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O PROCESSO DE MICROFUSÃO UTILIZANDO PADRÕES FABRICADOS POR ESTERIOLITOGRAFIA

Por: DAURI GRELLMANN

A crescente aplicação da tecnologia de prototipagem rápida na microfusão tem sido conseguida por meio de intensos estudos sobre os recursos e limitações pertinentes ao processo. Alguns cuidados devem ser observados para que o resultado seja satisfatório.

Diversas tecnologias de prototipagem rápida têm surgido para reduzir os tempos inerentes às iterações e ajustes necessários para criar um produto de alta qualidade. Elas oferecem a capacidade de produzir, rapidamente, objetos sólidos tridimensionais diretamente a partir de dados gerados em sistemas CAD.

Os modelos fabricados usando métodos de prototipagem rápida têm um enorme potencial para aplicação na indústria de fundição. Estas tecnologias podem ser usadas com diferentes procedimentos de fundição e ser de grande valor para a fabricação de peças metálicas funcionais. Uma destas técnicas de prototipagem rápida é a stereolitografia (SL), que possibilita a construção de modelos destinados ao processo de microfusão ou , diretamente a partir de um modelo em CAD da peça desejada. Assim é possível a substituição dos tradicionais modelos de cera pelos modelos em resina foto curável, com a vantagem de não necessitar de ferramentas para geinvestment castingrar os padrões para fundição, diminuindo o ciclo de desenvolvimento do produto.

O uso de padrões obtidos por este processo, quando usados para a fabricação de pré-séries de peças, tem oferecido aos projetistas da área de fundição uma ferramenta poderosa para verificação de aspectos técnicos como: forma, aparência, montabilidade, funcionalidade, entre outros, pois muitas iterações podem ser testadas antes do ferramental definitivo ser solicitado, resultando na redução dos custos associados com o retrabalho em moldes, provenientes de mudanças no projeto.

O processo de construção de um padrão de fundição utilizando a técnica de estereolitografia é semelhante a quase todos os processos de prototipagem rápida existentes no mercado que se baseiam no método de adição de camadas.


PROCESSO DE ESTEREOLITOGRAFIA NA MICROFUSÃO

A construção do padrão de fundição inicia-se com um modelo em CAD 3D da peça que se pretende produzir. A partir deste modelo são geradas inúmeras fatias de 0,15mm de espessura que vão sendo sobrepostas umas às outras para formarem o objeto sólido (Figura 1).


Figura 1 – Seqüência de geração de modelo para estereolitografia

Na estereolitografia o material para construção dos modelos de fundição é uma resina que se solidifica sob ação de radiação ultravioleta. Neste processo, um conjunto de espelhos galvanométricos, comandado por um programa CNC da máquina, refletem um feixe de raio laser ultravioleta, “desenhando” na superfície líquida da resina o contorno e o reenchimento correspondente a uma determinada fatia da peça. Ao incidir sobre a resina fotocurável a radiação ultravioleta a solidifica (Figura 2).

                                                                     Figura 2 – Esquema de máquina de estereolitografia

Após terminar a construção de uma fatia, a plataforma móvel da máquina mergulha na resina líquida, descendo uma distância equivalente à espessura de uma camada. Uma lâmina de varredura passa sobre a resina com o objetivo de deixar a superfície completamente plana e estável para que uma nova camada seja solidificada. Este processo é repetido até que a última camada seja curada. No final, a plataforma sobe com a peça completa, permitindo a remoção da peça que pode ser limpa e pós-curada em estufa por aproximadamente duas horas. Nas primeiras tentativas de usar protótipos de estereolitografia como padrões para o processo de microfusão, utilizou-se um modelo sólido da peça, o que não obteve
sucesso. Na maioria dos casos, o aquecimento do padrão durante as etapas de queima da casca cerâmica causou a expansão térmica da resina, produzindo uma substancial


PADRÕES DE ESTEREOLITOGRAFIA PARA MICROFUSÃO

Nas primeiras tentativas de usar protótipos de estereolitografia como padrões para o processo de microfusão, utilizou-se um modelo sólido da peça, o  que não obteve sucesso. Na maioria dos casos, o aquecimento do padrão durante as etapas de queima da casca cerâmica causou a expansão térmica da resina, produzindo uma substancial pressão interna, resultando no colapso do molde cerâmico.

Como os problemas em usar padrões de fundição sólidos envolviam, essencialmente, a expansão térmica de seções espessas de resina curada, partiu-se para o desenvolvimento de padrões semi-ocos, gerados a partir de uma resina com boas características de queima. Isto deveria permitir a sobrevivência da casca cerâmica.

A ideia parte do princípio de que, sendo o padrão em sua maioria oco e feito de uma resina que amolecesse à temperaturas relativamente baixas, ele poderia colapsar para dentro de si próprio antes que, fossem desenvolvidas tensões suficientes para quebrar a casca cerâmica.

Entretanto, para gerar padrões semi-ocos, seria essencial descobrir um meio pelo qual a resina líquida (não curada) pudesse ser drenada do seu interior. Isto foi conseguido através do desenvolvimento do processo de construção para as peças de estereolitografia.

Este processo de construção é usado juntamente com resinas, para construir peças semi-ocas que podem ser usadas diretamente no processo de microfusão. Os parâmetros usados neste processo de construção permitem a fabricação de objetos sob a forma de uma casca estruturada internamente por uma malha ou rede muito fina, semelhante à de uma colmeia de abelhas. A superfície externa do padrão reproduz exatamente a forma geométrica desejada da peça, enquanto a estrutura interna possui uma topologia tal que possibilita que a resina líquida, não curada, existente em seu interior seja drenada através de pequenos furos, especialmente projetados e posicionados na superfície do objeto, permitindo que cerca de 60 a 80% de seu volume seja preenchido por ar.

Este processo diferencia-se do que assegura uma cura quase completa dentro das fronteiras da peça. Terminada a construção, as peças saem da máquina com cerca de 98% de sua massa curada, sendo posteriormente colocadas em um forno de radiação ultravioleta para completar a cura, deixando os objetos completamente sólidos.
A Figura 3 mostra o aspecto típico de um objeto construído usando o processo de construção QuickCast™ ACES


Figura 3 – Tipos de construção no processo de estereolitografia: QuickCast™ à esquerda e ACES™ à direita

Portanto, o objetivo do método ™ é construir uma peça de maneira que cada célula da estrutura interna comunique-se com todas as outras células, permitindo que a resina líquida não curada flua de qualquer posição dentro do padrão para qualquer outra localização. Para criar estas passagens entre as células a topologia da estrutura interna (hachura) é repetidamente traçada pelo laser durante um de terminado número de camadas.

O PROCESSO DE MICROFUSÃO USANDO PADRÕES SL
Esquematicamente, as etapas do processo de microfusão utilizando padrões de estereolitografia são apresentadas nas figuras a seguir.

A Figura 4 mostra o padrão SL de uma peça a ser microfundida, indicando o canal de injeção.

Figura 4 – Padrão SL de peça a ser microfundida

Inicialmente, o ponto de entrada do metal fundido (gate) do padrão ™ é mergulhado em cera líquida (Figura 5), para ser colado na “árvore” de cera conforme Figuras 6 e 7.

 

Figura 5 – Padrão mergulhado em cera líquida

Figura 6 – Montagem da árvore de padrões

Figura 7 – Árvore de padrões

Depois que os padrões estão colados na árvore, inicia-se a formação do molde cerâmico em forma de casca, que consiste na aplicação de diversas camadas de material cerâmico que envolvem os padrões de SL (Figuras 8 a 11).

 

Figura 8 – Aplicação de primeira camada cerâmica

Figura 9 – Pulverização de camada cerâmica

Figura 10 – Secagem de camada cerâmica

 

Figura 11 – Árvore de padrões com camada cerâmica final

Várias camadas de uma suspensão de materiais cerâmicos são aplicadas, cada camada adere à anterior, formando um invólucro resistente. Entre cada aplicação de uma nova camada, o conjunto sofre um processo de secagem com temperatura e umidade controladas. Quando o molde cerâmico possuir espessura entre 10 e 12 mm resistência suficiente, o conjunto árvore/ padrões/casca é colocado em um forno (Figura 12) para queima dos padrões cerâmico.

Após esta etapa, o molde está vazio (sem a árvore e sem os padrões que queimaram durante a etapa anterior) e pronto para receber o material que será vazado para o seu interior. A Figura 13 ilustra esta operação.

Concluído o vazamento, o metal é resfriado até solidificar-se e adquirir a forma imposta, pela cavidade, ao molde. Inicialmente as peças sofrem um resfriamento ao ar durante 20 a 30 minutos, sendo o término do resfriamento realizado em água (Figura 14).


Figura 12 – Forno de calcinação

Figura 13 – Vazamento do material

Figura 14 – Resfriamento do molde

Figura 15 – Quebra molde cerâmico

A última etapa do processo consiste em quebrar o molde cerâmico (Figura 15) e executar operações de acabamento superficial das peças fundidas, como jateamento, polimento e outros.

A Figura 16 apresenta um conjunto de peças obtidas pelo processo de microfusão com padrões de estereolitografia.

Figura 16 – Peças obtidas por microfusão com padrões de SL


PRINCIPAIS PROBLEMAS ENCONTRADOS DURANTE OS EXPERIMENTOS

Trincas ou quebras do molde: Figura 14 – Resfriamento do molde foram os maiores problemas encontrados durante as etapas que envolviam o aquecimento do molde contendo os padrões de resina em seu interior, especialmente durante a etapa de calcinação que é sempre acompanhada da expansão térmica dos padrões, o que gera tensões no molde cerâmico.

Drenagem incompleta dos padrões: foi observada especialmente nos padrões cujas estruturas internas eram muito pequenas ou em seções dos padrões que possuíam paredes muito finas, onde uma simples drenagem por gravidade não era suficiente para superar o retardo de fluxo devido aos efeitos de capilaridade e das forças viscosas. Outra provável causa da drenagem incompleta foi o subdimensionamento do sistema de drenos e respiros que possuíam diâmetros muito pequenos e em quantidade insuficiente.

Porosidade na superfície da peça fundida:verificado em praticamente todas as peças fundidas dos experimentos, devido a diversos motivos, constituindo uma das descontinuidades mais comuns. Uma análise em microscópio revelou que os poros resultantes apresentavam, em geral, uma forma aproximadamente esférica possuindo dimensões que variavam desde frações de milímetro até 1,5 mm. Entre as causas mais comuns do aparecimento de porosidade superficial têm-se: o aprisionamento de gases na superfície da peça fundida; partículas sólidas de material refratário existentes no material de pré-cobrimento com dimensões substancialmente maiores do que a granulometria média; bolhas de ar não detectadas durante o recobrimento dos padrões com a primeira camada de material cerâmico e; ressecamento da camada cerâmica que fica em contato com os padrões, permitindo a permeabilidade do metal fundido, entre outras.

Inclusões de material cerâmico nas peças fundidas: ocorreram em algumas peças como resultado da penetração do material de pré-cobrimento através de algum furo não coberto ou não detectado no padrão. Estes pequenos furos podem ser provenientes de algum dreno ou respiro negligenciado durante o seu fechamento ou resultantes da remoção dos suportes na face inferior dos padrões.

A Figura 17 ilustra o detalhe de uma casca cerâmica que sofreu fratura completa, mostrando as inclusões do material de pré-cobrimento no interior do padrão QuickCast ™.

Figura 17 – Penetração do material cerâmico
no interior do padrão QuickCast™

Ondulações nas superfícies dos fundidos: este defeito foi observado em alguns padrões de fundição, especialmente nos que possuíam áreas planas relativamente grandes (tipicamente com mais de 10cm ) e emparedes verticais.

ANÁLISE DOS FATORES QUE INFLUENCIAM NO PROCESSO
Inúmeros são os fatores e as variáveis que influenciam o comportamento dos padrões no interior dos moldes cerâmicos durante os ciclos térmicos à que estão sujeitos no processo de micro fusão. Esta complexa interação entre o padrão e a casca cerâmica é, muitas vezes, difícil de ser compreendida por não se conhecer completamente todos os fatores existentes e também a forma com que estes fatores se relacionam entre si e no processo como um todo.

Alguns destes fatores foram estudados visando compreender melhor os fenômenos que ocorrem durante estas etapas do processo de microfusão, a saber: tem um impacto significativo sobre o grau de dificuldade em fundir peças. Paredes muito finas e estreitas, cantos vivos e furos nos padrões atuam como concentradores de tensões e podem levar à trincas e quebras da casca cerâmica durante as etapas de aquecimento no processo de microfusão. Seções de paredes espessas e geometrias grandes tendem a dilatar mais sob efeito do calor, gerando altas tensões sobre as paredes do molde cerâmico.

Espaçamento da estrutura interna: dos padrões CickCast™: esta foi outra característica construtiva testada nos experimentos. Os resultados obtidos com a variação destes parâmetros demonstraram que ao utilizar espaçamentos cada vez maiores, as taxas de vazios também resultam mais altas, implicando em maior rendimento na fundição. Porém, enquanto o tamanho da célula aumenta, o “vergamento” gravitacionalmente induzido da superfície superior (insuficientemente apoiada) também aumenta, produzindo superfícies onduladas no padrão. Este problema foi observado nos padrões construídos com espaçamento de 6,0 mm. Nestes padrões, as superfícies superiores e paredes laterais apresentaram-se bastante onduladas, no entanto, os resultados em termos das taxas de vazios foram muito bons (R acima de 70%).

Este foi o dilema encontrado durante os experimentos: se o tamanho da célula for aumentado, a drenagem melhora, aumentando a taxa de vazios o que contribui para um melhor rendimento no processo de fundição, entretanto, tamanhos de célula maiores aumentam a tendência de vergamento da superfície superior, resultando em ondulações nestas superfícies. Em relação ao problema de quebras da casca cerâmica, os dois padrões construídos com o menor espaçamento geraram tensões excessivas sobre as paredes do molde cerâmico causando fraturas localizadas nos pontos onde se encontravam estes padrões, conforme pode ser visto na Figura18.

Figura 18 – Colapso da casca cerâmica devido
à expansão excessiva do padrão

Possivelmente, a maior rigidez destes padrões provocou a sua expansão excessiva causando a quebra da casca cerâmica na etapa de autoclave. Em um dos padrões construídos com espaçamento de 3,125 mm, a sua expansão também causou pequenas quebras no interior do molde cerâmico, principalmente em locais de alta concentração de tensões.

Já no padrão com espaçamento de 6,0 mm, a casca cerâmica não sofreu nenhum tipo de quebra, gerando uma peça fundida de boa qualidade, porém, apresentando ondulações em suas paredes verticais.

Espessura de parede dos padrões ™: quando utilizada uma espessura de parede da ordem de duas vezes a da espessura de uma camada (2×0,15mm = 0,30 mm) os efeitos da ondulação são muito mais intensos do que quando se utilizam camadas triplas (0,45 mm) ou quádruplas (0,60 mm). Isto ocorre porque uma casca simples, na superfície superior, é suportada apenas por uma célula subjacente. Como resultado, a superfície curva-se, tanto devido ao próprio peso quanto a grande distância entre os apoios da superfície (paredes da célula). Entretanto, quando se utiliza espessuras de parede superiores a 0,45 mm, este efeito não é percebido, provavelmente, pelo fato de a primeira camada atuar como suporte para a próxima camada e assim sucessivamente.

Portanto, o uso de camadas triplas (0,45 mm) resultou em uma superfície bastante lisa, onde o efeito das ondulações foi praticamente imperceptível. Certamente padrões mais robustos são desejáveis por serem capazes de manter a forma ao longo do tempo (estabilidade dimensional) e são mais resistentes à manipulação e aos efeitos indesejáveis da umidade. Todavia, estes padrões sofrem mais os efeitos da expansão térmica e tendem a exercer maiores tensões sobre o molde cerâmico durante os ciclos térmicos do processo de microfusão.

Dimensionamento de drenos e respiros: a quantidade, as dimensões e o posicionamento dos drenos e respiros exercem também grande influência na drenagem dos padrões QuickCast ™. Diâmetros muito pequenos para drenos e respiros, em geral menores que 4,0 mm para os drenos e 2,0 mm para respiros, não são recomendados para a resina SL 5170, pois a mesma
tem dificuldades de atravessar estas passagens devido aos efeitos da tensão superficial e da viscosidade. Este foi o caso do experimento I, onde o sistema de drenos e respiros ficou subdimensionado ( = 3,6 mm e = 1,2 mm). Durante a experiência II foram utilizados diâmetros correspondentes à = 5,0mme = 2,0mm e a drenagem melhorou significativamente.

Um outro problema na utilização de diâmetros muito pequenos para drenos e respiros é que estes são, muitas vezes, difíceis de ser detectados, podendo ser negligenciados se não for identificada a sua localização. Se algum furo permanecer aberto, o material cerâmico penetrará no interior do padrão, dando origem à inclusões de cerâmica na peça fundida e a conseqüente rejeição da mesma. O uso de diâmetros maiores facilita a drenagem da resina e sua localização para vedação, mas pode deixar marcas maiores na peça fundida e mais difíceis de ser fechados, pois a sua grande área dificulta a vedação.

Fonte: Revista Ferramental

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