Um guia definitivo para a fundição sob pressão de protótipos

No setor de plásticos e metalurgia, protótipos de fundição sob pressão são considerados financeiramente caros  com um longo tempo de espera para projetos de desenvolvimento de peças. No entanto, os recentes avanços no setor de prototipagem de fundição sob pressão levaram a processos de prototipagem mais rápidos e econômicos.

Um dos principais pontos de virada é o surgimento da usinagem com Controle Numérico Computadorizado (CNC), uma inovação tecnológica que mudou completamente a forma como fabricamos ferramentas para fundição sob pressão. O tempo necessário para que os métodos convencionais concluíssem uma matriz de quatro lâminas era de cerca de 8 a 10 semanas, mas agora a usinagem CNC faz o mesmo trabalho rapidamente em apenas 1 a 2 semanas.

Além disso, o uso de software de design e simulação 3D está sendo integrado, o que dá a muitas pessoas a oportunidade de criar ferramentas de fundição sob pressão. O uso da tecnologia CAD (Computer-Aided Design) 3D facilitou a compilação do projeto de ferramentas em apenas algumas horas. Além disso, o software avançado permite a criação de protótipos virtuais em 3D ou em 3D, o que, por sua vez, ajuda a identificar falhas de projeto que, de outra forma, poderiam ser um problema durante a produção.

Os diferentes tipos de protótipo de fundição sob pressão Os métodos mais comuns incluem uma matriz de cavidade única, fundição por gravidade, prototipagem rápida, prototipagem de molde de gesso e usinagem. O surgimento da tecnologia de impressão 3D expandiu notavelmente o escopo da prototipagem. Além disso, ela introduz uma nova gama de metodologias que ainda não foram exploradas. Em resumo, o desenvolvimento de protótipos de fundição sob pressão representa um arquétipo de eficiência de fabricação. A diminuição das barreiras de entrada na prototipagem de fundição sob pressão foi atribuída ao advento da usinagem CNC e do software de design 3D.

A sinergia da superioridade tecnológica não apenas aumenta a relação custo-benefício, mas também reduz o tempo de desenvolvimento do produto, o que é visto como uma das características transformadoras dos métodos modernos de fabricação. Este artigo fornece informações úteis sobre a moldagem de protótipos.

Como o protótipo de fundição sob pressão revolucionou o setor de manufatura?

Protótipo de fundição sob pressão é uma parte fundamental da moderna tecnologia de fabricação. Ela proporciona velocidade e precisão incomparáveis na fabricação de peças metálicas complexas. Essa técnica é amplamente utilizada em muitos setores, como o aeronáutico e o de eletrônicos de consumo, devido à capacidade de reproduzir formas complexas com alta precisão.

Protótipo de fundição sob pressão é definitivamente versátil, pois pode utilizar qualquer material, desde plásticos resistentes até metais de alta resistência, que são especialmente formulados para atender a diferentes requisitos de desempenho. A prototipagem de fundição sob pressão de alumínio é altamente valorizada por suas qualidades de leveza e resistência e, portanto, é amplamente utilizada na fabricação de automóveis e aeronaves. Zinco.

Além disso, oferece alta estabilidade dimensional e não é propenso à corrosão, sendo relativamente considerado um elemento importante na fabricação de componentes de design baratos e complicados para aplicações de eletrônicos de consumo e telecomunicações. O magnésio, outra liga  conhecido por sua superior relação resistência-peso, é frequentemente usado para estruturas leves nos setores automotivo e aeroespacial.

A adoção da fundição sob pressão para prototipagem é respaldada por vários benefícios. Em primeiro lugar, a fundição sob pressão permite economias de escala, produzindo assim peças sofisticadas em grandes volumes a baixos custos unitários. Essa relação custo-benefício é aumentada ainda mais pelo processo suave de fundição sob pressão, que permite um ciclo de produção rápido, o que é um fator crítico para o cumprimento de cronogramas apertados e um tempo de colocação no mercado mais rápido.

Estratégias diferentes para a fabricação de protótipos de fundição sob pressão:

A estratégia de prototipagem de fundição sob pressão, a mais adequada, é determinada por muitos fatores: desde o preço e o prazo de entrega até a possibilidade de testar os recursos críticos do produto. Entre a infinidade de opções disponíveis, duas estratégias proeminentes se destacam: a matriz de protótipo de cavidade única e os métodos de fundição por gravidade. Vamos dar uma olhada em cada técnica e avaliar seus aspectos positivos e negativos. 

Fundição sob pressão de protótipo de cavidade única:

Se houver testes rigorosos e avaliação de características críticas do produto, a matriz de protótipo de cavidade única seria a mais adequada. A produção desse método é completa, com fatores como o acabamento da superfície sendo cuidadosamente examinados, um recurso que é de grande importância em muitas aplicações. Além disso, ele oferece a flexibilidade de fazer diferentes modificações no projeto, o que ajuda a evitar o risco de retrabalho dispendioso nas próximas fases de produção.

O processo de fundição sob pressão de protótipo de cavidade única tem uma vantagem significativa na forma de reutilização potencial do inserto da matriz original no estágio final da produção. Ele também permite reduzir o tempo entre o protótipo e a produção e economizar dinheiro para o desenvolvimento de ferramentas. Além disso, o menor tempo de espera para a criação de matrizes finais e ferramentas de acabamento secundárias resulta em um nível mais alto de eficiência no processo de produção, o que é muito importante nos setores de manufatura que se caracterizam por um alto nível de concorrência.

No entanto, o processo de matriz de protótipo de cavidade única tem seus próprios méritos, mas também pode gerar desafios nas situações em que as restrições de tempo ou as incertezas do projeto são os principais fatores. O gasto de capital e o tempo de entrega necessários para o projeto e a criação da matriz exigem planejamento e avaliação adequados das especificações do projeto para garantir os melhores resultados. 

Fundição por gravidade:

No entanto, a fundição por gravidade, que é uma opção econômica, é a preferida quando se trata de produção em pequena escala. A fundição por gravidade é altamente aclamada por sua relação custo-benefício e prazos de entrega rápidos, em comparação com a prototipagem de cavidade única.  Como resultado, a fundição por gravidade domina o campo de prototipagem de fundição sob pressão.

A fundição por gravidade tem outro lado da moeda e, embora tenha o benefício de uma maior resistência à fadiga devido à menor porosidade, também tem suas próprias desvantagens. Além disso, ela também tem suas próprias desvantagens. A necessidade de operações de usinagem adicionais, que resultam na perda parcial da vantagem do custo inicial, é eminente no processo de fundição sob pressão, que é muito preciso. Além disso, a falta de reprodução da espessura ultrafina da parede, como na fundição sob pressão, pode limitar o uso da tecnologia de impressão 3D para algumas aplicações.

Estereolitografia e fundição sob pressão:

Há várias técnicas de prototipagem rápida de fundição sob pressão, incluindo estereolitografia, sinterização a laser e modelagem por deposição fundida, estereolitografia, sinterização a laser e modelagem por deposição fundida. Combinando técnicas de estereolitografia, esses métodos oferecem um tempo de resposta rápido, que geralmente é de 5 a 8 semanas. Diferentemente da fundição sob pressão alimentada por gravidade, essas técnicas de protótipo empregam fundição sob alta pressãoenquanto as matrizes de aço H-13 são usadas para reproduzir as geometrias complexas das peças com o mais alto nível de precisão.

Uma grande vantagem do prototipagem rápida em alumínio é o fato de estar bem próximo das propriedades e dos materiais de grau de produção. A liga de materiais com propriedades físicas e térmicas semelhantes às usadas na produção em escala real ajuda na criação de protótipos com uma análise completa e precisa do produto que não exige a construção de matrizes caras. Esse é um dos motivos pelos quais essa tecnologia é especificamente adequada para a produção de pequenos lotes de dezenas de milhares de unidades, enquanto as ferramentas estão sendo feitas.

No entanto, é necessário mencionar que a prototipagem rápida de fundição sob pressão, comumente conhecida como "processo de aço", pode não ser funcional para peças com detalhes finos ou altos devido às restrições naturais do processo. 

Prototipagem de molde de gesso:

Além disso, pode ser chamado de fundição de molde plástico de borracha (RPM), que utiliza o método de fundição baseado em gravidade, adequado para uma variedade de ligas, inclusive alumínio, magnésio, zinco e ligas de ZA. Os modelos de estereolitografia são a melhor maneira de obter uma produção rápida de protótipos em poucas semanas, o que é um fator crucial para a rápida iteração e modificação da geometria da peça.

A prototipagem de moldes de gesso costuma ser econômica, e o custo de fabricação de um molde de gesso geralmente é apenas uma fração do investimento necessário para a construção do molde de produção. Embora os custos da prototipagem de moldes de gesso sejam estimados em aproximadamente 10% das despesas com ferramentas tradicionais, ela se mostra uma solução econômica para a prototipagem de fundição sob pressão.

A prototipagem de moldes de gesso tem uma gama bastante ampla, mas é especialmente boa para geometrias de 2 a 24 polegadas cúbicas. Esse método é usado para obter protótipos de moldes de 10 a 100 peças, e é o mais adequado para projetos porque não precisa do alto custo de ferramentas de fundição.

Embora essa seja uma vantagem da prototipagem de moldes de gesso, os projetistas devem ter cuidado para não complicar demais as geometrias das peças, pois a capacidade de reproduzir qualquer geometria fundível pode levar a um aumento dos custos de fundição e a desafios de fabricação.

Usando a usinagem de uma fundição sob pressão semelhante no processo de prototipagem

Os protótipos das mesmas peças fundidas podem ser feitos de forma pragmática, com o uso de peças fundidas existentes que sejam semelhantes em tamanho e formato. Esse método é o mais prático e pode ser usado para moldes com formas complexas.  Além disso, é mais viável para peças pequenas em que não é aconselhável a usinagem das áreas espessas de uma única peça fundida grande. É a melhor opção para a produção de pequenas engrenagens, produtos usinados por parafuso e outras peças, que são usinadas automaticamente no processo e nos materiais.

Por outro lado, a fundição sob pressão é inegavelmente conveniente para a criação de protótipos; por outro lado, ela tem suas próprias limitações. Primeiro, os parâmetros de projeto do protótipo são inerentemente limitados pelo tamanho e pela forma das peças fundidas disponíveis. A usinagem a partir de uma fundição significa que teremos de eliminar a pele dura característica das fundições de produção.

São realizados estudos que enfocam as consequências da remoção da pele sobre as propriedades mecânicas das peças fundidas sob pressão. Por exemplo, os estudos da Briggs & Stratton revelaram que ocorreu uma redução de 10% e 39% nas resistências ao escoamento e à fadiga, respectivamente, quando a pele foi usinada da peça fundida. peças fundidas em alumínio. De maneira semelhante, os resultados do estudo da U. S.  S.  O National Energy Technology Laboratory mostrou que as peças fundidas de zinco tinham uma resistência de rendimento cerca de 10% menor quando a pele era removida.

Técnicas de usinagem em materiais forjados ou em chapas

No contexto da prototipagem de fundição sob pressão, a usinagem a partir de materiais forjados ou de chapas torna-se uma abordagem alternativa para a construção de protótipos a partir de chapas ou extrudados de alumínio e magnésio. Os produtos de chapas e forjados fundidos são mais dúcteis do que os fundidos sob pressão, mas têm menor resistência à compressão e podem ser direcionais devido à orientação da chapa ou das ligas extrudadas.

Além das limitações inerentes à usinagem de materiais forjados ou em chapas, há algumas vantagens que são significativas em casos específicos, como quando as propriedades do material ou as características direcionais são necessárias. Por meio de uma análise delicada das compensações que incluem ductilidade, resistência à compressão e propriedades direcionais, os fabricantes podem usar a usinagem de materiais forjados ou em chapas para criar protótipos que atendam às suas necessidades específicas.

Materiais compatíveis para protótipos Die-Casting

O protótipo de fundição sob pressão baseia-se na variedade de materiais que são escolhidos cuidadosamente para atender aos requisitos específicos de nível de desempenho e aplicação. Este parágrafo examina os materiais de fundição sob pressão mais comumente usados, identifica suas propriedades distintas e mostra como eles podem ser aplicados em diferentes setores.

1.Alumínio:

O alumínio continua sendo o material mais popular usado na fundição de protótipos, devido à sua força superior, característica de leveza e resistência à corrosão. Esse material é o mais versátil e é usado em setores como automotivo, aeroespacial, eletrônicos de consumo e telecomunicações. O protótipos de alumínio fundido sob pressão possuem grande estabilidade dimensional e um bom acabamento superficial, o que justifica seu uso na produção de peças detalhadas e elementos estruturais. 

2. zinco:

O zinco também é uma opção comum para a fundição de protótipos, conhecidos por sua alta precisão dimensional, grande força e excelente resistência à corrosão. As peças fundidas de zinco são adequadas para aplicações de geometrias complexas e alto grau de precisão e são usadas nos setores automotivo, eletrônico, de dispositivos médicos e de hardware. Além disso, o baixo ponto de fusão do zinco facilita a execução de ciclos de produção rápidos, o que, por sua vez, reduz o custo geral da prototipagem.

3. magnésio:

O magnésio é um material que possui uma combinação incomparável de relação resistência/peso, o que o torna uma escolha desejável para componentes estruturais leves nos setores automotivo, aeroespacial e de eletrônicos de consumo. As peças fundidas sob pressão de magnésio são caracterizadas por excelentes propriedades mecânicas, que incluem alta rigidez e resistência ao impacto, além de condutividade térmica excepcional. Embora seja mais caro do que o alumínio e o zinco, as características exclusivas do magnésio o tornam preferível para aplicações de prototipagem em que a redução de peso e a otimização do desempenho são os principais objetivos.

4. Latão e cobre:

As ligas de latão e cobre são utilizadas para aplicações de nicho em protótipo de fundição sob pressãoespecialmente nos setores que exigem melhor condutividade elétrica e térmica. Esse tipo de metal é altamente valorizado por sua boa resistência à corrosão, usinabilidade e propriedades estéticas. Essas peças são usadas em conectores elétricos, acessórios de encanamento, ferragens decorativas e instrumentos de precisão.

Como determinar a técnica correta de fundição de protótipos?

A seleção do produto certo prototipagem de fundição sob pressão O processo de fundição sob pressão envolve a compreensão das diferenças básicas entre os métodos de fundição sob pressão de produção e os métodos desses componentes normalmente usados na produção de protótipos. É essencial reconhecer que os protótipos desenvolvidos por meio de fundição sob pressão têm características diferentes das contrapartes de produção devido às variações na composição da liga e no método de fabricação.

Por exemplo, os componentes fundidos são, em sua maioria, cobertos por uma camada de pele de cerca de 0,5 mm de espessura, que é um fator importante que determina a resistência à tração e a vida útil do produto. No entanto, essa pele gera um problema na usinagem de protótipos, em que pode ser necessário remover parte dela ou toda a pele para produzir o protótipo.

Embora as propriedades mecânicas das peças fundidas possam ser diferentes das dos protótipos produzidos por outros métodos, ainda é a melhor opção usar a fundição sob pressão no processo de produção. As características físicas da fundição sob pressão, como o resfriamento rápido, a solidificação rápida e a moldagem de alta pressão, são os fatores que diferenciam os protótipos de fundição sob pressão dos outros tipos de protótipos.

As ligas produzidas a partir da fundição sob pressão são projetadas para se adequarem a métodos de fundição específicos, mas podem não ser adequadas para fundição por gravidade ou usinagem de material forjado ou em folha. Por exemplo, o grupo de ligas Zamak amplamente utilizado na fundição sob pressão é composto por Zamak 3, 5 e 7, cada uma contendo alumínio 4% e com suas próprias taxas de solidificação e propriedades mecânicas. Como resultado, as ligas Zamak não são recomendadas para a criação de protótipos de fundição por gravidade, uma vez que as propriedades mecânicas dos protótipos de fundição por gravidade podem ser diferentes das da fundição por gravidade. Em vez disso, as ligas ZA são sugeridas para prototipagem de fundição por gravidade para imitar as propriedades mecânicas de fundição sob pressão o mais próximo possível.

É preciso mencionar que os Zamak 3, 5 e 7 não são adequados para a fundição de protótipos, mas podem ser usados para os elementos decorativos do protótipo, desde que suas propriedades mecânicas não afetem a funcionalidade do protótipo.

Conclusão

O que diferencia as técnicas de produção dos métodos de prototipagem deve ser entendido na seleção do melhor protótipo de fundição sob pressão. Embora haja variações, a fundição sob pressão é o principal motivo das propriedades mecânicas dos protótipos, e a escolha correta da liga é essencial para sua compatibilidade com outros processos de prototipagem de fundição sob pressão. Usando esses conhecimentos, os fabricantes de produtos podem reduzir o tempo necessário para fabricar protótipos para a produção, lançando assim produtos de qualidade com confiança.