O processo de conversão de matérias-primas, como minérios e ligas, em produtos metálicos úteis é conhecido como processo de fabricação de metais. Existem diversos processos de fabricação de metais, como fundição, forjamento, metalurgia do pó e usinagem CNC.
Esses processos se enquadram na categoria de processos de fabricação de metais em massa, que podem ser usados para obter os componentes metálicos desejados. Cada método oferece vantagens únicas, dependendo de fatores como tipo de material, formato desejado, precisão e escala de produção. Com a ajuda desses métodos, podemos produzir desde chapas metálicas simples até componentes metálicos complexos para diversos setores, como aeroespacial, automotivo ou engenharia.
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Formação do elenco
O processo de fundição de metais é considerado um dos métodos mais antigos de fabricação de componentes metálicos. Nessa técnica, primeiramente, um molde é projetado de acordo com o componente desejado. Em seguida, o metal fundido é despejado nesse molde, que se solidifica ao resfriar. Os componentes são retirados do molde à medida que ele esfria e, em seguida, são realizados tratamentos de acabamento adicionais para obter as propriedades desejadas.
Fundição de areia
Neste processo de fundição, são utilizados moldes feitos de areia, nos quais o metal fundido é despejado para convertê-lo no componente desejado. Este tipo de fundição é considerado universal para a fabricação de grandes motores, estátuas e outras peças de arte.
Fundição de investimento
Essa fundição também é chamada de fundição por cera perdida. Nessa técnica, o molde de cera é criado e revestido com cerâmica. Após a solidificação da cerâmica, a cera é derretida e um molde é formado para os componentes desejados, nos quais o metal fundido é derramado. Esse tipo de fundição é considerado de alta precisão e exatidão em componentes, como na fabricação de pás de turbinas na indústria de geração de energia.
| Vantagens da fundição | Limitações da fundição |
|---|---|
| Versatilidade em formas e designs complexos | Porosidade do gás devido a gases aprisionados |
| Econômico para grandes tiragens de produção | Pode apresentar defeitos de contração devido à alimentação inadequada do material |
| Compatível com muitos materiais (metais, plásticos, cerâmicas) | Defeitos no material do molde devido à erosão ou pressão |
| Alta resistência e confiabilidade mecânica | Defeitos de vazamento, como fechamento a frio e falhas de funcionamento |
| Precisão e desperdício mínimo com material reutilizável | Defeitos metalúrgicos, como rupturas a quente |
Forjar
Forjamento é um processo no qual um metal é reforçado e moldado em componentes desejados por meio da aplicação de compressão por prensas hidráulicas ou mecânicas. É amplamente utilizado em diversos setores, como aeroespacial e de petróleo e gás, produzindo componentes como válvulas de alta pressão, virabrequins, juntas esféricas, engrenagens e cames.
Com base na temperatura em que o metal é forjado, ele foi dividido em dois tipos:
Forjamento a quente
Aqui, o metal ou suas ligas são aquecidos de 0.3 a 0.4 vezes sua temperatura de fusão e, em seguida, forças são aplicadas para obter o componente desejado. Por exemplo, 7000 ligas de alumínio são forjadas a 400–440 °C, enquanto 2000 ligas de alumínio são forjadas a 425–460 °C. Esse tipo de forjamento requer menos força e os metais podem ser comprimidos facilmente a quente. No entanto, pode não proporcionar o acabamento desejado; portanto, necessita de um processo de acabamento adicional. É amplamente utilizado na fabricação de componentes na indústria aeroespacial.
Forjamento a frio
O forjamento de metal à temperatura ambiente é denominado forjamento a frio, pois o metal não é aquecido a temperaturas elevadas. É necessária mais força para obter a forma desejada. O forjamento a frio oferece alta precisão dimensional, mas os componentes podem apresentar rachaduras devido à baixa elasticidade.
| Vantagens do Forjamento | Limitações da Forja |
|---|---|
| Produz peças com propriedades mecânicas superiores e alta resistência | Pode exigir tratamento térmico caro para propriedades ideais |
| Elimina vazios internos e porosidade, aumentando a confiabilidade | Geometrias complexas são difíceis de alcançar |
| Desperdício mínimo devido à formação de formato próximo ao final | Os custos iniciais com ferramentas e matrizes podem ser altos |
Metalurgia do Pó (MP)
O processo de metalurgia do pó É reconhecido como um método de fabricação sustentável que utiliza pós metálicos como matéria-prima, molda peças por compactação em matriz e, em seguida, as sinteriza para obter os componentes finais. Nesse processo, o pó metálico é primeiramente compactado no formato quase final do componente desejado e, em seguida, sinterizado. Os componentes obtidos por meio da MP possuem excelentes propriedades mecânicas. Essa técnica é utilizada na fabricação de componentes para diversos setores que exigem alta precisão e grande resistência mecânica, como o automotivo e o de engenharia.
Prensa e Sinterização
Esta é a técnica de metalurgia do pó mais comum e convencional. Nela, pós metálicos são compactados em uma matriz sob alta pressão e, em seguida, sinterizados em um forno de atmosfera controlada. É amplamente utilizada na produção de engrenagens, rolamentos e peças estruturais com dimensões uniformes.
Moldagem por injeção de metal (MIM)
In processo de moldagem por injeção de metalPós metálicos finos são misturados a um material ligante para formar uma matéria-prima; essa matéria-prima é então injetada em um molde e, após a moldagem, o ligante é removido e, finalmente, a peça é sinterizada. Esse método é ideal para a produção de componentes pequenos, complexos e de alta precisão, como os usados em dispositivos médicos e eletrônicos.
Vantagens e limitações da metalurgia do pó
Vantagens do PM
A metalurgia do pó proporciona alta eficiência de materiais com desperdício mínimo, além de produzir formas complexas e precisas sem a necessidade de usinagem. É ideal para produção em larga escala com qualidade consistente.
Limitações do PM
- Pós metálicos brutos podem ser caros
- Limitado a componentes relativamente pequenos e de resistência moderada
- Altos custos iniciais com ferramentas e matrizes
Usinagem CNC
A usinagem CNC (Controle Numérico Computadorizado) é um processo de fabricação altamente preciso e automatizado. Nesse processo, softwares pré-programados controlam o movimento de ferramentas e máquinas para corte, furação ou fresamento. É amplamente utilizada na produção de peças complexas com tolerâncias rigorosas a partir de metais. Esse processo é amplamente utilizado nas indústrias aeroespacial, automotiva, eletrônica, médica e de defesa.
Aqui estão alguns tipos de usinagem CNC:
Fresagem CNC
Fresagem CNC Normalmente, utiliza ferramentas de corte rotativas com múltiplos pontos de contato para remover material de uma peça de trabalho estacionária. É ideal para criar ranhuras, furos, cavidades e contornos 3D.
Torneamento CNC
Nesse processo, a peça de trabalho é girada em alta velocidade enquanto uma ferramenta de corte estacionária se move linearmente para remover material. É considerado ideal para eixos, buchas, peças roscadas e componentes com simetria rotacional.
Perfuração CNC
A furação CNC utiliza brocas rotativas para criar furos precisos em uma peça de trabalho. É usada para a produção de furos de alta velocidade e precisão em metais e plásticos.
Moagem CNC
Para obter acabamentos superficiais finos, a retificação CNC envolve uma roda abrasiva rotativa. Ela é comumente usada para acabamento de peças metálicas endurecidas, bem como para obter tolerâncias dimensionais rigorosas.
CNC EDM (Usinagem por descarga elétrica)
Este processo utiliza faíscas elétricas para erodir material de peças condutoras. Uma das características mais notáveis deste processo é que não há contato físico entre a ferramenta e a peça. Ele é dividido em dois tipos: eletroerosão a fio e eletroerosão por penetração. Este processo é considerado excelente para metais duros e geometrias internas complexas, como moldes e pás de turbina.
| Vantagens da Usinagem CNC | Desvantagens da Usinagem CNC |
|---|---|
| Oferece alta precisão dimensional e repetibilidade | Requer operadores e programadores qualificados para um desempenho ideal |
| A operação automatizada reduz o erro humano e permite a produção 24 horas por dia, 7 dias por semana | O alto investimento inicial em máquinas e custos de instalação |
| Funciona com uma ampla variedade de materiais e é adequado para diversas aplicações | Não é econômico para peças simples ou de volume muito baixo |
| Necessidade mínima de acabamento ou pós-processamento em muitos casos | O desgaste e a manutenção das ferramentas podem aumentar os custos operacionais a longo prazo |
Estamparia de metal
A estampagem coloca uma chapa metálica entre duas matrizes e aplica força para moldar o material no formato desejado. Inclui diversas operações, como:
-
Supressão – cortando uma forma plana da folha.
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Dobrar – formando ângulos ou curvas.
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perfuração – criando furos ou recortes.
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desenho – moldando uma folha plana em uma forma 3D.
A estampagem é comumente utilizada na fabricação em grande volume de componentes automotivos, eletrodomésticos e eletrônicos devido à sua alta velocidade, precisão e custo-benefício.
Manufatura Aditiva (Impressão 3D)
Nos processos de manufatura aditiva de metais, os componentes são construídos camada por camada com a ajuda de modelos 3D digitais. O processo começa com a criação de um projeto digital usando um software CAD, que é então convertido em um formato legível pela impressora 3D. A impressora deposita o material camada por camada e o funde, de acordo com o modelo, no componente desejado. É considerada ideal para a fabricação de peças leves e complexas, como suportes, dutos e alojamentos.
Sinterização direta a laser de metal
In sinterização direta de metal a laser, um feixe de laser de alta potência é usado para fundir as partículas metálicas camada por camada para obter os componentes desejados. Ele é usado para fabricar geometrias complexas e altamente detalhadas com excelentes propriedades mecânicas.
Derretimento de feixe de elétrons
In fusão de feixe de elétronsEm vez de um laser, um feixe de elétrons de alta velocidade é usado para sinterizar as partículas de pó metálico. Como esse processo opera em altas temperaturas, é particularmente adequado para materiais de alto desempenho, como titânio e ligas de cobalto-cromo.
Sinterização seletiva a laser (SLS)
INeste método, um material pulverizado sinterizado a laser é usado para formar peças sólidas. O SLS não requer estruturas de suporte; portanto, é considerado ideal para protótipos funcionais e produção em baixa escala.
| Vantagens da Manufatura Aditiva | Limitações da Manufatura Aditiva |
|---|---|
| Pode produzir geometrias altamente complexas e personalizadas sem custo extra | Limitado pelo volume de construção e orientação das peças |
| Acelera o desenvolvimento de produtos com ciclos rápidos de iteração | Não é ideal para produção em larga escala ou em massa |
| Desperdício mínimo, pois o material é adicionado apenas onde necessário | As escolhas de materiais são mais limitadas em comparação aos métodos tradicionais |
Extrusão
Extrusão é um processo de fabricação de metais para a produção de perfis longos e contínuos com seção transversal uniforme. Nesta técnica, um metal é forçado através de uma matriz com o formato desejado sob alta pressão. O material extrudado assume o formato da abertura da matriz e é então cortado no comprimento necessário. É conhecido por sua alta taxa de produção e capacidade de formar perfis complexos com eficiência.
O processo de fabricação por extrusão de metal é dividido nos seguintes tipos:
Extrusão a Quente
Nesse processo, o material é aquecido acima de sua temperatura de recristalização antes de ser forçado a passar pela matriz. É comumente usado para ligas de alumínio, cobre e magnésio.
Extrusão a Frio
O processo é realizado à temperatura ambiente ou próximo dela. Este método proporciona melhor acabamento superficial, maior precisão dimensional e propriedades mecânicas aprimoradas. É normalmente utilizado para aço, chumbo, estanho e zinco.
A extrusão oferece uma série de vantagens em relação a outros processos de fabricação de metais. Aqui estão algumas:
- Eficiente para produção em massa de componentes longos com seções transversais uniformes
- Baixo desperdício de material e bom controle sobre tolerâncias dimensionais
- Melhora a resistência por meio do alinhamento da estrutura dos grãos
No entanto, os componentes obtidos por extrusão podem apresentar acabamento bruto que requer processamento adicional. Além disso, se o processo não for bem controlado, pode levar a tensões internas ou defeitos.
Cada processo de fabricação de metal atende ao seu próprio nicho. Para pequenas quantidades, a impressão 3D é uma opção ideal, pois dispensa moldes e permite a prototipagem rápida direta. Para produção em grande volume com custos controlados, como engrenagens de bombas de óleo, a metalurgia do pó costuma ser uma escolha adequada. Quando são necessários alta complexidade de forma e alto volume de produção, como em dobradiças de celulares com tela dobrável, a moldagem por injeção de metal oferece vantagens significativas.
A tabela a seguir fornece uma comparação detalhada de diferentes processos de fabricação de metal.
| Atributo | PM | MIM | Forjar | Formação do elenco | Usinagem |
|---|---|---|---|---|---|
| Seleção do material | Suporte: | Limitada | Suporte: | Limitada | Largo |
| Complexidade da forma | Suporte: | Alta | Baixa | Suporte: | Alta |
| Tolerância | Médio (±0.5%) | Alta | Suporte: | Suporte: | Alta |
| Revestimento de superfície | Suporte: | Bom (1 µm Ra) | Bom | Suporte: | Bom |
| Custo | Baixa | Suporte: | Suporte: | Baixa | Alta |
| Viabilidade de produção em massa | Alta | Alta | Suporte: | Alta | Baixa |
| Espessura Mínima da Parede | 1 mm | 0.5 mm | 1 mm | 0.5 mm | 0.5 mm |
| Densidade | 94% –99% | 100% | 100% | 100% |