O que é Die Casting? Desenvolvimento, Processos e Materiais na Fundição de Matrizes

Conhecimento Básico

O que é fundição sob pressão e como tem progredido desde o século 19? Este e muitos outros conceitos básicos, como o uso de diferentes processos e materiais, são explicados no seguinte artigo.

Fundição por injeção é um processo automático de fundição no qual o líquido fundido é prensado em um molde sob alta pressão (150 a 1200 bar) e a uma alta velocidade de enchimento (até 540 km/h).

( Fonte: Nürnberg Messe/ EUROGUSS )

Fundição por injeção é um dos processos mais econômicos e rápidos de moldagem. As vantagens desse processo de produção são que centenas de milhares de peças fundidas podem ser produzidas com relativa rapidez usando apenas um molde. Todos os componentes produzidos têm uma qualidade uniforme e envolvem custos unitários relativamente baixos. Mas como é exatamente o processo de fabricação? Que materiais podem ser usados e em que áreas as peças fundidas são usadas?

Definição de “Die Casting”

Die casting é um processo automático de fundição no qual o líquido fundido é prensado em um molde sob alta pressão (150 a 1200 bar) e a uma alta velocidade de enchimento (até 540 km/h). Normalmente são utilizadas ligas com um baixo ponto de fusão. Este processo de fundição é particularmente adequado para a produção em série e em massa de componentes porque, ao contrário da fundição em areia, por exemplo, são utilizados moldes permanentes de metal que não têm de ser destruídos após a fundição. É possível produzir componentes grandes e complexos com baixa espessura de parede.

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Moldes

Os moldes para fundição sob pressão, feitos de aço de alta qualidade e resistentes ao calor, consistem em duas metades que formam uma cavidade na qual o líquido fundido é prensado durante o processo de fundição. As metades estão localizadas em uma placa fixa e móvel da máquina. Durante o processo de fundição, uma alta pressão é aplicada às metades do molde, razão pela qual o molde é equipado com travas. Além disso, certas partes do molde são resfriadas e/ou aquecidas para que a fundição se solidifique conforme desejado. A produção dos moldes é muito cara e demorada, mas várias dezenas de milhares a mais de um milhão de peças fundidas podem ser produzidas com apenas uma delas. Uma outra vantagem dos moldes reutilizáveis de fundição é que o fundido esfria rapidamente.

Funcionalidade e Procedimentos

Na fundição sob pressão, há duas formas diferentes de fabricação de componentes: fundição sob pressão em câmara quente e fundição sob pressão em câmara fria. Em ambos os processos de fabricação, o molde é pulverizado com um agente desmoldante antes do processo de fundição, a fim de garantir que a peça posteriormente fundida possa ser facilmente removida do molde. Entretanto, o fundido não é despejado diretamente na cavidade do molde, mas primeiro é enchido na câmara de fundição da máquina de fundição sob pressão. A partir daí, a liga é pressionada para dentro do molde por um pistão (o chamado conjunto de fundição) através de um ou mais canais. A diferença entre os dois processos está na estrutura da câmara de fundição, como descrito abaixo.

Método de fundição sob pressão em câmara quente
Uma característica das máquinas de fundição sob pressão em câmara quente é que a câmara de fundição está constantemente em contato com a liga líquida. O fundido passa através de uma válvula para a câmara de fundição, onde é pressionado a alta velocidade no molde fechado de fundição por meio do pistão. Este processo é utilizado para ligas com baixo ponto de fusão, tais como zinco, chumbo ou estanho.

Método de fundição sob pressão em câmara fria
Máquinas de fundição sob pressão em câmara fria são projetadas de tal forma que o conjunto de fundição esteja localizado fora da fusão. Para produzir um componente, a liga é enchida na câmara de fundição e prensada no molde de fundição injectada através de canais. Este processo é adequado para materiais com um ponto de fusão mais alto. Estes incluem, por exemplo, alumínio e cobre.

Após a liga ter sido prensada no molde em ambos os processos, o componente solidifica-se sob forte pressão, onde as travas do molde podem ser abertas. A peça com porta é removida do molde por pinos de ejeção operados automaticamente e pode ser processada posteriormente, se necessário. Em palavras simples, o processo de fundição pode ser dividido nas seguintes etapas e na prática ocorre em centésimos de segundo – ou mesmo apenas em milésimos de segundo:

li> enchimento rápido do molde de fundição com a liga
li> cura do componente sob alta pressão

ul>>li>Abertura do molde e remoção do componente

Fundição sob pressão em câmara fria é o processo mais popular na produção em massa de peças fundidas de metais leves. Leia agora sobre os fatores-chave para a realização de um conceito de fundição leve de baixo custo.

Materiais1

Na fundição sob pressão, os metais não ferrosos são usados para fabricar componentes, e a escolha da liga para uma determinada aplicação depende do orçamento, peso e propriedades do material.

Alumínio é um dos materiais mais importantes, com uma quota superior a 80%, seguido do zinco e do magnésio. However, copper, lead and tin can also be used. The alloys have different properties. For example, aluminum (600°C) and magnesium (520°C) have a high melting point, zinc (380°C) and lead (320°C) a low melting point.

Die casting alloys offer many advantages:

• High corrosion resistance

• High strength and hardness

• High thermal conductivity

• High electrical conductivity

• Very good EMI/ RFI isolation

• Good processing properties

Low-Pressure vs. High-Pressure Die Casting

Various processes are used in foundry practice. Castings can also be produced without high pressure. In the sand casting process, for example, the alloy is poured into a mold made of sand, which must be destroyed in order to reveal the manufactured component (lost foam). Na fundição por cera, que é usada para fabricar peças fundidas muito pequenas, os moldes e modelos (geralmente feitos de cera ou plástico) também são destruídos após o processo de fundição. Outro exemplo é a fundição por gravidade, que usa um molde de metal permanente, mas não usa alta pressão para prensar o fundido no molde. Em vez disso, a fundição é fabricada ou o molde é preenchido por gravidade.

Existem também diferenças no processo de fundição sob pressão. Por exemplo, há processos que utilizam alta ou baixa pressão para produzir os componentes. Enquanto a fundição sob alta pressão é responsável por cerca de 50% da produção de metais leves, a fundição sob baixa pressão é responsável apenas por pouco menos de 20% da produção total.2

Fundição sob baixa pressão utiliza principalmente ligas com baixos pontos de fusão. É possível fundir componentes de 2 a 150 kg. As vantagens são que valores muito altos de resistência e geometrias complexas, assim como uma melhor utilização do material e precisão dimensional, podem ser alcançados. O processo é menos adequado para peças de paredes muito finas, uma vez que apenas é possível obter uma espessura mínima de parede de 3 mm. Também deve ser mencionado que os ciclos de fundição utilizando fundição sob baixa pressão são mais lentos do que aqueles sob alta pressão.

Na fundição sob alta pressão, o fundido é prensado no molde sob alta pressão e a alta velocidade, acelerando assim o ciclo de fundição. Além disso, podem ser produzidas peças fundidas de paredes mais finas (espessura de parede mínima de 1 mm) com superfícies mais lisas. A desvantagem deste processo de fabricação, no entanto, é que os altos custos operacionais e de investimento são incorridos, os valores de resistência são menores e o peso da fundição sob pressão é limitado, pois depende da força de fechamento da máquina.

Campos de Aplicação

Fusão de peças fundidas é usada principalmente para a produção de grandes séries, ou seja, para muitos componentes do mesmo tipo a serem fundidos. Despite the high pressure used during the manufacturing process, a high casting quality is achieved. The die casting process is particularly suitable for the production of very thin (up to 1 mm) (lightweight) components.

Most commonly, die cast components are manufactured for the automotive industry, such as wheels, blocks, cylinder heads, valve blocks and manifolds. This sector accounts for around 84 % of the castings produced by German foundries. 3 The use of aluminum parts leads to a reduction in the weight of the vehicles and thus to a reduction in fuel consumption. In addition, there are other industries in which die cast parts are used:

• Aerospace

• Domestic Appliances

• Furniture

• Power Tools

• Electronics

• Machinery

• Lighting Technology

In the future, other industries such as electromobility will be of interest to foundries. Isto oferece um enorme potencial para fundições de metais leves.4

História de fundição de moldes 5

Fundição de peças fundidas em meados do século XIX, quando a publicação floresceu. O objectivo era poder imprimir jornais e livros de forma rápida, flexível e rentável. Estes incluem um dispositivo manual no qual uma liga de estanho e chumbo podia ser fundida em letras (1838), a impressora rotativa (1846) e finalmente a máquina de tipografia Linotype (1886). Um dos principais elementos desta máquina era uma máquina integrada de fundição sob pressão que vertia chumbo líquido nos moldes de linha feitos de matrizes de letras de latão. Após a fundição, as matrizes foram devolvidas ao magazine matricial e as linhas de chumbo fundido foram ejetadas. As linhas de chumbo eram então montadas em páginas que serviam como placas de impressão para a impressão de folhas ou como moldes para as placas de impressão redondas necessárias para o processo de impressão rotativa.

Durante os primeiros 30 anos, a fundição de moldes foi utilizada praticamente exclusivamente na indústria gráfica. O ponto de viragem veio quando Herman H. Doehler fundou a Doehler Die Fundting Company em 1908, que no início dos anos 40 era considerada como o maior fabricante mundial de peças fundidas e existiu até 1998. A primeira máquina de fundição sob pressão disponível no mercado, que continha todos os componentes essenciais de uma máquina moderna de fundição sob pressão, foi desenvolvida em 1925 por Joseph Soss e Louis H. Morin nos EUA.

Durante o final do século XIX e as primeiras décadas do século XX, novos produtos surgiram no mercado e a produção industrial cresceu rapidamente. Os fabricantes reconheceram as vantagens da fundição sob pressão, que podia ser utilizada para produzir economicamente peças para máquinas de escrever, caixas registadoras, relógios e aparelhos eléctricos. Os fabricantes de brinquedos também utilizaram a fundição sob pressão para produzir brinquedos e modelos de carros que fossem o mais fiel possível ao original. Por último, mas não menos importante, a indústria automotiva emergente e seus fornecedores tornaram-se importantes compradores de produtos fundidos.

Desde o início do século 20, a tecnologia de fundição sob pressão tem progredido com velocidade crescente. Inicialmente, chumbo e estanho, dois metais com uma temperatura de fusão relativamente baixa e boa ductilidade, eram utilizados principalmente na fundição sob pressão. Por volta de 1914, começaram os trabalhos em ligas de zinco e alumínio, que ofereciam maiores resistências. Cobre e ligas de magnésio foram adicionadas na década de 1930. O magnésio, que com uma densidade específica de 1,74 g/cm3 pesa menos um terço do que o alumínio metálico leve (2,75 g/cm3) e é utilizado hoje principalmente na indústria automotiva, experimentou seu primeiro boom como material de fundição sob pressão entre 1946 e 1978: O motor e a caixa de velocidades do Carocha VW foram fabricados com este material. No entanto, a tecnologia de fundição sob pressão não se manteve neste nível de desenvolvimento. As máquinas foram equipadas com tecnologia de controle refinada e se tornaram cada vez mais potentes. Aços para ferramentas com propriedades melhoradas chegaram ao mercado para fabricação de moldes, e as propriedades físicas das ligas fundidas sob pressão foram otimizadas para que hoje possam ser produzidas peças fundidas tanto com espessuras de parede muito finas quanto com altas propriedades mecânicas. Os tópicos atuais incluem automação, eficiência energética e de matéria-prima, formas complexas, peças híbridas, automação de processos e digitalização (Indústria 4.0).

1) Dynacast, die cast metal, disponível em https://www.dynacast.de/druckgussmetalle-al-mg-zn

2) A Fundição de Metais, disponível em http://www.themetalcasting.com/pressure-die-casting.html

3) BD Guss, 2016

4) NürnbergMesse, 2018, disponível em https://www.euroguss.de/de/news/presseinformationen/zukunft-von-druckguss-7sxvrxjjb7_pireport

5) NürnbergMesse, 2018, available on https://www.euroguss.de/de/news/fachartikel/fachartikel-druckgiessen-nl2jm1fcex_pireport

Further References

KUG BD Guss, 2009, Die Casting – Series production for highly complex thin-walled light metal castings, available on https://www.kug.bdguss.de/giessverfahren-inhalte/druckguss/

Powerguss – Haus der Gießerei-Industrie, Die casting – how does it work?, available on https://www.powerguss.de/was-ist-giessen/druckguss/

Lechuga, G., 2016, Die Casting Facts Infographic, available on https://www.slideshare.net/GermnLechuga/die-casting-facts-infographic

Dynacast, die casting, available on https://www.dynacast.de/druckguss