Para a fabricação de automóveis, a eficiência, o desempenho e o peso aprimorados são agora necessidades fundamentais, e não mais escolhas. A maioria dessas conquistas é possível graças à fundição de alumínio sob pressão. Em particular, a fundição sob pressão de alumínio automotivo é agora vital para a criação de peças fortes e leves necessárias para tudo, desde sedãs até caminhões pesados. Como a eficiência elétrica e de combustível desempenham um papel importante na fabricação de carros, os engenheiros e fabricantes precisam prestar mais atenção às peças fundidas automotivas.
O que é fundição sob pressão de alumínio automotivo?
Em fundição sob pressão de alumínioO alumínio fundido é empurrado para um molde de aço sob alta pressão. Depois que o alumínio se solidifica, ele oferece uma peça que tem a mesma precisão e pode ser repetida sempre que necessário. Embora as fábricas utilizem o controle de qualidade em todos os lugares, seu uso no setor automotivo se destaca.
Graças à fundição sob pressão automotiva, os fabricantes podem criar peças que são resistentes e muito mais leves do que as similares feitas de aço. Fazer isso é fundamental para ajudar a melhorar a economia de combustível de um veículo e reduzir as emissões nocivas.
Usos da fundição sob pressão automotiva
Atualmente, a criação de muitos componentes de veículos depende da fundição de alumínio. Isso inclui, no mínimo:
- Ambos os tipos de casos de transmissão
- As partes superiores dos cilindros
- O porta-malas é chamado de bloco do motor.
- Também conhecidos como braços de controle:
- Estruturas que sustentam um edifício
As peças automotivas fundidas sob pressão são exclusivas porque podem ser fabricadas com maior precisão e podem ser repetidas facilmente. A capacidade de fabricar estruturas de paredes finas com projetos detalhados que exigem pouquíssima usinagem é um benefício significativo.
Estabilidade e trabalho da estrutura
Os componentes críticos de veículos geralmente são escolhidos como "peças fundidas automotivas" simplesmente por sua integridade estrutural. Essas peças oferecem muitos benefícios, como resistência mecânica, boa condução de calor e ausência de corrosão - qualidades necessárias em todas as peças de um motor de carro. A fundição sob alta pressão garante que as peças não se quebrem sob a pressão das operações normais.
Com ferramentas avançadas de simulação, os engenheiros podem criar "peças automotivas de fundição sob pressão" que melhoram a forma como os materiais se deslocam, são resfriados e se solidificam. Devido a esse controle, as peças apresentam menos defeitos, menos porosidade e maior resistência ao estresse.
Por que o alumínio?
O alumínio é usado porque atende a várias finalidades importantes. Um terço mais leve que o aço, o alumínio melhora diretamente a eficiência do combustível e ajuda a produzir menos emissões. Além de reduzir o peso, o alumínio pode resistir a altas temperaturas e à corrosão, o que o torna a combinação certa para componentes em tais ambientes.
Na maioria das vezes, as ligas de alumínio comuns usadas na fundição sob pressão automotiva são A360, A380 e ADC12. Graças à sua química, essas ligas são resistentes, flexíveis ao ar livre e fáceis de serem despejadas nos moldes. A usinagem suave do alumínio torna as tarefas posteriores à usinagem menos dispendiosas.
Como funciona a fabricação
Seu fluxo de trabalho de fundição de alumínio automotivo terá as seguintes etapas:
- O projeto de um molde é feito sob encomenda, seguindo a geometria e o uso da peça.
- O alumínio é aquecido e colocado em uma matriz sob pressões de 10.000 a 30.000 psi.
- Depois que cada peça é produzida, ela esfria e se solidifica na matriz antes de ser liberada.
- Nesse estágio, o material extra (conhecido como flash) é removido, e a peça pode continuar a ser usinada ou revestida novamente.
Devido ao aprimoramento da automação e da robótica, a fabricação de peças fundidas automotivas em grandes volumes agora requer menos trabalhadores e garante a qualidade em toda a cadeia de suprimentos.
Projeto de sistemas técnicos e desenvolvimento de processos
A forma como os componentes de alumínio fundido sob pressão funcionam, duram e correspondem ao seu design no setor automotivo é amplamente influenciada pela qualidade do gerenciamento do processo. Todos os pontos de controle e ação durante a fundição de alumínio para automóveis devem ser projetados e verificados cuidadosamente para garantir que os produtos atendam às rigorosas regras das montadoras de todos os lugares.
1. Pressão de injeção
A pressão nos processos de fundição sob pressão de alta pressão é mantida entre 100 MPa e 200 MPa (14.500 a 29.000 psi). A pressão em componentes grandes, como carcaças de transmissão ou bandejas de bateria, pode chegar a 250 MPa. A pesquisa exige que a pressão aumente nesses níveis.
- Preencher cavidades de paredes finas muito rapidamente.
- Evite que os alimentos endureçam muito cedo
- Eliminar o gás no interior do metal e quaisquer orifícios ou poros
A pressão ideal é estabelecida com base nos detalhes da peça, no conjunto de matrizes e na espessura, possibilitando aplicações automotivas com paredes de 1,5 mm a 4 mm.
2. Controle das temperaturas de fusão e de todo o processo de aquecimento
A fundição de ligas de alumínio, como A380, A36,0 e ADC1, geralmente é realizada em temperaturas de 660°C a 710°C. O controle deve ser preciso, pois, caso contrário, podem ocorrer quaisquer defeitos, inclusive os mencionados acima.
- Os desligamentos a frio são causados por uma temperatura muito baixa.
- Muito encolhimento e aumento de bolsas de ar (operando em uma temperatura muito alta)
As temperaturas no molde também são muito importantes e geralmente são gerenciadas entre 180°C e 250°C, usando sistemas que funcionam com óleo ou água. Manter a temperatura constante do molde impede o desgaste precoce da matriz e garante que todas as peças em um formato complexo tenham o mesmo resultado.
3. Tempo de ciclo
O tempo de ciclo desempenha um papel importante tanto na produtividade quanto no custo da fundição de alumínio automotiva de alto volume. A maioria dos projetos é concluída com um tempo médio de ciclo entre:
- Você deve esperar que a duração seja de 25 a 45 segundos para esses componentes.
- Os revestimentos são aplicados em 60 a 90 segundos nos principais componentes, como estruturas e caixas de baterias de veículos elétricos
Esse ciclo funciona da seguinte forma:
- Para injeção, use 0,1-0,3 segundos.
- Dê tempo para que seus dentes sejam expostos ao flúor por pelo menos dois segundos e não mais do que cinco segundos.
- O método de solidificação difere com diferentes volumes de peças e projetos de resfriamento
- O ejetor insere a matriz e logo pulveriza o metal para fora ao girar a alça.
O uso de software de simulação é importante para acelerar o tempo de ciclo e, ao mesmo tempo, preservar a qualidade da produção.
4. Vida e cuidados regulares
Dependendo da complexidade da peça, do calor extremo no molde e do tipo de aço ferramenta usado, uma matriz em motores automotivos geralmente opera por 100.000 a 200.000 disparos antes de ser substituída. A cada 10.000 a 20.000 disparos, a máquina geralmente requer manutenção para evitar falhas causadas por:
- Fadiga causada pelo calor
- Rachaduras
- Quando a chuva ou a água em movimento remove seções de sedimentos.
- Geração de flash mágico
Os métodos de difusão, como PVD (Physical Vapor Deposition) ou nitretação, são aplicados regularmente para aumentar a durabilidade das ferramentas.
5. Regulação da temperatura
A melhor maneira de reduzir o tempo de ciclo e controlar o resfriamento das peças é garantir um resfriamento eficiente durante o processo de fundição. A maioria das matrizes atuais inclui o seguinte:
- Os canais de resfriamento na forma de geometria conformada são feitos para o gerenciamento preciso da temperatura.
- Os sistemas de defletores e borbulhadores são usados para manter as temperaturas dos pontos quentes localizados.
- O monitoramento da temperatura do molde é possível com termopares e sistemas de infravermelho em tempo real
Os sistemas avançados mantêm a temperatura de cada seção da matriz próxima da mesma, fechando o circuito e ajustando o fornecimento de água ou óleo repetidamente durante a operação.
6. Como as peças são dimensionadas e pesadas
Há uma gama diversificada de componentes pequenos e grandes fundidos sob pressão no setor automotivo. Os exemplos incluem:
| Parte | Tamanho aproximado | Peso | Espessura da parede |
| Carcaça da transmissão | 500 x 400 x 300 mm | 8-12 kg | 3-5 mm |
| Montagem do motor | 250 x 180 x 90 mm | 1-2 kg | 3 mm |
| Bandeja de bateria (EV) | 1.200 x 1.000 x 100 mm | 15-25 kg | 2,5-4 mm |
| Suporte ou braço de ligação | 150 x 80 x 50 mm | 0,3-0,6 kg | 2 mm |
Nessas peças, o projeto para manufaturabilidade (DFM) é especialmente importante, pois as fundições de paredes finas são geralmente complicadas em outros métodos, mas simples com a fundição sob pressão de alta pressão.
7. Tolerâncias dimensionais
Componentes de alta precisão são possíveis com a fundição sob pressão. Tolerâncias de +/- 0,1 mm a +/- 2,5 mm geralmente podem ser obtidas na fundição de alumínio.
- Para comprimentos abaixo de 25 mm, as tolerâncias não passam de ±0,1 mm.
- ±0,2 mm quando aplicado a itens com dimensões de 25 a 100 mm
- A planicidade pode ser mantida em até 0,3 mm ao longo de 300 mm
- Todos os assentos de rolamentos devem ter tolerância de arredondamento de 0,05 mm.
A usinagem CNC ou o alargamento podem ser ignorados, a menos que a superfície de ajuste seja uma engrenagem, um alojamento para rolamentos ou uma área de vedação crítica.
8. O objetivo também é lidar com sistemas de controle de porosidade e vácuo.
Na fundição sob pressão, a porosidade geralmente se torna um grande problema. Por esse motivo, as máquinas de fundição sob pressão assistidas por vácuo agora são padrão na maioria das células de produção automotiva para limpar o ar da cavidade da matriz antes de adicionar o metal líquido. A maioria dos sistemas de vácuo é ajustada entre 30 e 80 mbar.
- Diminui as chances de que as bolsas de gás fiquem presas
- Aumenta a facilidade com que uma peça fundida pode ser unida por soldagem
- Ajuda a aumentar a resistência contra cargas repetidas
Os defeitos porosos são praticamente eliminados em peças críticas para a estrutura com o uso dos processos de fundição por compressão e reofusão.
9. Seleção de ligas
Todas as ligas aplicadas na fundição sob pressão automotiva têm funções diferentes.
- A380: Encontrado em maior número; fácil de moldar em partes, forte e com alta capacidade de conduzir calor
- O A360 oferece melhor resistência à corrosão, o que significa que ele é frequentemente usado para fins de engenharia de alto desempenho.
- ADC12: Amplamente conhecido na Ásia, pois funciona de forma semelhante ao A380; no entanto, é mais suave e funciona com facilidade
- O AlSi10Mg é empregado em peças de EV devido às suas propriedades de resistência e alongamento.
A microestrutura é deliberadamente alterada com a adição de TiB₂ e o uso de fases de silício eutético modificadas, o que aumenta a ductilidade.
Tecnologia avançada para integração de processos
As fundições atuais estão conectando a fundição de alumínio com tecnologias como sensores na matriz, loop fechado e gêmeos digitais. Esses sistemas possibilitam melhorar ou impulsionar suas campanhas em tempo real.
- Dados que mostram as velocidades de injeção do primeiro e do segundo estágio
- Como você lubrifica o molde
- Velocidade do êmbolo
- Controle cuidadosamente a quantidade de tempo que você mantém a pressão.
Esse controle preciso permite que os processos se repitam facilmente e resulta em menos sucata para os programas automotivos que precisam de milhões de "peças automotivas fundidas sob pressão" todos os anos.
Propriedades e processos de endurecimento de ligas de alumínio
O conhecimento da metalurgia da liga de alumínio é necessário para garantir bons resultados com a fundição sob pressão. Quando o alumínio é submetido à injeção de alta pressão e ao resfriamento rápido, ele congela tão rapidamente que a solidificação não está em equilíbrio, o que molda a microestrutura, as propriedades e os defeitos do metal.
Indicadores importantes usados na solidificação.
- O tempo necessário para a solidificação é de 1,5 a 8 segundos, dependendo da espessura da peça fundida e da rapidez com que é resfriada.
- O tamanho dos grãos é medido de 5 a 50 µm e é afetado pela velocidade de resfriamento e pelos refinadores de grãos.
- Em aplicações fortes, a distância entre os braços de dendrite secundários deve ser inferior a 30 µm para um melhor desempenho de tração e fadiga.
- Os refinadores de grãos do tipo Al-Ti-B são úteis porque tornam as ferramentas mais resistentes e menos porosas. Além disso, o silício eutético nas ligas Al-Si é refinado com Sr (estrôncio), o que melhora sua capacidade de ser moldado ou esticado.
Problemas comuns e suas soluções
No entanto, a fundição de alumínio sob pressão ainda causa um pequeno número de defeitos. Descobrir os principais motivos dos erros e selecionar as soluções certas torna eficiente a garantia da qualidade automotiva.
| Defeito | Causa | Mitigação |
| Porosidade do gás | Ar preso, ventilação inadequada | Use fundição a vácuo, otimize o design da ventilação |
| Fechamento a frio | Baixa temperatura de fusão ou de matriz, fluxo insuficiente | Aumente a temperatura, redesenhe o local do portão |
| Porosidade de contração | Solidificação irregular, seções espessas | Modificar os canais de resfriamento, adicionar alimentadores |
| Flash | Pressão excessiva ou matriz desgastada | Manter a matriz, otimizar a fixação |
| Solda de matriz | Adesão da liga à matriz | Use o revestimento adequado da matriz e controle a temperatura |
| Inclusões | Contaminação por óxido, fusão suja | Use desgaseificação (borbulhamento de ar), filtração |
Os estudos de CpK e os gráficos de Pareto são usados regularmente para descobrir onde ocorrem os defeitos e classificar as ações necessárias para corrigi-los.
Simulação e revisão do projeto da matriz
Atualmente, os fluxos avançados de fundição sob pressão são criados com base em ferramentas CAE (Computer-Aided Engineering). Os engenheiros realizam testes digitais de seus projetos com software antes de fabricar qualquer peça.
Plataformas de software bem conhecidas são usadas por muitos desenvolvedores.
- MAGMASoft
- Elenco Flow-3D
- ProCAST
- AnyCasting
Modelo de simulação:
- O comportamento do alumínio fundido à medida que ele se move
- O movimento da borda sólida do polímero e a mudança de temperatura em toda a massa fundida
- Probabilidade de porosidade
- Como o ar fica preso no oleoduto
- Tensão e flexão que permanecem no molde após a produção da peça
Com a iteração virtual, os projetistas de matrizes identificam e resolvem problemas sem a necessidade de fabricar as ferramentas, o que ajuda a economizar tempo e dinheiro tanto no protótipo quanto na produção.
O campo da Engenharia de Superfície, seguido pelo Pós-Processamento
Embora a fundição sob pressão resulte em excelente forma e aparência (Ra ~1,6-3,2 µm), muitas vezes é necessário usar tratamentos de superfície adicionais por motivos de uso ou aparência.
Pós-processos comuns:
- O jateamento ajuda a eliminar as incrustações de óxido e de fulgor.
- Áreas rigorosamente controladas, como furos e superfícies críticas de nivelamento, são feitas com usinagem CNC.
- Aumenta a resistência à corrosão no chassi ou em peças externas e é anodizado.
- Adiciona resistência e um bom acabamento à parte visível da bicicleta.
- Impregnação: Preenchimento de pequenos orifícios com resina para vedar uma peça de modo que os fluidos não possam passar (como recipientes de óleo)
Coisas a considerar durante a montagem e a união
As peças de alumínio fundido frequentemente entram em contato com outros metais, materiais plásticos ou vários conjuntos eletrônicos. As equipes de engenharia devem incluir:
- Uma diferença no CTE dos materiais
- O perigo da corrosão galvânica, associado principalmente a fixadores de magnésio e aço
- As ligas com alto teor de silício, como a A380, são difíceis de soldar.
- Na maioria das vezes, os insertos de rosca são colocados com calor ou com um procedimento ultrassônico, pois o alumínio é muito macio
- As montagens estruturais podem ser soldadas por meio de solda de pinos, coladas com adesivo ou por Friction Stir Welding (FSW).
Além disso, a blindagem EMI para gabinetes de baterias de veículos elétricos e carcaças de motores pode ser aplicada por meio de revestimento ou revestimento direto.
Células de fundição e automação na fábrica
As fundições de automóveis têm células automatizadas de fundição sob pressão que lidam com operações controladas e de alta velocidade.
- Os recursos de fundição sob pressão em câmara fria variam de 350 a 4.000 toneladas de força de fixação.
- Eles são chamados de braços robóticos de extração de peças.
- Os pulverizadores de lubrificação são um tipo de equipamento.
- Sistemas de vácuo
- Painéis de controle que estão ativos em tempo real
Todas as células são projetadas para seguir o takt time e o OEE e, em média, produzem de 250 a 500 peças por hora, dependendo do tamanho dos componentes.
Os profilômetros a laser, as sondas de corrente parasita e as câmeras de visão são usados em linha para verificar se apenas as peças em conformidade são enviadas para as operações de downstream.
Setor de padrões e certificações
Ao atender aos padrões internacionais, os componentes automotivos fundidos sob pressão têm a garantia de atender aos requisitos de desempenho e segurança. Muitas vezes, esses resultados são mencionados em:
- As tolerâncias de fundição são explicadas pela ISO 8062.
- O gerenciamento da qualidade automotiva é coberto pela IATF 16949.
- A ASTM B85 é o padrão oficial para peças fundidas em liga de alumínio.
- As composições químicas fazem parte da SAE J452.
- O Processo de Aprovação de Peças de Produção, ou PPAP, faz parte do sistema AIAG.
As montagens do sistema de freio e os nós da suspensão são peças tão críticas para a segurança que a tomografia computadorizada e a rastreabilidade total devem ser usadas.
Como a fundição sob pressão de alumínio automotivo apoia o setor?
1. Redução de peso
Quanto menos peso seu veículo tiver, mais eficiente será o consumo de combustível e menor será a emissão de carbono. Com peças de alumínio fabricadas por meio de "fundição automotiva", o veículo acaba pesando menos, mas não é menos resistente ou útil.
2. Eficácia máxima da produção
A produção em massa de componentes é melhor realizada com a fundição sob pressão. Quando as matrizes são feitas, as peças produzidas podem chegar a centenas de milhares com apenas pequenas alterações. É por isso que usar a fundição sob pressão para peças automotivas é uma solução econômica para a fabricação de automóveis em larga escala.
3. Precisão dimensional
Os produtos de fundição de alumínio são precisos em um alto nível, portanto, há pouco a ser usinado após a fundição. Consequentemente, a produtividade da linha aumenta e o custo de produção diminui.
4. Flexibilidade de design
Com o uso do CAD e do software de simulação atuais, os projetistas podem criar peças complexas que podem ser usadas e produzidas. Esse alto grau de flexibilidade de projeto significa que os engenheiros podem combinar várias peças em uma única fundição, reduzindo seu peso e o tempo necessário para a montagem.
Cuidando do meio ambiente e reciclando
Atualmente, os fabricantes de automóveis estão dando mais atenção à sustentabilidade. Nesse aspecto, o alumínio também apresenta um bom desempenho. Cerca de 90% do alumínio fundido sob pressão pode ser reciclado. A sucata da criação de "peças fundidas automotivas" pode ser derretida mais uma vez e continuar funcionando tão bem quanto da primeira vez.
A fundição sob pressão de peças automotivas com alumínio reciclado reduz muito o impacto ambiental do setor, pois consome apenas 5% da energia usada para produzir alumínio primário.
Problemas enfrentados pelo setor
Ainda assim, há alguns problemas que vêm com fundição de alumínio automotivo. O desgaste, a porosidade e a fadiga térmica são problemas comuns que podem reduzir a qualidade das peças e a vida útil das ferramentas. Ainda assim, novos estudos e avanços em fundição sob pressão a vácuo, fundição por compressão e melhores revestimentos de molde estão ajudando regularmente a resolver essas dificuldades.
O setor de fundição sob pressão automotiva parece pronto para crescer, em grande parte porque os fabricantes de veículos elétricos dependem do alumínio fundido para suas baterias, motores e peças de chassi. A Tesla e outras empresas provaram que a giga fundição pode produzir peças de veículos grandes com uma única máquina de fundição sob pressão, o que reduz o número de peças necessárias e acelera a montagem.
O crescimento do setor automotivo dependerá das conquistas dos fundidos, que oferecem inovação ao unir qualidade mecânica e benefícios de leveza.
Conclusão
Atualmente, os fabricantes de automóveis estão sempre procurando maneiras de aumentar o desempenho de seus veículos, economizar dinheiro e proteger o meio ambiente. A fundição sob pressão de alumínio automotivo é o método preferido para fabricar peças fortes e leves em alto volume. Com a ajuda da fundição sob pressão automotiva, os fabricantes de automóveis podem obter maior economia de combustível, melhor manuseio e simplificar o processo de produção. A fundição sob pressão de peças automotivas está sendo usada estrategicamente, não como um modismo, mas como uma mudança fundamental na forma como os veículos atuais são criados. Com cada injeção de alta pressão, as peças fundidas automotivas estão mudando a direção da mobilidade, desde as peças do trem de força e do chassi.
Perguntas frequentes
1. Qual é a temperatura normal em que a fundição de alumínio é executada em situações automotivas?
As temperaturas para fundição de ligas de alumínio variam de 660°C a 710°C, de acordo com o tipo. A estabilidade dimensional e a solidificação ideal exigem o controle das temperaturas da matriz em torno de 180°C a 250°C.
2. Que tipos de defeitos aparecem em peças automotivas fundidas sob pressão e como eles são gerenciados?
Os exemplos padrão de defeitos são a porosidade do gás, os cortes a frio e as cavidades de contração. Alguns desses problemas são resolvidos com a fundição assistida a vácuo, o projeto cuidadoso das portas, o controle preciso da temperatura e os programas de simulação durante o processo de fabricação da matriz.
3. Quão próximas as peças fundidas em alumínio estão das dimensões exatas?
A fundição sob alta pressão resulta em tolerâncias de ±0,1 mm para dimensões inferiores a 25 mm e ±0,2 mm para dimensões maiores. As montagens automotivas exigem que a planicidade e a concentricidade sejam gerenciadas com muita atenção.
4. As peças fundidas sob pressão de alumínio podem ser usadas no projeto de veículos elétricos (EV)?
Sim. Devido à sua leveza, condutividade térmica e capacidade de reciclagem, a fundição de alumínio é encontrada em EVs como gabinetes de bateria, carcaças de motor e caixas de inversor.
5. Quais ligas são usadas com mais frequência na fabricação de peças fundidas para automóveis?
Você verá que A380, ADC12 e AlSi10Mg são opções populares de ligas. Por serem bem fundidas, terem uma boa relação resistência/peso e resistirem à corrosão, elas são perfeitas para peças automotivas de alto desempenho.