo de fundição de cera perdida inicia-se desde logo com a criação e preparação de um modelo em cera. A obtenção desse modelo, como já referido, pode ser conseguida de duas formas – por conversão direta ou indireta. Escolhido o método que se achar mais conveniente, o modelo em cera pode ser integrado numa árvore de modelos, sendo que esta define os canais de gitagem e tem como principal propósito tornar o processo mais económico, no sentido em que são agrupados vários exemplares num só ciclo de produção. O número de modelos está não só dependente de detalhes do próprio processo, como do metal a ser utilizado, das condições de vazamento, entre outras, mas também de fatores que limitam a produção, neste caso as dimensões das cubas de imersão e fornos disponíveis. Nesta fase, caso seja necessário, são também colocados alimentadores que previnem a criação de rechupes, por contração do metal, garantindo assim o enchimento completo dos modelos presentes na árvore. A fase seguinte consiste no mergulho do modelo ou árvore num agente desengordurante, que permitirá uma aderência completa da primeira camada de barbotina à superfície da cera. Após limpeza e secagem, o modelo está preparado para a fase de criação de camadas cerâmicas, que vão constituir a carapaça moldante. Estas camadas são formadas através da imersão do modelo em barbotina, seguido de polvilhamento com partículas cerâmicas que, nas primeiras camadas, são compostas por pós muito finos para garantirem um bom acabamento superficial. À medida que vão sendo construídas as camadas exteriores, a granulometria escolhida para a composição vai sendo maior, de modo a aumentar a resistência mecânica do corpo da casca cerâmica. Normalmente as carapaças têm entre 7 a 10 camadas, sendo que a espessura ideal seja tal que torne a carapaça auto resistente às pressões metalo-estáticas presentes durante o vazamento da liga (Ferreira 1999). Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 31 Concluída a construção da carapaça, segue-se a descerificação que consiste na fusão e remoção da cera, de forma a revelar a cavidade moldante. Esta fase pode ser feita em autoclave (vapor de água sob pressão) ou por choque térmico. Neste último processo, apesar de não ser recomendável sob o ponto de vista ambiental pela libertação de fumos tóxicos, pode ser combinado com a fase seguinte do processo – a sinterização da carapaça. A sinterização tem como propósito reforçar estruturalmente a carapaça e remover eventuais resíduos de cera e materiais orgânicos ainda presentes. Após este passo, a carapaça está preparada para receber o vazamento do metal na sua cavidade moldante. Imediatamente antes disso, a carapaça é colocada num forno a uma temperatura dita de pré-aquecimento. Este passo é importante na medida em que aumenta a vazabilidade do processo, permitindo um correto enchimento e arrefecimentos relativamente uniformes, o que se vai refletir na qualidade da peça metálica obtida. 2.6.3 Sistema de gitagem O sistema de gitagem de uma peça de fundição é constituído por um conjunto de canais e elementos externos à peça fundida. Este tem como propósito permitir o vazamento de metal para as cavidade da moldação (sistema de gitagem de enchimento) e, após o enchimento da cavidade, compensar a contração do metal na peça (sistema de alimentação). Figura 24 - Exemplificação de um sistema de gitagem utilizado no processo de fundição de cera perdida (Bell) No processo de projeção do sistema de gitagem deve-se estabelecer o número, forma, dimensões e localização dos gitos. De tal forma que no conjunto da série de peças a produzir se atinja a maior economia. Esta otimização dos custos deve fazer-se em dois pontos:  No aproveitamento do material;  No aproveitamento do trabalho de moldação. O projeto dos sistemas de gitagem engloba o estudo de todas as medidas convergentes para a obtenção de peças sãs. Assim, por exemplo, depois de escolhida a liga metálica e o design da Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 32 peça a obter, contando com possíveis alterações de espessuras, devem ser estudados as matérias da moldação e o traçado dos alimentadores e canais de enchimento, com vista à obtenção de peças sã. Os fatores a ter em conta no desenho do sistema de gitagem são (Ferreira 1999):  Enchimento rápido da moldação;  Minimizar a turbulência;  Evitar erosão do molde e dos machos;  Remover a escória, impurezas e inclusões;  Promover gradientes de temperatura favoráveis;  Melhorar os custos da produção;  Evitar distorção na cavidade de moldação;  Controlar condições de escoamento 2.6.4 Criação da carapaça cerâmica A carapaça cerâmica que reveste o modelo ou árvore de modelos é composta por um conjunto de camadas, em que cada uma delas consiste na imersão do modelo em banho de pós refratários com um agente ligante, denominados por barbotinas, sendo, após escorrido o excedente de fluído refratário presente no modelo, seguido duma imersão numa cama fluidizada de partículas cerâmicas, ou então por projeção dessas partículas (Ferreira 1999). As camadas são construídas sucessivamente e existindo entre elas um tempo de secagem que depende tanto da composição da barbotina, como da geometria da peça. A primeira camada cerâmica é constituída por finas partículas que, estando em contacto com o modelo em cera, reproduzem todos os detalhes, incluindo a rugosidade superficial (ASMHandbookCommitee 1998). A granulometria dos elementos presentes em cada camada vai aumentando com a aplicação das camadas anteriores. Isto confere à carapaça uma maior integridade estrutural e previne a fissuração, proporcionando ligação entre as camadas. A última camada é normalmente apenas um banho de barbotina, que vai confirmar a aderência final das partículas da camada anterior. Figura 25 - Evolução da espessura em função do nº de camadas (Ribeiro 1999) A espessura da carapaça pode variar entre valores de 6 a 12 mm, dependendo não só da forma e peso do modelo ou árvore de modelos, mas também dos tipos de barbotinas e cerâmicos utilizados na construção. A espessura deverá ter a espessura mínima possível de forma a resistir às condições adversas que o pré-aquecimento e sobretudo o vazamento. Uma espessura menor também reflete uma maior permeabilidade da carapaça. Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 33 Materiais refratários Os materiais refratários mais comuns utilizados na construção de moldações em carapaça cerâmica são pós de sílica, ou de zircónia, e vários silicatos de alumina compostos por mulite ou sílica livre. Estes componentes são usados para a maioria das aplicações, sendo combinados de formas diferentes. A sílica é utilizada sob a forma vítrea, sendo obtida por fusão de areias de quartzo que é posteriormente triturado e utilizado, tanto para a formação de estuques, como em pós finos, integrados nos banhos fluidizados. O baixo coeficiente de expansão térmica da sílica torna-a um elemento preponderante na construção das carapaças, pois fornece a resistência aos choques térmicos. A zircónia, utilizada principalmente como revestimento primário nos banhos fluidizados, é muitas vezes utilizada em conjunto com a sílica vítrea e/ou silicatos de alumina. A elevada refratariedade e a resistência ao molhamento pelos metais fundidos justificam a sua utilização. Os silicatos de alumina são compostos por alumina, sendo a restante parte sílica e impurezas. Este material é calcinado e triturado podendo ser utilizado em banhos fluidizados ou como material granular para estuques. A alumina é mais refratária do que a sílica. Uma vez que é menos reativa com a maior parte das ligas metálicas, o seu uso é empregue sobretudo no vazamento das denominadas superligas (Ferreira 1999). Na tabela 7 podem ser observadas as características dos materiais refratários mais utilizados - neste processo de fundição. Tabela 7 - Características de alguns materiais refratários (Ferreira 1999) Material Composição Química Ponto de Fusão ºC Densidade Específica Coeficiente de expansão Térmica /ºC Alumina Al2O3 2050 3.90 9.5x10-6 Oxido de Cálcio CaO 2600 - - Cromite CrO 1400 4.00 7.0x10-6 Chamote Indeterminado 2.0 a 2.5 6.0x10-6 Magnesite MgO 2800 - - Magnesite Spinel MgO.Al2O3 2135 - - Molochite - 1600 2.70 4.4x10-6 Mulite 3Al2O3.2SiO2 1810 3.14 6.0x10-6 Sílica Fundida SiO2 1710 2.21 0.5x10-6 Zircónia ZrO2.SiO2 2420 4.2 a 4.6 4.5x10-6 Zircómia Cálcia CaO.ZrO2 2345 - - Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 34 Ligantes Os ligantes, também designados aglomerantes, que têm uma utilização mais comum na composição das barbotinas são a sílica coloidal, o silicato de etilo hidrolisado e o silicato de sódio. Dos referidos, a sílica coloidal é o mais utilizado, consistindo numa dispersão coloidal (dispersão muito fina de partículas de uma substância no seio de um líquido) de partículas esféricas de sílica, em água. Sendo um excelente aglomerante de usos gerais, a sua principal desvantagem é o facto da sua base ser em água, o que origina tempos de secagem relativamente longos (Ferreira 1999). Já o silicato de etilo, por si só, não apresenta propriedades ligantes até lhe ser acrescentado água que provoca a reação de hidrólise. A base utilizada neste ligante é álcool etílico, tendo como consequência tempos de secagem muito mais rápidos quando comparados com a sílica coloidal. Tem como limitações um elevado custo, para além de possuir riscos ambientais decorrentes da sua composição (Ferreira 1999). Outros ingredientes As barbotinas têm ainda outros tipos de elementos na sua composição – agentes molhantes e antiespumantes. Os agentes molhantes diminuem a tensão superficial, facilitando a dispersão e distribuição uniforme da barbotina na peça. O sulfonato de sódio ou sulfato de sódio são exemplo de molhantes utilizados. Os agentes antiespumantes são utilizados para evitar a formação de espuma e, caso ainda assim estas ocorram, promover a libertação das mesmas, principalmente nas primeiras camadas. Os mais utilizados são emulsões aquosas de sílica e álcoois gordurosos. A composição da barbotina é escolhida consoante a reatividade e ponto de fusão da liga metálica, que vai ser vazada na cavidade moldante (Ribeiro 1999). 2.6.5 Descerificação Quando a carapaça cerâmica tem uma espessura considerável que lhe forneça resistência mecânica (estrutural e térmica), o próximo passo no processo é remover o modelo em cera, ainda presente no seu interior. Uma vez que a cera dilata consideravelmente aquando do aquecimento, esta fase gera tensões que podem inclusivamente colocar em risco a integridade da carapaça. Há dois métodos de remoção de cera (Ferreira 1999):  Choque térmico – a carapaça é colocada num forno, sendo posicionada para que a cera flua pela pia de vazamento, a uma temperatura elevada (cerca de 1000ºC). A esta temperatura a cera em contato com a superfície interior da carapaça funde quase instantaneamente. Numa posição mais próxima do núcleo, a cera pode assim expandir, sem pressionar e danificar a carapaça. É comum serem feitos pequenos furos (em zonas de gitagem) e incluídos vents para que a cera fundida possa ter mais sítios por onde se libertar. Como inconveniente, devido às elevadas temperaturas, este método não permite a reutilização da cera, para modelos de precisão. Utilizando este método Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 35 nesta fase, há propensão em integrar a fase seguinte do processo – a sinterização da carapaça – o que acaba por ser conveniente e produtivo, por agrupar dois passos processuais, em apenas um.  Autoclave – o outro método de extração do modelo em cera consiste na colocação da carapaça num autoclave. O autoclave gera vapor sobreaquecido a pressões na ordem dos 6 bar, o que permite retirar a cera, por fusão, do interior da moldação em cera de 15 minutos. Neste caso, para além de ser um processo mais limpo e respeitoso ambientalmente, a cera utilizada é reutilizável. 2.6.6 Sinterização A fase do processo denominada sinterização da carapaça serve essencialmente dois propósitos (Ferreira 1999):  a remoção de humidades e eventuais resíduos (orgânicos e de cera) que possam ainda estar presentes, decorrentes da fase de construção da carapaça;  o reforço estrutural da carapaça. Este reforço é conseguido através das altas temperaturas requeridas pelo processo de sinterização, que permitem a formação de uma rede de sílica, que liga os pós refratários entre si. Após sensivelmente duas horas, no final da operação de sinterização, a carapaça cerâmica deverá apresentar uma certa permeabilidade que permita a saída do ar, aquando do vazamento da liga na cavidade. O pré-aquecimento é uma fase integrante e necessária do processo de fundição, pois melhora substancialmente a vazabilidade. Tabela 8 - Temperaturas de pré-aquecimento das carapaças consoante a liga (ASMHandbookCommitee 1998) Liga Temperatura de pré-aquecimento (ºC) Alumínio 150 – 540 Cobre 425 – 650 Aços e superligas 870 – 1095 2.6.7 Fundição 2.6.7.1 Ligas de Latão O corpo de uma torneira é composto, normalmente, por uma liga de latão. Embora existam materiais alternativos, como ligas de zinco, aço ou materiais poliméricos, o latão é o mais utilizado (How Products Are Made: Faucet). A escolha do latão é justificada, não só pelas suas propriedades, que lhe conferem determinadas vantagens em certos processos de fabrico (temperatura de fusão relativamente baixa, boa maquinabilidade e diversidade de acabamentos possíveis), mas também por Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 42 Tabela 11Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação dos danos de corte (Institute 2004) Causas Prováveis Medidas Corretivas Propostas Mau dimensionamento da árvore de modelos Assegurar espaço suficiente para a ferramenta de corte; Aumentar o comprimento do gito Ferramentas de corte desgastadas e/ou com defeitos Manutenção preventiva das ferramentas de corte Má fixação da peça aquando o corte do gito Aperfeiçoar sistema de fixação de modo a minimizar os erros e a melhorar a segurança Bolhas – “Gas” Descrição do aspeto do defeito: Cavidades, geralmente com formato esférico ou em gota, podendo conter ou não marcas de oxidação (fig. 30). Esquematização Imagem real Figura 30 - Esquematização e exemplo real de uma cavidade (Institute 2004; ASMHandbookComitte 1998) Tabela 12 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de bolhas ou poros (Institute 2004) Causas Prováveis Medidas Corretivas Propostas Desoxidação inadequada ou insuficiente Retificar a técnica de desoxidação Metal mantido a temperaturas muito elevadas por largos períodos de tempo Controlar o tempo e temperatura; Vazar metal à menor temperatura possível Materiais e/ou ferramentas em mau estado de conservação, molhadas ou contaminadas (cadinhos, fornos) Limpar todo o material utilizado. Eliminar qualquer vestígio de humidade nos materiais refratários Baixa permeabilidade da carapaça Melhorar a permeabilidade da carapaça aplicando menos camadas; Aumentar o tamanho das partículas refratárias Burnout inadequado Aumentar o tempo e/ou temperatura de burnout; Aumentar a atmosfera oxidante no forno Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 43 Retenção/aprisionamento de ar – “Gas (Air Entrapment) Descrição do aspeto do defeito: Cavidades arredondadas com faces planas que podem conter marcas de oxidação na superfície (fig. 31). Esquematização Imagem real Figura 31 - Esquematização e exemplo real com poros devido à retenção de ar (Institute 2004; ASMHandbookComitte 1998) Tabela 13 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de defeitos causados por retenção de ar (Institute 2004) Causas Prováveis Medidas Corretivas Propostas Fluxo de metal turbulento Reduzir a altura de vazamento entre o cadinho e o molde Modificar sistema de gitagem de modo a reduzir a turbulência através da adição de alimentadores Baixa permeabilidade da carapaça Usar partículas refratárias grosseiras; Usar menos camadas; Vazamento em vácuo; Aumentar altura do gito Escória “Slag” Descrição do aspeto do defeito: Conjunto de cavidades de formato irregular indicativo de presença de escória e/ou partículas refratárias (fig. 32). Esquematização Imagem real Figura 32 - Esquematização e exemplo real das cavidades devido à presença de escória (Institute 2004; ASMHandbookComitte 1998) Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 44 Tabela 14 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação dos defeitos causados pela escória (Institute 2004) Causas Prováveis Medidas Corretivas Propostas Desoxidação inadequada ou insuficiente Retificar a técnica de desoxidação Metal mantido a temperaturas muito elevadas por largos períodos de tempo Controlar o tempo e temperatura; Vazar metal à menor temperatura possível Materiais e/ou ferramentas em mau estado de conservação, molhadas ou contaminadas (cadinhos, fornos) Limpar todo o material utilizado. Eliminar qualquer vestígio de humidade nos materiais refratários Presença de impurezas no metal a fundir (escórias, refratários, ferrugem nas superfícies) Certificar que os lingotes de metal estão limpos antes da sua utilização. Melhorar condições de armazenamento Partículas refratárias provenientes da entrada do forno e cadinho Garantir que o forno e o cadinho não tem partículas refratárias soltas; Conservar o material limpo e em boas condições Técnicas de desoxidação incorretas Reduzir/otimizar o sobreaquecimento e a temperatura do fundido Técnica de eliminação de escória incorreta Proporcionar treino adequado ao técnico de fundição. Adicionar filtros para reduzir inclusões Fenda ou fissura a quente “Hot tears” Descrição do aspeto do defeito: Descontinuidades irregulares com áreas suscetíveis a tensões; superfície da fratura aparece oxidada (fig. 33). Esquematização Imagem real Figura 33 – Esquematização e exemplo real de uma peça com uma fissura a quente (Institute 2004; ASMHandbookComitte 1998) Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 45 Tabela 15 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de fissuras a quente (Institute 2004) Causas Prováveis Medidas Corretivas Propostas Contenção pelo sistema de gitagem Retificar o sistema de gitagem. Cantos vivos (interiores) Atenuar os cantos vivos com o aumento dos raios Mau design da peça Eliminar secções muito grossas ou muito finas Movimento da carapaça antes da solidificação da liga Definir e cumprir tempo necessário para a solidificação da liga de modo a não movimentar a carapaça antes da solidificação da liga Temperaturas incorretas do metal ou carapaça Estabelecer e controlar as temperaturas adequadas Arrefecimento rápido após vazamento (durante solidificação) Aumentar tempo de arrefecimento isolando o molde Composição química da liga incorreta Modificar a composição química da liga Inclusões – Inclusion Descrição do aspeto do defeito: Cavidades irregulares que contêm traços de refratários e/ou partículas de escória (fig.34). Esquematização Imagem real Figura 34 - Esquematização e exemplo real de uma peça com inclusões (Institute 2004; ASMHandbookComitte 1998) Tabela 16 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de inclusões (Institute 2004) Causas Prováveis Medidas Corretivas Propostas Existência de areia ou partículas refratarias soltas na carapaça Inspecionar e limpar a carapaça antes do vazamento Lingotes do metal a fundir contaminado Remover a ferrugem e todos os contaminantes à superfície do metal; Verificar a existência de escória na superfície ou de inclusões de areia Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 46 Causas Prováveis Medidas Corretivas Propostas Material externo proveniente dos cadinhos/conchas Usar equipamento adequado e em boas condições. Manter o material livre de contaminantes Escória retida durante o vazamento Usar técnicas de desoxidação e de remoção de escória adequadas. Modificar canais de alimentação para a reduzir a turbulência Presença de impurezas no metal a fundir (escórias, refratários, ferrugem nas superfícies) Certificar que os lingotes estão limpos antes da sua utilização. Melhorar condições de armazenamento Nota: O uso de filtros cerâmicos reduz os efeitos significativamente os defeitos derivados de inclusões. Inclusões cerâmicas – “Ceramic Inclusion” Descrição do aspeto do defeito: Cavidades com formas irregulares e faces planas de tamanho indefinido que contêm traços de material cerâmico (fig. 35). Esquematização Imagem real Figura 35 - Esquematização e exemplo real de uma peça com inclusões cerâmicas (Institute 2004; ASMHandbookComitte 1998) Tabela 17 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de defeitos de inclusões cerâmicas (Institute 2004) Causas Prováveis Medidas Corretivas Propostas Espessura insuficiente da carapaça, características não controladas nos elementos que compõem o molde Controlar e corrigir as características dos elementos que compõem o molde Metal a fundir contaminado com refratários Certificar que os lingotes estão limpos antes da sua utilização. Melhorar condições de armazenamento Mau estado de conservação do forno de sinterização e dos cadinhos Assegurar que fornos e os cadinhos não tem refratários soltos antes de fundir ou transportar o metal Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 47 Excessivo metal devido à falha da carapaça – “Excessive Metal from Shell failure” Descrição do aspeto do defeito: Projeções de metal de forma irregular e de tamanho indefinido. Pode conter vestígios de material cerâmico com forma angular e irregular nas proximidades da falha da carapaça (fig. 36). Esquematização Imagem real Figura 36 - Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos de excesso de metal (Institute 2004; ASMHandbookComitte 1998) Tabela 18 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de defeitos de excesso de metal devido a falha da carapaça (Institute 2004) Causas Prováveis Medidas Corretivas Propostas Espessura insuficiente da carapaça, características não controladas nos elementos que compõem o molde Controlar e corrigir as características dos elementos que compõem o molde Fratura do Molde – “Mold Cracking” Descrição do aspeto do defeito: Excesso de metal que segue o contorno da fissura da carapaça (fig. 37). Esquematização Imagem real Figura 37 - Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos derivados da fratura da carapaça (Institute 2004; ASMHandbookComitte 1998) Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 48 Tabela 19 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de defeitos derivados da fratura da carapaça (Institute 2004) Causas Prováveis Medidas Corretivas Propostas Tempo de secagem excessivo entre as camadas primárias Controlar e reduzir tempos de secagem entre as camadas Surgimento de fissuras na operação de descerificação Aumentar a temperatura do forno onde é efetuada a descerificação; Utilizar vents Coeficientes de expansão diferentes das camadas primárias e das camadas seguintes Usar refratários compatíveis Baixa resistência da carapaça Aumentar resistência da carapaça antes da sinterização Mau enchimento – “Non-Fill/ Misrun” Descrição do aspeto do defeito: Zonas com falta de metal e arestas arredondadas devido ao enchimento incompleto (fig. 38). Esquematização Imagem real Figura 38 - Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos derivados do mau enchimento (Institute 2004; ASMHandbookComitte 1998) Tabela 20 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de defeitos derivados do mau enchimento (Institute 2004) Causas Prováveis Medidas Corretivas Propostas Baixa temperatura do metal fundido ou da carapaça Aumentar as dimensões do gito ou dos canais de alimentação Falta de fluidez Aumentar temperatura da carapaça e/ou da liga. Modificar a composição da liga para aumentar a fluidez Vazamento interrompido Certificar-se de que há condições para realizar um vazamento sem interrupções Vazamento muito lento Aumentar velocidade de vazamento Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 49 Causas Prováveis Medidas Corretivas Propostas Secções finas Aumentar as secções de metal; estender as secções finas para posteriormente utilizar métodos de corte, para obter as dimensões do desenho Baixa permeabilidade da carapaça e ausência de vents Aumentar a permeabilidade da carapaça usando refratários mais grosso; utilizar menos camadas ou adicionar vents Abatimento da camada primária da carapaça – “Primary Coat Buckle” Descrição do aspeto do defeito: Regiões com excesso de metal na superfície da peça vazada, normalmente associadas com a rebarba das arestas (fig. 39). Esquematização Imagem real Figura 39 - Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos derivados do abatimento da camada primária (Institute 2004; ASMHandbookComitte 1998) Tabela 21Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de defeitos derivados do abatimento da camada primária (Institute 2004) Causas Prováveis Medidas Corretivas Propostas Fissuração da camada primária permitindo que a barbotina penetre entre o modelo em cera e as camadas; provavelmente causada por uma espessura irregular da camada primária, dando origem a diferentes tempos de secagem Assegurar que o modelo em cera está bem lavado e que a camada primária tem boas propriedades molhante; Assegurar que as partículas refratárias estão a aderir adequadamente a toda a área da camada e que qualquer excesso é removido Secagem da camada primária antes da aplicação da areia refratária Controlar as condições de temperatura e humidade durante o processo de fabrico da carapaça Escorrimento demasiado rápido da barbotina primária em algumas secções originando variações de espessura Assegurar viscosidade adequada da barbotina assim como uma cobertura e escorrimento uniforme Barbotina primária muito viscosa Reduzir viscosidade Validade da barbotina Verificar pH e validade da barbotina Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 50 Rabo de rato. “Rat tail” Descrição do aspeto do defeito: Linhas/ranhuras pouco profundas na superfície da peça vazada (pode apresentar oxidação nas ranhuras) (fig. 40). Esquematização Imagem real Figura 40 - Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos designados por rabos de rato (Institute 2004; ASMHandbookComitte 1998) Tabela 22 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de defeitos rabo de rato (Institute 2004) Causas Prováveis Medidas Corretivas Propostas Temperatura elevada da carapaça e excessivo tempo de pré-aquecimento Reduzir temperatura da carapaça Fissuração da carapaça permitindo a entrada de ar que irá oxidar as fissuras durante o arrefecimento Tapar a carapaça imediatamente depois do vazamento (Adicionar material rico em carbono antes de cobrir a carapaça é benéfico) Contração da carapaça – “Shell Buckle” Descrição do aspeto do defeito: Penetração de metal na área projetada como núcleo junto com a fissuração do molde antes do vazamento (rebarba fina) (fig. 41). Esquematização Imagem real Figura 41 - Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos devidos à contração da carapaça (Institute 2004; ASMHandbookComitte 1998) Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 51 Tabela 23 - Causas e medidas corretivas propostas para a eliminação de defeitos derivados da contração da carapaça (Institute 2004) Causas Prováveis Medidas Corretivas Propostas Modelo em cera não tem resistência suficientemente para suportar as operações de imersão na barbotina e polvilhamento da areia Criar suportes adicionais Expansão da cera durante o consolidação do molde e/ou secagem Evitar flutuações de temperaturas durante a consolidação do molde e durante a secagem; Evitar secagem excessiva da camada primária; Assegurar método adequado de descerificação Resistência inadequada do molde Aumentar resistência da carapaça com camadas adicionais ou aumentar a percentagem de ligante nas misturas Grandes superfícies planas Diminuir as superfícies planas com a adição de nervuras e/ou relevos Contração no canal de gitagem – “Shrink in gate área” Descrição do aspeto do defeito: Grande cavidade irregular normalmente visível apos remoção do gito (fig. 42). Esquematização Imagem real Figura 42 - Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos designados derivados de contrações na área do gito (Institute 2004; ASMHandbookComitte 1998) Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 58 A atração será tanto maior quanto maior for o campo de fuga, ou seja, os campos de fugas intensos ou descontinuidades grandes fornecem indicações fortes enquanto que campos de fuga pouco intensos ou descontinuidades finas fornecem indicações fracas. As principais vantagens deste método são (F. P. Almeida 1991):  Simplicidade de aplicação em materiais ferromagnéticos;  Deteção de descontinuidades subsurpeficiais;  Produção de indicações diretamente na superfície da peça;  Aplicabilidade em peças com geometrias complexas. No entanto apresenta algumas desvantagens como:  Aplicação exclusiva em materiais ferromagnéticos;  Exigência da operação de magnetização em algumas situações. Líquidos Penetrantes O método de ensaios por líquidos penetrantes aplica-se na deteção de descontinuidades abertas à superfície em materiais sólidos não porosos. Esta técnica permite detetar descontinuidades, quer microscópicas, quer visíveis à vista desarmada. O ensaio baseia-se na utilização de um líquido – penetrante – que é aplicado sobre a superfície previamente limpa da peça a inspecionar e que por capilaridade preenche as descontinuidades existentes na superfície. O líquido penetrante permanece algum tempo na superfície da peça sendo removido o excesso. A aplicação de um produto absorvente – revelador – aumenta a visibilidade das indicações. O método de líquidos penetrantes utiliza-se tanto em materiais magnéticos, como ligas de alumínio, de magnésio, bronzes, latões, plásticos, vidros ou cerâmicos; em materiais forjados ou vazados (F.P. Almeida 1991). Figura 49 - Esquematização das etapas de inspeção por líquido penetrante (Santos 1999) Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 59 As principais vantagens do método referido são (F.P. Almeida 1991):  Permite a deteção de descontinuidades muito pequenas mesmo em peças de geometria complexa (F.P. Almeida 1991):  Pode ser utilizado numa vasta gama de materiais;  Utiliza equipamentos simples e não necessita de grandes investimentos;  Permite a inspeção a 100% de um lote pequeno de peças. Por outro lado, este ensaio apresenta as seguintes desvantagens (F.P. Almeida 1991):  Deteção exclusiva de descontinuidades abertas à superfície;  Exige que a superfície a inspecionar bem como o interior das descontinuidades estejam absolutamente limpas e isentas de contaminantes;  Os materiais penetrantes, emulsificadores e reveladores são tóxicos e exigem precauções no manuseamento;  Não é aplicável a materiais porosos. Métodos Radiológicos O método de ensaio não destrutivo, utilizando radiações penetrantes, quando bem executado, dá origem a informações claras, objetivas e fiáveis através da radiografia. A radiologia baseia-se na absorção diferenciada da radiação penetrante pela peça em inspeção. Devido às diferenças na densidade e variações na espessura do material, ou mesmo diferenças nas características de absorção causadas por variações na composição do material, diferentes regiões de uma peça absorverão quantidades diferentes da radiação penetrante. Essa absorção diferenciada da radiação poderá ser detetada através de um filme, ou através de um tubo de imagem ou mesmo medida por detetores eletrónicos de radiação. Essa variação na quantidade de radiação absorvida, detetada através de um meio, irá indicar, entre outras coisas, a existência de uma falha interna ou defeito no material (Andreucci 2003) Figura 50 - Esquematização dos três elementos base constituintes de um ensaio radiológico (Andreucci 2003) Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 60 Existem dois tipos de radiação eletromagnética utilizada na inspeção radiológica: raios-X e os raios-Ɣ. Estes dois tipos de raios são formas de energia radiante da qual diferem apenas dos outros tipos devido ao seu extremamente reduzido comprimento de onda. Apenas os raios X e Ɣ devido ao seu tamanho de onda são capazes de penetrar materiais opacos para revelar os seus defeitos internos (Miracle et al. 2001). Os raios-X produzem-se quando um feixe de eletrões, de alta energia choca com uma placa de metal, e tem como origem os átomos desse metal. Os raios-Ɣ por sua vez têm origem no núcleo de certos elementos radioativos e provêm portanto da desintegração espontânea desses núcleos atómicos. Estes dois tipos de raios ao atravessarem os materiais, as radiações são absorvidas, estando esta absorção em relação direta com a espessura e a massa específica dos materiais em causa. A intensidade das radiações emergentes é variável e esta variação é detetada e/ou registada usando a pelicula fotossensível (F. P. Almeida 1991). Apesar de ser indiscutivelmente um dos melhores processos para caracterizar defeitos volúmicos, uma das suas limitações reside na reduzida sensibilidade de deteção de defeitos planos, como por exemplo fissuras localizadas em planos geométricos não coincidentes com a direção do feixe de radiação. Apesar desta limitação é um dos métodos mais eficazes para detetar falhas não planares. Quando comparado com outros métodos não destrutivos, os ensaios radiológicos apresentam três grandes vantagens (Miracle et al. 2001):  A eficácia na deteção de falhas internas;  A eficácia na deteção de variações significativas na composição;  Arquivo permanente dos dados de inspeção através da radiografia. Métodos Elétricos Correntes Induzidas O ensaio por correntes induzidas, denominado na terminologia inglesa por Correntes Eddy, baseia-se na medição da variação da impedância elétrica de uma bonina (sonda), sujeita a um campo magnético (F.P. Almeida 1991). Figura 51 - Esquematização de dois tipos de bobinas de inspeção e padrões do fluxo das correntes de Eddy geradas (Kuhn e Medlin 2000) Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 61 Quando a bobina é percorrida por uma corrente elétrica alternada, cria-se um campo magnético primário, o qual induz uma corrente elétrica numa peça condutora que seja colocada na sua proximidade. A corrente induzida na peça, como qualquer corrente elétrica, cria um campo magnético secundário que contraria o campo primário bem como induz corrente na bobina que constitui a sonda. Nestas condições, tanto a corrente primária como o campo magnético primário reduzem-se, quando comparados com os que se obtém na ausência de peça condutora. Esta variação é equivalente a um aumento da resistência e a uma diminuição da indutância primária. Resulta assim uma variação da impedância da bobina, esta variação permite registar (F.P. Almeida 1991):  Medição de condutividade elétrica, da permeabilidade magnética;  Variações estruturais;  Deteção de defeitos como fissuras, corrosão, inclusões entre outros.  Variações dimensionais como por exemplo perda de espessura;  Distinção de materiais com composição química variada;  Medição da espessura de camadas protetoras condutoras ou não-condutoras Figura 52 – Esquematização do efeito de uma fissure no padrão do fluxo das correntes de Eddy num tubo (Kuhn e Medlin 2000) Os principais fatores que influenciam o ensaio por correntes induzidas são (Miracle et al. 2001):  Efeito de pele;  Condutividade elétrica;  Permeabilidade magnética;  Distância ao condutor (lift-off)  Coeficiente de enchimento;  Efeito de bordo. Ultrassons A utilização de ultrassons baseia-se na transmissão de ondas sonoras de elevada frequência, num material que constitui a peça a inspecionar, as quais refletem ao incidirem numa Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 62 superfície de separação de dois meios com características acústicas diferentes, como por exemplo uma descontinuidade. As reflexões, quando recebidas, permitem detetar e localizar na peça os refletores, através do conhecimento do tempo de percurso, velocidade de propagação do som e ângulo de emissão. O grande objetivo deste ensaio está fundamentalmente orientado para a deteção de defeitos de fabrico, como as inclusões (escória e areia), porosidades e cavidades de contração. Menos frequente é o controlo de defeitos de serviço, como fissuras de fadiga. As principais vantagens deste método são (F.P. Almeida 1991):  Elevado poder de penetração permitindo assim a deteção de descontinuidades no interior das peças para uma vasta gama de espessuras;  Sensibilidade elevada na deteção de descontinuidades muito pequenas;  Precisão na determinação da localização, dimensão e da forma da descontinuidade;  Não exige mais do que uma superfície acessível para a colocação da sonda;  Aplicável em verificações de manutenção;  Equipamento normalmente portátil: No entanto existem alguns inconvenientes como (F.P. Almeida 1991):  Exige operadores muito experientes;  Difícil de aplicar em peças com geometrias muito complexas ou espessuras muito baixas;  Dificuldade de aplicação em materiais de grande atenuação acústica;  Apresenta por vezes dificuldades nas interpretações dos defeitos superficiais  Exige a utilização de acoplantes. Figura 53 – Diagrama de blocos de equipamento de ultrassons (Santos 1999) Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 63 Verificação da estanquicidade As torneiras são um bom exemplo da aplicação deste teste. As peças vazadas destinadas a resistir a altas pressões podem ser testadas para verificar se tem algum tipo de fugas. De acordo com o tipo de metal usado, existem vários métodos para realizar esta verificação. Um dos ensaios consiste em introduzir ar a uma pressão específica para o interior da peça e, em seguida, submergir a mesma em água a uma dada temperatura. A existência de fugas é revelada pela libertação de bolhas de ar. Um método alternativo é preencher as cavidades da peça com parafina a uma dada pressão. A parafina ira penetrar nas fissuras ou porosidades revelando através de manchas oleosas ou húmidas a posição do defeito (ASMHandbookCommitee 1998) Metalografia O ensaio metalográfico é uma das técnicas mais simples e eficaz para a caracterização dos materiais. O recurso a este tipo de ensaio é importante pois permite analisar a estrutura do material em estudo e perceber qual a qualidade do mesmo, se apresenta fases indesejáveis que comprometam as suas principais propriedades mecânicas (Magalhães 2009) O exame metalográfico pode ser (Nascimento):  Macrográfico: consiste na análise do aspeto de uma superfície plana seccionada de uma peça ou amostra metálica, devidamente polida e atacada por um reagente adequado. Por seu intermédio tem-se uma noção de conjunto, referente à homogeneidade do material, à distribuição e natureza de falhas, impurezas; ao processo de fabricação.  Micrográfico: constitui no estudo dos produtos metalúrgicos, com o auxílio do microscópio, permitindo observar a granulação do material, a natureza, forma, quantidade e distribuição dos diversos constituintes ou de certas inclusões, etc. Estas observações são de grande utilidade prática Figura 54 - Exemplo de um laboratório/equipamento para realização de metalografia (COPPE/UFRJ) Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 64 Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 65 3 Trabalho Experimental 3.1 Introdução A parte experimental deste trabalho tem como finalidade aferir se o processo de cera perdida é adequado para a produção de protótipos de torneiras com exigentes características dimensionais, nomeadamente no que diz respeito ao volume interior que é composto por uma secção pequena, ao longo de um comprimento elevado. Percorrendo todas as etapas necessárias, desde a criação ou obtenção de um desenho de uma torneira, até à sua materialização na liga pretendida, é assim possível desenvolver uma metodologia que defina os procedimentos e os materiais escolhidos. O processo de fundição de cera perdida, na vertente de criação de novos produtos, deverá ser entendido e tomado como um projeto evolutivo. Nesse sentido e neste caso em concreto, ao projetar torneiras, estas deverão apresentar um design inovador e apelativo, usufruindo da complexidade que o processo de fundição permite, sem esquecer aquele que é um dos elementos mais problemáticos – o espaço oco que se encontra no interior da torneira e é necessário obter. Assim, o processo de produção de protótipos incluiu modelos maciços e ocos, sendo os primeiros considerados testes importantes na medida em que permitem validar o conceito e as características inerentes ao processo, e os segundos considerados um degrau evolutivo no processo. Relativamente ao trajeto que deverá ser percorrido na criação dos protótipos das torneiras, há desde logo uma bifurcação no caminho. Após modelação CAD 3D do modelo de torneira pretendido, há duas opções a serem consideradas: ou se opta pelo método de conversão indireto, ou escolhe-se o método de conversão direto. No método de conversão indireto constroem-se modelos em estereolitografia, que por sua vez vão servir de elemento de apoio à construção de um molde de injeção de ceras. Injetando cera, obtém-se o modelo em cera pretendido. Apesar de ser um método lento e caro, para produzir apenas um modelo, torna-se uma solução bastante atrativa ao proporcionar a facilidade de produzir inúmeros modelos, sendo estes produzidos por injeção a um custo reduzido. Quando ao método de conversão direta a cera é impressa diretamente, obtendo-se logo o modelo em cera. É um método mais rápido (apesar da impressão ser lenta), no entanto cada vez que é necessário outro modelo, é obrigatório imprimir, uma vez que o anterior é perdido no processo de fundição. Uma vez que o título e objetivo principal do trabalho se trata de definir a metodologia mais indicada para a produção de protótipos de torneiras, ambos os métodos devem ser implementados e analisados. A escolha entre as duas opções deverá ser feita sobretudo por Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 66 motivos económicos, sendo importante conhecer a partir de que número de peças compensa optar por um ou outro método. O trabalho experimental passa então por seguir as etapas, descritas resumida e sucintamente na figura 55, seguindo as duas alternativas mencionadas para a produção de modelos em cera. Figura 55 – Etapas alternativas percorridas para o processo de fabrico de protótipos de torneiras 3.2 Modelação CAD 3D dos Protótipos A primeira etapa na obtenção de um protótipo passa pela realização de esboços e desenhos da peça idealizada. Alternativamente, pode-se recorrer a desenhos já existentes ou mesmo a modelos físicos de torneiras já presentes no mercado, recorrendo para isso à engenharia inversa. Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 67 Neste caso em concreto, diversas criações e desenhos foram considerados, chegando alguns deles a ser modelados. A torneira utilizada e escolhida como referência para o projeto de materialização do protótipo baseou-se num desenho proposto pela empresa Cifial. Como é possível observar na figura 56, a torneira tem uma geometria aparentemente de linhas simples, contrastando com as espessuras interiores que são mínimas e se adivinham exigentes do ponto de vista do processo de fundição. Figura 56 - Desenho da torneira fornecido pela Cifial Como um dos objetivos pretendidos é definir uma metodologia específica que permita ao INEGI o fabrico de protótipos de torneiras e eventualmente divulgá-las, achou-se apropriado não replicar diretamente a torneira da Cifial. Nesse sentido, foram consideradas algumas mudanças de geometria (fig. 57), que permitissem obter um desenho considerado suficientemente original e distanciado do que lhe deu origem. Figura 57 – Esboço da torneira da Cifial com as alterações propostas Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 74 Figura 70 - Máquina Viper SI2 presente no INEGI Os pormenores de funcionamento deste tipo de máquina foram abordados em maior detalhe no capítulo “Geração de modelo Físico” da revisão bibliográfica, e uma ficha com as características deste modelo está presente em anexo. Quando a máquina acaba de realizar o modelo SL, este está provido de suportes de apoio à materialização do mesmo. Desta forma é necessário proceder à remoção e limpeza da peça, como o procedimento presente na figura 71 indica. Cada etapa dura alguns segundos, sendo o procedimento considerado expedito. Figura 71 - Procedimento de limpeza dos modelos SL Este procedimento é realizado numa banca apropriada (fig. 72). Figura 72 - Banca para limpeza de modelos presente no INEGI Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 75 Concluída a fase de limpeza, as peças seguiram para uma fase de pós-cura para aumentar a resistência mecânica das peças, que consiste na incidência, durante cerca de 30 minutos, de radiação ultravioleta (fig. 73). Figura 73 - Equipamento de pós-cura para peças em estereolitografia, presente no INEGI As peças finais, resultantes da impressão que durou cerca de 10h, limpeza e cura, podem ser observadas nas figuras 74 e 75. Figura 74 - Modelo em esterolitografia de metade da torneira Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 76 Figura 75 - Modelo SL de metade do macho Figura 76 - Metades da torneira com tacos 3.3.2 Criação dos moldes de injeção da cera Como foi referido na revisão bibliográfica há tipicamente três tipos de moldes que se consideram quando se pretende injetar cera: em silicone, em resina de poliuretano com pós de alumínio ou em alumínio (bloco maquinado). O tipo de molde escolhido para a injeção de ceras foi o de resina de poliuretano com fina granalha de alumínio. Estes moldes são feitos por vazamento de uma mistura de resina de poliuretano (dividida em duas partes), com granalha de alumínio, numa relação de uma parte de resina, para duas de alumínio. A presença do alumínio na criação deste tipo de molde tem Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 77 três justificações principais – diminui os custos de produção (é mais barato que a resina), comporta-se como “carga” impedindo as variações dimensionais da resina quando solidifica e aumenta o coeficiente de transferência de calor diminuindo o tempo necessário para a desmoldação dos modelos injetados. O tipo de material do molde escolhido é obtido de forma relativamente rápida, quando comparado com o molde maquinado em alumínio e tem uma precisão geometria bastante superior ao molde em silicone que sofre alguma deformação com a injeção. A precisão dimensional e a rápida disponibilidade de obtenção foram os motivos afetos à escolha. Figura 77 - Resina Poliuretano e granalha de alumínio utilizadas A figura 78 demonstra a execução da mistura dos elementos (resina e granalha de alumínio) com um equipamento auxiliar. Esta fórmula é posteriormente vazada sobre os modelos em estereolitografia e será a composição do molde. Figura 78 – Junção e mistura dos elementos constituintes que compõem o futuro molde Antes de começar o processo de criação do molde propriamente dito, é necessário efetuar um ligeiro polimento na superfície dos modelos SL, devido ao efeito de escada presente nos mesmos (fig. 79) Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 78 Figura 79 - Efeito de escada em estereolitografia (Alves 2001) com imagem real As lixas utilizadas são de elevada granulometria, sendo o suficiente para remover este indesejável efeito, sem comprometer o detalhe e características geométricas das peças. Figura 80 - Polimento dos modelos SL para retirar efeito de escada Com os modelos preparados, segue-se o processo de criação do molde propriamente dito. O fabrico deste tipo de molde é feito da forma representada no esquema da figura 81. Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 79 Figura 81 - Esquema de fabrico de moldes de resina com alumínio, por vazamento Metade do modelo que vai dar a forma à cavidade do molde é colocado numa base, sendo contruído um perímetro de madeira, que funciona como caixa ou cofragem, e vai delimitar a forma e dimensão do molde. Nesta fase são colocadas as fêmeas das guias do molde e aplicado desmoldante nas peças. A mistura de resina com granalha de alumínio é então vazada para a caixa. Após secagem de cerca de uma hora, retira-se a meia moldação da caixa de madeira, roda-se a mesma 180º, aplica-se, em simetria, a segunda metade do modelo em SL, colocam-se os machos das guias e aplica-se desmoldante. É criada nova caixa de madeira e vazada de novo a mistura. Após secagem, remove-se a caixa, separam-se as meias moldações e retiram-se os modelos estereolitográficos, sendo reveladas desta forma as cavidades moldantes. Em seguida, através de um furo com dimensões apropriadas, cria-se o canal de injeção de cera, ficando desta forma o molde pronto para ser utilizado. Na figura 82 é possível observar uma das etapas, nomeadamente a de vazamento da mistura que vai dar origem a segunda parte de moldação do molde do macho. Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 80 Figura 82 - Vazamento da mistura para a criação da moldação do macho O resultado final desta etapa de criação dos moldes de injeção de cera correspondem precisamente aos moldes pretendidos:  Molde da torneira O molde da torneira finalizado ficou com 283x151*104 mm de comprimento, largura e altura, respetivamente, com um peso de 7,35 kg.  Molde do macho O molde do macho apresentou 300x128*80 mm de comprimento, largura e altura, respetivamente, com um peso de 4,70 kg. 3.3.3 Injeção de cera nos moldes Com os moldes de injeção construídos e preparados para ser utilizados, seguiu-se a fase de injeção de cera, cujo objetivo era fabricar os modelos maciços e ocos da torneira em cera que iriam ser utilizados para a construção da carapaça cerâmica. A injeção foi realizada em duas máquinas de injeção apropriadas – ProJector Kerr e Tatum – , uma com cera solúvel, outra com cera de modelos, respetivamente. No caso dos modelos maciços a injeção foi apenas realizada no molde da torneira, preenchendo-o na totalidade com cera de modelo – Cerita F27-74. As características das ceras dos modelos estão descritas na tabela 27. Em anexo encontra-se informação mais detalhada das características das ceras apresentadas. Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 81 Tabela 27 - Características das ceras utilizadas na injeção Ceras Tipo Temperatura Fusão (ºC) Cor Sol-U-Carv Solúvel 58 – 63 Amarela Cerita F27-74 de Modelo 72,8 – 78,3 Azul As condições de injeção respeitaram os parâmetros determinados pelo fabricante da cera, e foram realizadas como está descrito na tabela 28. Tabela 28 - Condições de injeção das ceras nos moldes Ceras Pressão (bar) Temperatura Injeção (ºC) Tempo de injeção (s) Tempo até desmoldação (minutos) Sol-U-Carv 5 60 20 5 Cerita F27-74 5 69 30 10 Os valores apresentados garantiram um bom preenchimento dos moldes. Os modelos em cera resultantes da injeção apresentaram uma correta geometria após desmoldação. O modelo de torneira que se pretendia que fosse oco, seguiu o seguinte procedimento:  Aplicação de desmoldante (à base de silicone), nas cavidades do molde do macho. Seguiu-se o fecho e aperto com dois grampos do molde e procedeu-se à injeção da cera solúvel Sol-U-Carv (fig. 83). Figura 83 - Injeção de cera solúvel no molde do macho Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 82  Após sensivelmente 5 minutos, tempo necessário para que a cera solúvel solidifique, abriu-se o molde do macho e retirou-se o mesmo da cavidade (fig.84). Nesta fase houve alguma dificuldade para retirar o macho, pois a contração da cera foi quase inexistente. Figura 84 - Macho solúvel presente na cavidade moldante  Colocação do macho numa posição fixa e predefinida, no interior da cavidade do molde da torneira, após aplicação de desmoldante (fig. 85). Fecho do molde, também apertado com auxílio de grampos, e injeção da Cerita F27-74 (fig. 86). Figura 85 - Colocação do macho em cera solúvel no molde da torneira Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 83 Figura 86 - Injeção da cera de modelo no molde de injeção de cera da torneira  Passados 10 minutos, procedeu-se à desmoldação da torneira de cera ainda com o macho solúvel no seu interior (fig. 87) Figura 87 - Modelo em cera da torneira com macho solúvel Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 90 Os procedimentos utilizados na construção das diferentes carapaças cerâmicas podem ver visualizados nas tabelas 34 a 36. Os tempos de secagem estimados divergem substancialmente dos tempos de secagem efetivos. Isto deve-se ao facto de se pretender garantir que, no caso das torneiras maciças, a barbotina presente no interior da torneira em cera, seca convenientemente, uma vez que a convecção forçada não é muito efetiva nesta zona específica. Carapaça do modelo nº 1 Tabela 34 - Procedimento de criação das camadas cerâmicas para o modelo nº 1 Data Tempo secagem estimada (h) Hora Início Hora Fim Barbotina Areia Visc. (s) pH Densi. Tempo Imersão (s) 1-4-14 2,5 11h:20 11h:55 SZ Zirção100 mesh 13,52 7,5 2,74 30 1-4-14 2 16h:30 16h:37 SSF AlSi 0,2-0,5 9,66 9 1,61 60 3-4-14 0,16 - - Varetas + Pasta - - - - - 3-4-14 2 14h:15 14:40 SSF AlSi 0,2-0,5 9,75 9 1,61 60 4-4-14 2 10h:30 11h:00 SSF AlSi 0,5-1 10,31 9 1,61 60 4-4-14 2 15h:12 15h:30 SSF AlSi 0,5-1 10,31 9 1,61 60 4-4-14 2 17h:30 17h:40 SSF AlSi 0,5-1 10,31 9 1,61 60 5-4-14 2 12h30 13h30 SSF AlSi 0,5-1 9-10 9 1,61 60 5-4-14 12 14h:47 15h:00 SSF Banho 9-10 9 1,61 60 Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 91 Carapaça do modelo nº 2 Tabela 35 - Procedimento de criação das camadas cerâmicas para o modelo nº 2 Carapaças dos modelos nº 3, 4, 5 e 6 Tabela 36 - Procedimento de criação das camadas cerâmicas para os modelos nº 3, 4, 5 e 6 Data Tempo secagem estimada (h) Hora Início Hora Fim Barbotina Areia Visc (s). pH Densi. Tempo Imersão (s) 1-4-14 2,5 11h:20 11h:55 SZ Zirção100 mesh 13,52 7,5 2,74 30 1-4-14 2 16h:30 16h:37 SZ Zirção100 mesh 11 7,5 2,74 30 3-4-14 0,16 - - Varetas + Pasta - - - - - 3-4-14 2 14h:15 14:40 SSF AlSi 0,2-0,5 9,75 9 1,61 60 4-4-14 2 10h:30 11h:00 SSF AlSi 0,5-1 10,31 9 1,61 60 4-4-14 2 15h:12 15h:30 SSF AlSi 0,5-1 10,31 9 1,61 60 4-4-14 2 17h:30 17h:40 SSF AlSi 0,5-1 10,31 9 1,61 60 5-4-14 2 12h30 13h30 SSF AlSi 0,5-1 9-10 9 1,61 60 5-4-14 12 14h:47 15h:00 SSF Banho 9-10 9 1,61 60 Data Tempo secagem estimada (h) Hora Início Hora Fim Barbotina Areia Visc. (s) pH Densi. Tempo Imersão (s) 1-4-14 2,5 11h:20 11h:55 SZ Zirção100 mesh 13,52 7,5 2,74 30 1-4-14 2 16h:30 16h:37 SSF AlSi 0,2-0,5 9,66 9 1,61 60 3-4-14 2 14h:15 14:40 SSF AlSi 0,2-0,5 9,75 9 1,61 60 4-4-14 2 10h:30 11h:00 SSF AlSi 0,5-1 10,31 9 1,61 60 4-4-14 2 15h:12 15h:30 SSF AlSi 0,5-1 10,31 9 1,61 60 4-4-14 2 17h:30 17h:40 SSF AlSi 0,5-1 10,31 9 1,61 60 5-4-14 2 12h30 13h30 SSF AlSi 0,5-1 9-10 9 1,61 60 5-4-14 12 14h:47 15h:00 SSF Banho 9-10 9 1,61 60 Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 92 Antes do início da aplicação da primeira camada o modelo em cera, juntamente com o restante sistema de gitagem, é mergulhado numa solução denominada trisol (fig. 92). Esta imersão permite atacar a cera de forma controlada e, desta forma, retirar resíduos de cera ou sujidade, promovendo uma boa adesão da barbotina. Figura 92 - Imersão de modelo em trisol Após este passo, os modelos estavam prontos para receber a primeira camada. À semelhança do que ocorre nas posteriores camadas, o modelo é mergulhado entre 30 a 60 segundos numa tina que contém barbotina (fig. 93), que está em constante movimento para que as partículas refratárias não assentem, e deixado a escorrer após a imersão. De seguida o modelo é polvilhado com material refratário com granulometria definida (fig. 94), dependendo da camada que se esteja a considerar. Figura 93 - Imersão de modelo na primeira camada de barbotina Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 93 Figura 94 - Polvilhamento de material refratário sobre a primeira camada de barbotina Segue-se um período de secagem da primeira camada, em convecção forçada (ventoinhas). Entre a primeira e a segunda camada não se deve exceder as 2h30 definidas no tempo secagem, sob pena da primeira camada se tornar extremamente quebradiça. Figura 95 - Secagem da primeira camada Seguidos os procedimentos, definidos previamente, obtiveram-se cinco carapaças cerâmicas aptas (uma delas reparada) para o processo seguinte, tendo sido uma dela danificada e irrecuperável. Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 94 Tabela 37 - Carapaças construídas (imagens respeitantes após descerificação) Modelo nº Foto da carapaça 1 2 3 4 5 Modelo cedeu durante a criação da carapaça, tornando-se irrecuperável. Uma vez que era um modelo maciço, foi determinado não refazer o processo para este caso. 6 Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 95 3.3.6 Descerificação e sinterização Como foi referido na revisão bibliográfica há duas possibilidades de descerificar uma carapaça cerâmica: por choque térmico ou em autoclave. No INEGI o procedimento utilizado é o choque térmico, sendo este feito no forno que está na figura 96. Figura 96 - Forno do INEGI utilizado na descerificação e sinterização de carapaças cerâmicas Este método começa quando gacho que auxilia o manuseamento do modelo em cera para a criação das camadas cerâmicas e suporta a carapaça é retirado e as superfícies cerâmicas presente pia de vazamento bem como nos ventes são removidas, para que a cera tenha saída aquando do processo de descerificação (fig.97). Figura 97 - Remoção do gancho e corte com serra das superfícies cerâmicas da pia de vazamento e ventes Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 96 Por medida de precaução, devido à expansão da cera presente na carapaça cerâmica, são por vezes efetuados furos na zona de gitagem da carapaça, para garantir que a cera pode escaparse rapidamente, quando ocorrer a descerificação. Uma vez que a sinterização é feita a 1000ºC e é um passo indispensável não só para remover eventuais impurezas (matéria orgânica e resquícios de cera) e humidades, como para reforçar estruturalmente a carapaça, optou-se por descerificar e sinterizar ao mesmo tempo. O tempo despendido para o efeito foi cerca de 2 horas. Na figura 98 é possível observar o aspeto do forno e carapaças no fim do estágio. Figura 98 - Peças após processo de descerificação e sinterização 3.3.7 Vazamento da Liga O vazamento da liga de latão compreende alguns procedimentos a ter em conta:  Pré-aquecimento das carapaças cerâmicas a 700ºC durante 1 hora, num forno específico (fig. 99), para melhorar a vazabilidade do processo de fundição (garantir o preenchimento da carapaça) Figura 99 - Forno utilizado no pré-aquecimento das carapaças cerâmicas Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 97  Colocação de lingotes ou restos de liga de latão da Cifial no cadinho, que por sua vez é colocado no forno de indução do INEGI (fig.100) Figura 100 - Forno de indução do INEGI  Vazamento da liga nas carapaças cerâmicas, a uma temperatura aproximada entre 950 e 980ºC (controlada por termopar) Figura 101 - Vazamento da liga de latão da Cifial nas carapaças cerâmicas As condições de vazamento das cinco carapaças cerâmicas, podem ser consultadas na tabela 38. As temperaturas de vazamento foram ligeiramente superiores para as torneiras ocas, uma vez que as espessuras internas da cavidade moldante eram inferiores, pela existência de um macho. Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 98 Tabela 38 - Condições de vazamento das carapaças referentes aos modelos injetados Ordem de vazamento Referência Tipo Temperatura de préaquecimento Temperatura de vazamento 1º Carapaça do modelo nº2 Oca 700ºC 983ºC 2º Carapaça do modelo nº4 Maciça 700ºC 970ºC 3º Carapaça do modelo nº1 Oca 700ºC 982ºC 4º Carapaça do modelo nº6 Maciça 700ºC 970ºC 5º Carapaça do modelo nº3 Oca 700ºC 980ºC Das cinco carapaças que iniciaram o processo de fundição, quatro correram sem percalços e uma, a do modelo nº 6, falhou aquando do vazamento, por quebra da carapaça numa zona de ligação a um alimentador (fig. 102). Figura 102 - Quebra da carapaça cerâmica nº 6 na zona do alimentador Relativamente às quatro carapaças que resistiram, foram deixadas em repouso e passado sensivelmente uma hora foram destruídas de forma a revelar a peça fundida. A remoção da carapaça foi feita de forma manual, com auxílio de um martelo, sendo que, após remoção da maioria, foi utilizada a granalhadora do INEGI. O resultado desta limpeza por projeção de areia na peça vazada, originou resultados, como os demonstrados na figura 103. Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 99 Figura 103 - Resultados da fundição e posterior limpeza do modelo nº1 Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 106 Figura 111 - Sistema de gitagem integrado no modelo nº 7 Figura 112 - Sistema de gitagem integrado no modelo nº 8 3.4.3 Carapaças cerâmicas O próximo passo no processo trata-se da construção das carapaças cerâmicas. A composição das camadas atribuídas foi semelhante à utilizada na construção das carapaças para modelos de cera injetada, uma vez que as condições de fundição (temperatura e tipo de liga) eram iguais. Os procedimentos utilizados na construção das duas carapaças cerâmicas podem ver visualizados na tabela 41. O modelo nº8 teve a aplicação de varetas cerâmicas, misturadas com a pasta cerâmica (fig 113), antes da aplicação da 3ª camada num processo idêntico ao realizado anteriormente. Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 107 Tabela 41 - Procedimento de criação das camadas cerâmicas para os modelos nº 7 e 8 Figura 113 - Preparação para a colocação das varetas e pasta cerâmica na carapaça do modelo nº 8 As varetas foram inseridas em cada orifício da torneira. A pasta cerâmica foi preparada e tapando dois orifícios sendo, um terceiro enchido o máximo possível. Após criação e secagem das oito camadas aplicadas nas duas carapaças cerâmicas, o aspeto final, antes da descerificação e sinterização foi o apresentado na figura 114. Data Tempo secagem [h] Hora Início Hora Fim Barbotina Areia Visc.* pH* Densi. Tempo Imersão [s] 6-6-14 2h:30 16h:45 17h:00 SZ Zirção100 mesh 16,19 7,5 2,74 30 6-6-14 2h 19h:35 19h:50 SSF AlSi 0,2-0,5 13,28 9 1,61 60 9-6-14 2h 9h:30 10h:45 SSF AlSi 0,2-0,5 8,37 9 1,61 60 9-6-14 2h 13h:00 13h:15 SSF AlSi 0,5-1 9,43 9 1,61 60 9-6-14 2h 15h:20 15h:35 SSF AlSi 0,5-1 10,43 9 1,61 60 9-6-14 2h 17h:400 17h:47 SSF AlSi 0,5-1 12,12 9 1,61 60 9-6-14 2h 19h50 20h00 SSF AlSi 0,5-1 8,32 9 1,61 60 9-6-14 12h 22h:00 22h:05 SSF Banho 7,75 9 1,61 60 Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 108 Figura 114 - Aspeto final da carapaça do modelo nº7 após aplicação das oito camadas cerâmicas 3.4.4 Descerificação e sinterização As condições de descerificação e sinterização das carapaças criadas através de modelos impressos em cera foram idênticas às das carapaças criadas através de modelos injetados. As condições podem ser consultadas no subcapítulo correspondente. 3.4.5 Vazamento da Liga As carapaças foram pré-aquecidas a 700ºC durante 1 hora, antes de lhes ser vazado o latão da Cifial. O latão, composto essencialmente por elementos reciclados, foi fundido até temperaturas a rondar os 980ºC (fig. 115) Figura 115 – Latão, contido no cadinho, a ser fundido no forno de indução do INEGI Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 109 Tabela 42Condições de vazamento das carapaças referentes aos modelos impressos Ordem de vazamento Referência Tipo Temperatura de préaquecimento Temperatura de vazamento 1º Carapaça do modelo nº7 Oca 700ºC 950ºC 2º Carapaça do modelo nº8 Maciça 700ºC 970ºC Concluído o vazamento, seguiu-se um período de cerca de 1 hora até poder remover a carapaça cerâmica. Após remoção e granalhagem das peças, as torneiras resultantes do processo de fundição apresentaram-se como as figuras 116 e 117 demonstram. Figura 116 - Resultados da fundição e posterior limpeza do modelo nº7 Figura 117 - Resultados da fundição e posterior limpeza do modelo nº8 Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 110 Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 111 4 Apresentação e análise dos resultados Como é possível verificar após leitura do relatório, mais concretamente, da parte prática, obtiveram-se um total de seis peças vazadas, passíveis de serem analisadas. Essa análise e discussão dos resultados do trabalho experimental, seguem três tipos de análise que determina a qualidade das peças fundidas:  Identificação de defeitos presentes nas peças vazadas Com auxílio do capítulo “defeitos de fundição associados ao processo de cera perdida” presente na revisão bibliográfica, são identificados eventuais defeitos, as causas para o seu surgimento e propostas soluções para os minorar ou eliminar. O modo de deteção empregue é a inspeção visual das peças vazadas.  Verificação das contrações das peças vazadas Dadas as estimativas iniciais de contração para a globalidade do processo de fabrico das torneiras em latão, comparam-se as medidas dos ficheiros modelados com as medições efetuadas nas peças vazadas. Através do conhecimento das contrações, sabe-se se as estimativas iniciais e respetivas compensações dadas estava acertadas.  Análise de custos inerentes ao processo de fabrico de modelos em cera injetados vs impressos. Um dos objetivos do trabalho era conhecer qual o método mais apropriado de fabrico do modelo em cera, a ser utilizado no processo de fundição de cera perdida, consoante o número de modelos que se pretende obter. Analisando os custos de cada um dos métodos de conversão utilizados é efetuada uma estimativa de custos e identificado o número a partir do qual compensa utilizar um método em vez do outro. 4.1 Análise de defeitos de fundição nas peças vazadas Na generalidade é possível considerar que as peças fundidas obtidas através da aplicação do método de conversão indireto demonstraram ter menos defeitos do que as peças obtidas através da aplicação do método de conversão direto. Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 112 4.1.1 Peças vazadas provenientes da aplicação do método de conversão indireto Modelo nº1 No modelo nº1 o volume interior, onde se encontrava o macho, resistiu ao processo de vazamento e garantiu o volume oco interior que se pretendia. Relativamente a defeitos, é uma peça em que não são notados defeitos evidentes (fig. 118) Figura 118 – Fotos de peça vazada nº1 após corte de gito Modelo nº2 O modelo nº2 apresentou, os defeitos descritos na tabela 43 e observados na figura 119. Tabela 43 - Defeitos detetados na torneira com o modelo nº2 Defeito Causa Solução Escória Partículas refratárias (óxido de zinco) presentes no cadinho que se deslocaram para o interior da carapaça cerâmica Garantir que o forno e o cadinho não têm partículas refratárias (óxidos) soltas e proceder à limpeza antes do vazamento Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 113 Figura 119 - Fotos de peça vazada nº2 e seus defeitos Modelo nº3 Esta peça teve apenas a registar a presença de alguma escória que provocou o efeito demonstrado na figura 120. Figura 120 - Defeito presente na peça nº3 provocado pela presença de escória Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 114 Modelo nº4 O modelo nº4 que corresponde a uma peça maciça não apresentou defeitos assinaláveis à exceção do assinalado na figura 121, que corresponde a um ligeiro abatimento da camada primária da carapaça. Tabela 44 - Defeitos detetados na torneira com o modelo nº4 Defeito Causa provável Solução Abatimento da camada primária da carapaça Fissuração da primeira camada, permitindo que a barbotina penetre entre o modelo em cera e as camadas Assegurar que o modelo em cera está bem lavado e que a camada primária tem boas propriedades molhante Figura 121 - Modelo nº4 e respetivo defeito 4.1.2 Peças vazadas provenientes da aplicação do método de conversão direto Modelos nº 7 e 8 Tanto o modelo nº7 como o modelo nº8 não garantiram a integridade do volume oco no interior da peça vazada, estando parcialmente preenchidos por metal fundido. Os procedimentos seguidos para a obtenção deste tipo de peças fundidas, cuja carapaça foi obtida através dos modelos de cera impressos, tiveram tempos de secagem mais curtos. Esta Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 115 poderá ser uma das justificações, para o facto do volume interior estar parcialmente preenchido. Adicionalmente a peça nº8 demonstrou fraca adesão das camadas cerâmicas iniciais. Tabela 45 - Defeitos detetados nas torneiras com o modelo nº7 e 8 Defeito Causa provável Solução Excessivo metal devido à falha da carapaça Espessura insuficiente da carapaça; características não controladas nos elementos que compõem o molde Controlar e corrigir as características dos elementos que compõem o molde Figura 122 - Peça nº7 como material vazado na zona oca Figura 123 - Defeitos presentes na peça nº8 provocado pela falha da carapaça Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 122 Tabela 56 - Custos totais de produção de um modelo em cera pelo método de conversão indireto O custo total de um modelo em cera produzido através do método de conversão indireto fica por 1349€. É evidente que o custo mais elevado é a estereolitografia e a construção do molde, sendo que essas etapas são realizadas apenas uma vez, no caso de se pretenderem obter mais do que um modelo. É também notório o impacto do custo do trabalho, no preço final, sendo de resto a maior fatia. Este método é portanto recomendado quando há necessidade de obtenção de vários modelos de cera, uma vez que para um só modelo o custo é demasiado elevado. Para mais do que um modelo, a figura 125 permite perceber a evolução dos custos Figura 125 - Custos de produção em função do nº de modelos injetados em cera Materiais – Custo (€) Máquinas – Custo (€) Colaborador – Custo (€) Custo Total (€) 145 442 762 1349 Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 123 Método direto Apesar da velocidade de impressão 3D da cera ser relativamente lenta, este método de conversão envolve menos procedimentos o que permite obter um modelo em cera mais rapidamente e também por isso deduz-se custoso quando se trata de comparar apenas a produção de um modelo em cera. Antes da impressão é necessário modelar o modelo 3D da torneira. Uma vez que não há tantos elementos a modelar, supõe-se que o tempo de modelação seja cerca de metade, correspondendo a um custo de 94,4€. A máquina ProJet 3510 CP é uma máquina de impressão exclusiva de modelos em cera. Sendo um modelo relativamente recente, estando por isso há poucos meses no INEGI, os custos de operação ainda não são totalmente conhecidos. Nesse sentido o recomendado foi assumir que os custos de operação da máquina igualassem os custos de material. Embora possa ser um subvalorizamento, esse foi o pressuposto do qual se partiu e não deverá estar muito desencontrado da realidade. Os custos de impressão do modelo em cera estão definidos na tabela 57. Tabela 57 – Impressão 3D de modelo em cera Após impressão do modelo, que dura cerca de 20 horas para o modelo da torneira em concreto. É necessário retirar os suportes de cera solúvel presentes na peça. À semelhança do que acontece no método indireto na fase de limpeza, os custos deste procedimento, são pequenos quando comparados com o custo obtenção do modelo. Tabela 58 – Limpeza e remoção dos suportes Com apenas dois passos obtém-se o modelo em cera preparado para iniciar o processo de fundição de cera perdida (após integração do restante sistema de gitagem). Material – Cera + suportes Máquina – ProJet 3510 CP Colaborador – Ricardo Paiva Custo Total (€) Preço (€/kg) Peso (kg) Custo (€) Preço (€/h) Tempo (h) Custo (€) Preço (€/h) Tempo (h) Custo (€) 266 0,28 74,8 - - 74,8 38,4 0,5 19,2 168,8 Material – Cera + suportes Máquina – ProJet 3510 CP Colaborador – Sertório Custo Total (€) Preço (€/kg) Peso (kg) Custo (€) Preço (€/h) Tempo (h) Custo (€) Preço (€/h) Tempo (h) Custo (€) 2 1 2 - - 74,8 34 0,5 17 19 Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 124 Tabela 59 - Custos totais de produção de um modelo em cera pelo método de conversão direto Comparando e interpretando alguns destes valores, é desde logo possível reparar que para a criação de um único modelo em cera, este é o método indicado, apresentando um preço quase cinco vezes inferior que o método alternativo. O custo total estimado deste processo que permite a impressão 3D de peças é de 282€. Para a produção de mais modelos, a figura 126 fornece a informação dos custos associados. Figura 126 – Custos de produção em função do nº de modelos impressos em cera Comparando os gráficos presentes nas imagens 125 e 126, obtém-se o gráfico presente na figura 127. Materiais – Custo (€) Máquinas – Custo (€) Colaborador – Custo (€) Custo Total (€) 76,80 74,80 36,20 282 Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 125 Figura 127 - Gráfico comparativo de Conversão indireta vs. Conversão direta para diferentes numeros de modelos Pela análise da figura 127 conclui-se que até 5 modelos em cera compensa produzir modelos impressos. Para mais do que 5 modelos é preferível produzir os modelos injetados. Alternativamente, foi pedido um orçamento que recorria a outros processos alternativos, como maquinar um modelo em cera, no entanto, este apresenta um orçamento de 850€ por modelo, pelo que se torna num preço desinteressante, face ao calculado tanto na impressão, como na injeção de cera. Se se pretendesse conhecer o preço de uma torneira na liga de latão fornecida pela Cifial (sem custos de obtenção liga um vez que seria fornecida) teria de se adicionar mais uma série de etapas. Os custos estão descritos resumidamente na tabela 60. Tabela 60 - Custos adicionais para a obtenção de um modelo em latão Etapa / Custo (€) Integração de gitagem 43 Construção de carapaça (cerca de 2 kg para o modelo de torneira considerado, com 10 horas de trabalho) 80 Energia gasta (fornos e restantes equipamentos) 50 Total 173 Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 126 5 Conclusões Com a realização deste trabalho pretendeu-se percorrer todos os passos do processo de criação de um protótipo de torneira em liga de latão. A documentação e observação das particularidades de cada etapa, em conjunto com a análise realizada aos modelos de torneira vazada, são entendidos como um guia, ou método de produzir protótipos de torneiras, pelo processo de cera perdida. Dentro dos procedimentos seguidos, a decisão de optar pelo método direto (impressão 3D de cera) ou método indireto (construção de moldes e injeção de cera) vai depender do número de modelos que se pretenda obter. Segundo os cálculos efetuados, até cinco modelos compensa optar pela impressão de cera. Para mais de cinco modelos deve-se optar pela injeção de cera e todos os procedimentos que essa opção implica. Esta decisão baseia-se na análise de custos, onde se conclui que no método indireto, à medida que aumenta o número de modelos requeridos, o custo por modelo desce drasticamente. A título de exemplo, para obter apenas um modelo injetado em cera o custo unitário é de 1348€. Se se pretenderem dez modelos, o custo unitário baixa para cerca de 163€. Aplicando o método direto para obter modelos em cera, o custo por modelo é sempre igual – 282€. Relativamente aos diferentes pesos económicos – materiais, máquinas e colaboradores – conclui-se que o maior peso nos custos é de facto o último referido. A obtenção de um modelo em cera pelo método de conversão direto é bastante mais expedito quando comparado com o método de conversão indireta, devido ao facto do primeiro envolver menos etapas no seu procedimento. Este trabalho permitiu também retirar algumas conclusões, relativamente o processo de fundição. Ficou comprovado que o processo de cera perdida é um processo ótimo para a produção de protótipos de torneiras, uma vez que permite obter, em relativamente pouco tempo e sem ferramentas dedicadas ou exclusivas, modelos de torneiras na liga vazada. Os vazamentos bem sucedidos das três torneiras ocas, provenientes de modelos em cera injetada, demonstram que, mesmo com espessuras finas e comprimentos elevados na zona interior da torneira, a cerâmica (sem reforço de varetas) teve resistência para garantir a integridade e geometria das torneiras. A criação da carapaça cerâmica foi das etapas que consumiu mais tempo, devido aos tempos de secagem extremamente elevados. A zona interior da torneira é a principal responsável, uma vez que, a convecção forçada não afeta significativamente o tempo de secagem da parte interior das torneiras ocas. Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 127 A maior parte dos defeitos resultantes do processo, devem-se a parâmetros que podem ser ajustados e controlados, como por exemplo a limpeza dos cadinhos e forno e o tempo de secagem entre camadas da carapaça cerâmica. As contrações sofridas nas torneiras foram de certa forma condizentes com as compensações atribuídas. Assim, para produzir modelos de torneiras ocos em latão, deverá atribuir-se um fator de compensação de contrações a rondar os 2%, já que, segundo os resultados obtidos, garante as dimensões atribuídas no software CAD 3D com uma sobrespessura mínima. A contração será tanto maior quanto maior a espessura de material, como o exemplo das torneiras maciças comprovou. Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 128 6 Trabalhos futuros A criação de protótipos é um processo evolutivo, sendo que quando se pretende utilizar a fundição, se torna num processo com uma curva de aprendizagem que pode decair com a adição de novos elementos e mudança de variáveis no procedimento de fabrico. Nesse sentido sugerem-se trabalhos que aprofundem ainda mais o conhecimento sobre o processo:  Criação de novos modelos de torneira que alarguem o leque de opções disponíveis e simultaneamente comprovem a viabilidade do processo quando sujeito a diferentes formas geométricas e espessuras;  Investigar formas que permitam um arrefecimento mais expedito das carapaças com machos cerâmicos, dado que a inclusão deste aumenta o tempo de produção;  Analisar através de métodos de controlo de qualidade não-destrutivos se existem defeitos interiores nas peças vazadas que possam comprometer o seu correto funcionamento;  Verificar a viabilidade da utilização de machos em areia para a produção de protótipos de torneiras, pelo processo de cera perdida. Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo de Cera Perdida 129 Desenvolvimento da Metodologia de Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida 130 7 Bibliografia e referências Alhanati, Lucien. Acedido a 3 de Maio de 2014. http://alfaconnection.net/pag_avsf/fqm0302.htm. Alves, Fernando Jorge Lino. 2001. Protoclick prototipagem rápida. Leça do Balio: Protoclick. Andreucci, Ricardo. 2003. Radiologia Industrial. abende. ArteHistoria. "Grifo romano de bronce". http://www.artehistoria.jcyl.es/v2/obras/18002.htm. ASMHandbookCommitee. 1998. Casting. Vol. 4th printing, ASM Handbook. [S.l.]: ASM International. Assembly Bill 1953. 2006. http://www.truesdail.com/documents/AB1953.pdf. Bell, Eddie. "Feed Sprues and Gates". www.ganoksin.com/borisat/nenam/wgc-sprues.htm. Brizo. Acedido a 15 de Maio de 2014. www.brizo.com. Castro, Fernando Portela de e José Manuel Junqueira. 1996. Latões para fundição. 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