Uma análise técnica abrangente da fundição em areia de alumínio na fabricação moderna

A fundição de alumínio em areia é um dos processos de fundição de metal mais antigos e versáteis, amplamente utilizado na fabricação moderna para produzir componentes complexos, duráveis e econômicos. Os fabricantes de fundição em areia de alumínio podem gerar geometrias complexas com características intrincadas que, de outra forma, seriam impraticáveis ou não rentáveis para usinar a partir de material sólido por meio do derramamento de alumínio fundido em moldes de areia preparados. Esse método é especialmente adequado para produção de baixo a médio volume, prototipagem e fundições de alta estrutura em aplicações que abrangem os setores aeroespacial, automotivo, de defesa e de energia.

O mais interessante sobre o alumínio para fundição em areia é que ele é flexível e funcional. O alumínio tem uma resistência muito boa em relação ao peso, resistência à corrosão e capacidade de reciclagem, o que o torna um excelente material de fundição. Juntamente com a resistência térmica da areia e sua alta capacidade de moldagem, o processo oferece capacidade de produção em escala com excelente precisão dimensional. O projeto do molde, a composição do molde, a qualidade da massa fundida e o projeto da canaleta são fatores essenciais para o sucesso de cada fundição.

Uma excelente fundição de peças fundidas em areia de alumínio deve controlar não apenas os fatos clássicos da tecnologia de metais, mas também abordar as inovações nos processos. As instalações atuais aplicam a tecnologia mais recente para evitar defeitos e garantir o melhor desempenho da fundição usando impressão em areia 3D, software de simulação e monitoramento de processos em tempo real. As peças de alumínio fundidas e projetadas com precisão agora são capazes de atender aos rigorosos padrões de engenharia em termos de segurança, tolerância e durabilidade.

À medida que cresce a demanda por componentes complexos com prazos de entrega mais rápidos e menor impacto ambiental, os serviços profissionais de fundição em areia de alumínio devem continuar evoluindo. Este artigo aborda os detalhes técnicos do processo em si, seu fluxo de trabalho de engenharia, materiais, desafios, inovações e assim por diante.

Os fundamentos da fundição em areia de alumínio

Em sua essência, a fundição de alumínio em areia envolve despejar alumínio fundido em uma cavidade de molde de areia, que é moldada por um padrão que replica a geometria da peça final. Quando o alumínio se solidifica, o molde de areia é sacudido, deixando a peça fundida. O processo também tem uma excelente flexibilidade dimensional e capacidade de escalonamento em condições de fabricação de baixo volume e alta mistura.

O processo baseia-se no uso de um molde não permanente, a areia, que pode ser reciclado e reutilizado, minimizando o desperdício de materiais e as despesas. Os moldes de areia geralmente consistem em areia de sílica com um aglutinante adicionado, e a natureza do sistema de aglutinante geralmente influencia consideravelmente o acabamento da superfície resultante, a precisão dimensional e a taxa de resfriamento.

O processo de fluxo na engenharia de fundição em areia de alumínio

A fundição de alumínio em areia é um processo de engenharia que consiste em um conjunto de atividades calibradas com precisão, cujo objetivo é transformar o alumínio bruto em peças específicas, bem construídas e dimensionadas com exatidão. Tanto o material quanto o conhecimento mecânico precisam ser aprofundados para que todas as etapas do processo sejam bem-sucedidas. A seguir, apresentamos uma análise passo a passo da maneira como a fundição de alumínio em areia é implementada profissional e tecnicamente.

1. Design e criação de padrões

No processo de fundição de alumínio em areia, a etapa inicial é projetar e fabricar o padrão, uma cópia física da fundição final. As tolerâncias que devem ser incluídas nos padrões são bastante críticas, como encolhimento, calado e estoque de usinagem. Como o alumínio se contrai, durante o resfriamento, os padrões são dispostos um pouco maiores do que o componente acabado. A taxa de contração das ligas de alumínio é normalmente aplicada em 1,3%; no entanto, dependendo da liga e das condições de resfriamento, ela pode variar.

As partes verticais dos moldes recebem ângulos de inclinação, normalmente alguns graus entre 1 e 3, para garantir que o padrão possa ser removido facilmente no molde de areia, tomando cuidado para não destruir a cavidade. São incluídas tolerâncias adicionais (tolerâncias de usinagem) para que não haja interação adversa entre o pós-processamento e a peça final. Os padrões podem ser feitos de madeira, metal, resina ou até mesmo de materiais poliméricos impressos em 3D, dependendo das exigências de precisão e das necessidades do volume de produção.

2. Fabricação de moldes (moldagem e ajuste do núcleo)

Depois de preparar o padrão, o molde deve ser preparado. Para o molde de alumínio fundido em areia, há duas metades separadas: a capa (metade superior) e o arraste (metade inferior). Elas são produzidas enchendo-se a areia ao redor do molde em um frasco. Dependendo da aplicação, a areia é geralmente à base de sílica e é amalgamada com aglutinantes, como argila (areia verde) ou resinas químicas (areia não cozida).

Se o projeto da peça tiver espaço interno e partes ocas, será necessário o uso de núcleos de areia. Eles são colocados na cavidade do molde e, em seguida, o metal é derramado. Os núcleos podem ser fabricados usando caixas de núcleos e, na produção de precisão, podem ser impressos com maior precisão usando a impressão em areia 3D. A pegada exata do núcleo é muito importante para se ter uma estrutura rígida e aderência à dimensão final da peça.

3. O projeto do sistema de portas

A pontualidade e a eficácia do sistema de comportas formado são significativas para o sucesso do processo de fundição de alumínio em areia. Esse sistema consiste em uma bacia de vazamento, jitos, canais e comportas, que coagem o alumínio represado para o envolvimento do molde. O fechamento adequado evitará muita turbulência, minimizará a formação de bolhas de ar e também garantirá um preenchimento uniforme.

Também são necessários risers (também chamados de alimentadores), que podem ser vistos como um reservatório de metal fundido que compensa a direção do encolhimento que ocorre após a solidificação. O software de simulação de fundição é normalmente utilizado pelos engenheiros para estudar e otimizar os sistemas de gating e riser. A previsão é feita com o uso de ferramentas de simulação, como MAGMASoft ou ProCAST, de modo que defeitos típicos, como fechamentos a frio, erros de execução e porosidade de contração, possam ser corrigidos virtualmente antes de qualquer produção.

4. Fusão de cobre e tratamento de metais

Geralmente, o alumínio é derretido em um forno reverberatório, um forno de cadinho ou um forno de indução, e a escolha depende do volume do lote, das necessidades da liga e da quantidade de energia necessária. A temperatura de fusão do alumínio puro é de cerca de 660 graus Celsius (1220 Fahrenheit), embora as ligas possam variar ligeiramente no ponto de fusão com base na composição.

A absorção de gás, especificamente a absorção de gás hidrogênio, é uma das grandes dificuldades técnicas durante a fusão. O alumínio quente absorve muito facilmente o hidrogênio da umidade do ar ou das figuras carregadas. Mais do que o hidrogênio, a porosidade ocorre na fundição acabada. Como resposta a isso, a massa fundida é exposta a procedimentos de desgaseificação, que frequentemente envolvem a introdução de gases passivos (como argônio ou nitrogênio) que são empurrados para a massa fundida usando um impulsor rotativo. Agentes de fluxo também podem ser adicionados para remover os óxidos e as inclusões da massa fundida.

5. Combate ao metal fundido

Quando o alumínio derretido é limpo e condicionado, ele é então despejado no molde com o uso do sistema de comportas. O vazamento deve ser totalmente controlado e contínuo, sem misturar o molde e, portanto, sem aprisionamento de ar e solidificação em um estágio inicial. As configurações manuais incorporam conchas que são operadas por pessoas treinadas quanto à altura e à velocidade do vazamento. A concha robótica é uma das etapas que garantem segurança e alta repetibilidade em sistemas automatizados.

A temperatura do vazamento é geralmente de 690 a 740 °C, de acordo com a liga e a complexidade do molde. O vazamento em baixas temperaturas pode causar fechamentos a frio ou preenchimento incompleto, e o vazamento em altas temperaturas pode causar mais captação no gás e oxidação.

6. Solidificação e resfriamento

A etapa de solidificação é uma das etapas mais importantes do processo de fundição de alumínio com um método de fundição em areia. Quando o alumínio se transforma em um sólido, ele se contrai, e a contração deve ser tratada durante os projetos de canais e risers. Os objetivos do resfriamento controlado são a microestrutura uniforme e a redução das tensões internas e das cavidades de contração.

Dependendo da geometria em várias áreas da fundição e de acordo com a espessura da parede, eles têm taxas de resfriamento variáveis. Em vez disso, há o uso da solidificação direcional, na maioria das vezes projetando a fundição de modo que ela seja orientada de forma que a solidificação ocorra de fina a grossa, o que direciona as cavidades de contração para os risers. Para acelerar o resfriamento em determinadas regiões e, assim, regular a estrutura do grão e minimizar os defeitos, uma técnica é usar chills, inserções de metal no molde.

7. Agitação, limpeza e ajuste.

Depois que o molde é removido com sucesso, o molde é sacudido e aberto depois que a fundição se solidifica completamente em um processo conhecido como shakeout. O corte ou esmerilhamento é feito mecanicamente ou manualmente para remover a areia. O corte é feito no sistema de fundição, no sistema de portas e nos risers.

A fundição geralmente apresenta resíduos de areia na superfície e depósitos de óxido, e processos de limpeza, como jateamento, esmerilhamento ou até mesmo decapagem química, são realizados para remover esses depósitos. A decapagem também é feita nessa fase, na qual o metal desnecessário é removido e as superfícies espessas são tornadas mais finas. Há também a remoção de quaisquer núcleos que o molde tenha usado.

8. Tratamento térmico e usinagem (se necessário)

Muitas peças de alumínio fundido em areia passam por tratamento térmico pós-fundição para melhorar suas propriedades mecânicas. Entre as abordagens usuais estão:

• Têmpera T5/ T6 de ligas de alumínio com endurecimento por envelhecimento (por exemplo, A356-T6), em que a resistência e a dureza são substancialmente aumentadas.
• Recozimento, de modo a eliminar as tensões internas e torná-lo mais dúctil.

A usinagem de precisão pode ser necessária após o tratamento térmico para atender às tolerâncias finais, principalmente nas superfícies que se encaixam em outras peças ou que precisam ser dimensionadas com precisão. 

Contra exemplos: O fresamento, a perfuração e o torneamento CNC de peças fundidas em areia são pós-processos comuns.

9. Garantia de qualidade e inspeção

A última etapa é fazer uma verificação final para garantir que a peça fundida tenha as especificações corretas, conforme exigido. A seguir, apresentamos a garantia de qualidade usual da fundição em areia do tipo alumínio:

• Inspeção com base na dimensão (CMM, máquina de medição por coordenadas, laser ou outro tipo de escaneamento).
• Testes não destrutivos (NDT), como radiografia de raios X, testes ultrassônicos ou inspeção por penetração de corante, que revelam as falhas internas ou superficiais.
• Testes mecânicos de resistência à tração, alongamento e dureza, especialmente no caso de peças fundidas usadas estruturalmente.
• Os dados de inspeção foram registrados para poder rastrear os dados e melhorar ainda mais as replicações subsequentes do processo.

Aspectos metalúrgicos da fundição em areia de alumínio

As ligas de alumínio aplicadas à fundição em areia geralmente podem ser divididas nos dois grupos a seguir: ligas não tratáveis termicamente e ligas tratáveis termicamente. As ligas conhecidas são A356, A319 e 319.1, selecionadas de acordo com as necessidades de força, condutividade térmica e resistência à corrosão. As taxas de resfriamento e os elementos de liga, como silício, magnésio e cobre, têm um grande efeito sobre a estrutura de grãos da fundição.

Um dos aspectos mais exigentes do processo de fundição de alumínio em areia é o controle da porosidade. A solubilidade do gás hidrogênio no alumínio também é muito alta na fase líquida do que na fase sólida, o que tende a causar microporosidade na piscina de solidificação. Os métodos padrão para limitar esse desafio são a desgaseificação a vácuo e a lavagem com gás inerte.

Materiais usados na fundição em areia de alumínio

Os materiais usados na fundição de alumínio em areia são essenciais para o desempenho, a capacidade de fabricação e a durabilidade do produto final. Eles compreendem não apenas as ligas de alumínio, mas também diferentes tipos de areia, aglutinantes e materiais auxiliares na fabricação do molde e do núcleo. Fatores socioeconômicos. Ao selecionar cada material, é essencial chegar a um acordo sobre a capacidade de moldagem e as propriedades mecânicas, o acabamento da superfície e a relação custo-benefício. As principais categorias de materiais sob as quais o processo é realizado são apresentadas abaixo em detalhes.

1. Ligas de alumínio

A seleção da liga de alumínio é a chave para qualquer processo de fundição de alumínio em areia. Várias ligas oferecem diversas propriedades mecânicas, corrosão e comportamento térmico. Em geral, essas ligas se enquadram em duas grandes categorias: ligas forjadas (forjadas/laminadas) e ligas fundidas. A fundição em areia também usa ligas de alumínio de grau de fundição, pois elas são mais adequadas para fundição, fluidez e solidificação.

Na maioria das vezes, as ligas de alumínio fundido são:

A356 (Al-Si7-Mg):

Essa é uma das ligas mais populares na área de serviços de fundição em areia para alumínio. Ela é extremamente fundível, tem resistência à corrosão relativamente boa e pode ser tratada termicamente até a têmpera T6 (alta resistência, alta ductilidade), o que a torna muito útil. Tratamentos de endurecimento por envelhecimento são possíveis com a adição de magnésio.

319 (Al-Si-Cu-Mg):

A boa resistência ao desgaste e a usinabilidade também são conhecidas do 319, que é aplicado em aplicações automotivas e na engenharia em geral. Mas sua resistência à corrosão é pior do que a do A356.

535 (Al-Mg):

É uma liga com alto teor de magnésio e, portanto, tem ótima resistência à corrosão e ao impacto. É de uso comum em aplicações aeroespaciais e marítimas.

Ligas de alumínio-silício (Al-Si):

Essas ligas foram reconhecidas por sua alta fluidez e menor encolhimento, especialmente quando usadas em componentes complexos, como peças de alumínio fundidas em areia.

Aditivos e refinadores de grãos:

Para melhorar a qualidade da fundição, a fim de reduzir a porosidade e aprimorar as propriedades mecânicas, podem ser adicionadas ligas mestras de titânio-boro (por exemplo, AlTi5B1) para proporcionar refinamento de grãos. A modificação do estágio de silício nas ligas Al-Si normalmente emprega o uso de estrôncio, que aumenta a ductilidade e diminui a ruptura a quente.

2. Materiais de areia

No método, o principal material de moldagem é a areia no processo de fundição de alumínio em areia. Sua finalidade é criar a cavidade do molde na qual o alumínio fundido é derramado. A areia deve ser capaz de tolerar altas temperaturas (acima de 700 o C), ser dimensionalmente precisa e também ser capaz de suportar a erosão pelo fluxo de metal.

A areia a ser usada:

Areia de sílica:

A areia mais usada e mais barata. É boa em termos de refratariedade e de trabalhabilidade. Mas contém problemas de expansão térmica, o que pode resultar em defeitos de fundição, como veios ou rasgos quentes, a menos que isso seja bem controlado.

Areia de cromita:

Essa areia possui melhor condutividade térmica e resistência ao choque térmico; portanto, pode ser usada em investimentos de alta temperatura, bem como em fundições de seção espessa de peças grandes.

Areia de zircônio:

Aplicado em aplicações em que a precisão das dimensões é de extrema importância. É muito mais caro, mas tem expansão térmica muito baixa e alta refratariedade.

O tamanho de um grão de areia:

A areia de granulação fina proporciona um acabamento mais suave na superfície e afeta a permeabilidade. O tamanho da areia de granulação grossa aumenta a permeabilidade e a resistência do molde; no entanto, o produto final pode ser mais áspero. Com relação à geometria da peça e às especificações de acabamento, geralmente se opta por um meio-termo.

3. Aglutinantes e aditivos

Fundição de alumínio em areia: A areia usada nas fundições de alumínio é mantida unida usando um aglutinante, formando um molde sólido o suficiente para se manter sob a pressão do alumínio fundido. Os aglutinantes são orgânicos ou inorgânicos e são escolhidos de acordo com o sistema de areia utilizado.

Aglutinantes de areia verde:

Argila Bentonita:

Um inchamento de argila que é usado em um sistema de areia verde para oferecer plasticidade e coesão. É misturado com água para formar um material de moldagem reutilizável.

Água:

É um ativador em areias verdes e ajuda na ligação entre a argila e a areia compacta.

Sistemas de areia com ligação química:

Resina de furano:

Um agente de colagem natural com alta resistência e bom acabamento. Normalmente são aplicados em um sistema de cozimento.

• A caixa fria de uretano fenólico (PUCB) foi o último tipo de produto.
• Tem uma grande resistência do núcleo e precisão dimensional. O Dietz é amplamente empregado na produção de núcleos.

Aditivos:

Provavelmente as minas mais antigas do mundo são as minas de carvão desse distrito carbonífero; elas se estendem a uma profundidade de 2.200 pés ou mais, e sabe-se que continuam ao lado do veio, em direção ao mar, onde o carvão é chamado de carvão marinho ou pó de carvão.

Incorporado com areia verde para realçar a cor preta na superfície do molde e eliminar defeitos na fundição, como a penetração do metal.

Óxido de ferro:

É útil para diminuir os veios e as falhas de expansão em áreas quentes.

Grafite:

Aprimora a fabricação de areia, pois possui altos níveis de fluidez da areia e liberação do molde.

4. Materiais básicos

As cavidades internas e as formas complexas das chamadas peças de alumínio fundido em areia são produzidas por núcleos. Normalmente, eles são fundidos em areia de sílica de alta pureza, com um sistema de aglutinação idêntico ao do molde, mas frequentemente mais rígido e preciso.

Os materiais que são importantes na produção do núcleo são:

• Areia de sílica (malha alta)
• Aglutinantes (resina de furano ou PUCB)
• Fios de ventilação ou aberturas de núcleo, para permitir o escape do gás na fundição

O jato de aglutinante em núcleos de areia impressos em 3D está se tornando popular em fundições de alta tecnologia. Isso elimina o uso de caixas de núcleos e permite a prototipagem rápida de geometrias complexas.

5. Revestimento de molde e lavagem de molde

Os revestimentos refratários são aplicados (ou lavagens de molde) para melhorar o acabamento da superfície da fundição ou para fornecer proteção térmica e química ao molde ou ao núcleo.

Esses materiais de revestimento comuns são:

Revestimentos à base de zircônio 

Os revestimentos à base de zircônio também são excelentes em termos de refratariedade e propriedades de isolamento em ligas de alumínio de alta temperatura.

Revestimentos à base de grafite:

Incentivam o lançamento fácil e são aplicáveis em zonas frias.

À base de aluminossilicato: 

Os revestimentos à base de aluminossilicato são revestimentos de proteção de uso geral que minimizam as falhas na superfície.

O processo de aplicação desses revestimentos é feito por meio de escovação, pulverização ou imersão e, em seguida, é feita a secagem antes do vazamento do metal. Eles reduzem o perigo de erosão da areia, penetração do metal e desenvolvimento relacionado ao gás.

6. Outros materiais auxiliares e de processo

Outros materiais usados nos serviços de fundição em areia de alumínio incluem:

Fluxos:

Para limpar a fusão e remover as inclusões não metálicas. Dependendo do tipo de liga usada, os mais comuns são os fluxos à base de cloreto ou de flúor.

Comprimidos ou gases de desgaseificação:

Isso pode envolver pastilhas de hexacloroetano ou similares, embora, nas fundições atuais, a desgaseificação com gás argônio seja preferida por motivos ambientais e de segurança.

Sondas, termopares e pirômetros:

Os sensores de temperatura estão disponíveis na forma de ligas de alta temperatura e materiais cerâmicos para monitorar as condições da fusão e do molde.

Materiais exotérmicos de mangas e risers :

Ele é colocado em risers para manter a alimentação de metal fundido por mais tempo. Eles têm materiais isolantes ou exotérmicos que liberam calor na solidificação.

A função da fundição de alumínio para fundição em areia

A fundição de fundição altamente sofisticada é a chamada fundição de alumínio em areia, que tem máquinas de moldagem, estações de produção de núcleo, fornos de fusão e sistemas de inspeção. As fundições são especializadas em fundição, qualidade máxima do item fundido, tempo de ciclo mínimo e eficiência máxima do material. As fundições desenvolvidas combinam ferramentas digitais como:

• SimSoftware de ulação: O chamado software de simulação (como o MAGMASoft e o FLOW-3D Cast) simula o enchimento e a solidificação do molde e permite que os engenheiros de fundição ajustem o projeto da porta e prevejam falhas.
• Núcleo automático: Formas internas complicadas podem ser facilmente criadas com os novos núcleos de areia impressos em 3D, o que diminui os gastos com ferramentas e tempo.
• Testes não destrutivos (NDT): Isso envolve o uso de testes de raios X, ultrassom e corante penetrante para verificar a integridade da peça fundida.

Uma fundição bem-sucedida de alumínio fundido em areia tem um sistema de controle de qualidade com todos os padrões globais, como ASTM B26, ISO 8062-3 e AMS 4218, para garantir uma qualidade estável das ligas de alumínio fundido.

Vantagens dos serviços de fundição em areia de alumínio

Os serviços profissionais de fundição em areia de alumínio oferecem soluções completas de fundição, incluindo consultoria de projeto, prototipagem rápida, ferramental e pós-processamento. Esses são serviços de fornecimento de peças para fornecedores OEM e de nível 1, que precisam de um prazo de entrega mais rápido, geometria e funcionalidade de peças personalizadas.

Algumas delas são as principais vantagens:

• Baixas despesas com ferramentas: A fundição em areia tem uma baixa exigência de custos de ferramental em comparação com a fundição sob pressão, o que a torna a melhor opção para pequenas séries de produção.
• Serviço: Os prestadores de serviços são aconselhados a criar ligas personalizadas, dependendo das características mecânicas ou térmicas necessárias.
• Prototipagem rápida: É possível preparar um protótipo em dias, em vez de semanas, com o uso da modelagem digital atual.

Como os setores exigem ciclos de produtos mais rápidos e maior personalização, fundição em areia de alumínio de alta qualidade serviços tornam-se parceiros valiosos nas cadeias de suprimentos.

Precisão e desempenho em peças de alumínio fundido em areia

A fundição em areia de peças de alumínio continua sendo um dos pilares da produção de blocos de motor, carcaças de transmissão, tampas de coletores e componentes de aeronaves. O processo também pode lidar com geometrias simples e complexas de peças com espessuras de parede entre 3 mm e 75 mm, dependendo da resistência do molde e da fluidez da liga metálica envolvida.

As principais métricas de desempenho para peças de alumínio fundido em areia incluem:

• Tolerância dimensional: Capaz de tolerar entre 0 e 0,5 por cento de seus valores nominais, de acordo com a qualidade dos moldes.
• Rugosidade da superfície: Isso está entre 150 e 500 RMS, embora, com o processo secundário, eles possam ser mais finos.
• Resistência mecânica: As resistências à tração dependem da liga e do tratamento e, em geral, estão entre 170 e 300 milímetros de Pascal (MPa).

Os engenheiros podem diminuir a quantidade de defeitos de contração e criar estruturas uniformes durante a estrutura do grão por meio de sistemas de gating e riser cuidadosamente selecionados.

Desafios e inovações na fundição em areia de alumínio

Embora a fundição em areia de alumínio tenha resistido ao teste do tempo como um método de fabricação versátil e econômico, ela enfrenta vários desafios técnicos e operacionais que afetam a qualidade da fundição, a eficiência da produção e a escalabilidade. Felizmente, o processo está sendo bastante transformado com a ajuda de inovações em soluções, à medida que o setor enfrenta esses desafios com novas ferramentas e tecnologias. A seguir, apresentamos uma análise mais detalhada dos dois desafios que continuam a atormentar a arte da fundição em areia de alumínio e das inovações emergentes que parecem ter surgido no campo.

1. Qualidade da fusão e porosidade do gás

Desafio:

Um dos problemas mais críticos e persistentes na fundição de alumínio em areia é a porosidade do gás, principalmente devido à absorção de hidrogênio. Quando fundido, o alumínio tem a tendência de absorver gás hidrogênio, principalmente na presença de condições úmidas ou sob abuso pela utilização de materiais de carga contaminados. À medida que o metal esfria, a solubilidade do hidrogênio diminui e, portanto, o gás precipita, formando pequenos orifícios na fundição. Esses poros limitam seriamente a resistência à fadiga e as capacidades de vedação, bem como a força mecânica.

Inovação:

A solução para esse problema foi resolvida com o emprego da moderna tecnologia de desgaseificação em fundições modernas, como a tecnologia de desgaseificação rotativa, que usa gases inertes como argônio ou nitrogênio. Esses sistemas agitam a massa fundida para aumentar a área de superfície e liberar o hidrogênio preso. Além disso, os sistemas de desgaseificação em linha com anéis de descarga são usados para remover óxidos e inclusões. Algumas das fábricas estão até mesmo instalando sensores de monitoramento de gás em tempo real para avaliar o estado do hidrogênio durante a fusão e o vazamento.

2. Tristeza dimensional e aderência ao molde

Desafio:

Manter tolerâncias dimensionais rigorosas com o método de fundição de alumínio em areia não é fácil porque o molde de areia é variável. Essas mudanças geométricas podem ser provocadas pela compactação da areia, pelo teor de umidade e pela expansão térmica, entre outros, fazendo com que algumas peças não estejam mais dentro das especificações. Além disso, os moldes reutilizáveis denotam uma maior probabilidade de vibração para o desvio dimensional, e isso não é considerado ao longo do tempo.

Inovação:

Para combater isso, várias fundições estão utilizando máquinas de moldagem controladas digitalmente que fornecem pressão uniforme na compactação dos moldes e alcançam um grau de uniformidade na qualidade do molde. A impressão em areia 3D (jato de aglutinante) está transformando a criação de moldes, pois não requer um padrão físico. Esses moldes de fundição são altamente precisos até o nível de mícron, adequados para prototipagem e pequenas séries de fabricação. Em conjunto com o software de simulação de fundição, os engenheiros podem simular alterações dimensionais no resfriamento e compensar as alterações no projeto do molde.

3. Automação leve e forte dependência de mão de obra

Desafio:

Os processos tradicionais de fundição de alumínio em areia exigem muita mão de obra, principalmente na preparação do molde, no vazamento e no acabamento. As operações manuais não apenas reduzem o rendimento, mas também a variabilidade da fundição. Além disso, o uso de mão de obra qualificada pode se tornar um gargalo, especialmente em áreas onde há escassez de mão de obra.

Inovação:

A automação robótica está mudando as operações repetitivas e arriscadas, como a atualidade dos moldes, o vazamento e a moagem. Os robôs de colaboração (cobots) teriam a capacidade de colaborar com as pessoas na montagem fundamental e na extração de peças fundidas. As fundições também estão adotando instalações de vazamento automatizadas que possuem sensores a laser e sistemas de visão para permitir o equilíbrio das taxas de vazamento e o controle preciso da temperatura do vazamento. Esses avanços não apenas contribuem para a eficiência da produção, mas também para a segurança e a unificação no local de trabalho.

4. Previsão da causa raiz de defeitos de fundição

Desafio:

As preocupações com os defeitos de fundição, como cortes a frio, rasgos a quente, furos de contração e inclusões, continuam a ser um dos principais fatores que contribuem para o desperdício de material e os defeitos do produto. A causa principal desses defeitos precisa ser identificada e removida para evitar sua recorrência; isso exigiria um conhecimento profundo da dinâmica de fluidos, gradientes térmicos e dinâmica de ligas - aspectos que não estão prontamente disponíveis em nenhuma fundição sem medidas especiais.

Inovação:

Recentemente, foram disponibilizados pacotes sofisticados de dinâmica de fluidos computacional (CFD) e de modelagem de solidificação que permitem ao engenheiro simular todo o processo de fundição em um mundo virtual. Os softwares de computador FLOW-3D Cast, ProCAST e MAGMASoft são alguns dos softwares que preveem os defeitos do aço fundido e onde é provável que os defeitos se formem antes do vazamento de qualquer metal. As ferramentas são usadas para otimizar os sistemas de gating, o posicionamento dos risers e as estratégias de resfriamento para obter peças fundidas livres de defeitos. Além disso, modelos de aprendizado de máquina estão sendo trabalhados, nos quais os dados de defeitos do passado são usados para analisar e fornecer recomendações em tempo real sobre o processo a ser ajustado.

5. Sustentabilidade do meio ambiente e gerenciamento de resíduos

Desafio:

A fundição de alumínio em areia gera resíduos na forma de areia usada, escória de metal, resíduos de fluxo e peças fora de especificação. O descarte da areia, especialmente, representa um problema, pois a areia quimicamente ligada pode não ser fácil de reciclar. Além disso, o alto consumo de energia no processo de fusão aumenta muito a pegada de carbono nos processos de fundição.

Inovação:

A maioria das fundições progressistas está investindo em sistemas de recuperação de areia em circuito fechado, que reciclam a areia usada anteriormente por meio de processos termomecânicos. Esses sistemas reduzem o número de lixões, bem como o custo das matérias-primas. Em termos de energia, os fornos de fusão por indução são mais eficientes e têm emissões mínimas do que seus análogos tradicionais, os fornos reverberatórios a gás. A energia solar, a reciclagem do calor residual e o monitoramento em tempo real da energia também estão ajudando as fundições a reduzir o impacto ambiental à medida que cumprem os requisitos regulatórios cada vez mais rigorosos.

6. Restrições impostas pelas ligas e dificuldade de metalurgia

Desafio:

O uso de ligas de alumínio aplicáveis na fundição em areia está associado a uma compensação entre a capacidade de fundição, as propriedades mecânicas e a capacidade de tratamento térmico. Certas ligas de alto desempenho têm baixa fluidez ou são propensas a rasgos a quente durante a solidificação e, portanto, não podem ser usadas em formas complexas.

Inovação:

Os metalúrgicos estão criando novas especificações de ligas de alumínio especialmente projetadas para a fundição em areia. São ligas modificadas com terras raras que aumentam a fluidez e minimizam as rachaduras, além de pós de alumínio endurecidos com nanopartículas, que têm melhores relações entre resistência e peso. Além disso, os processos de refinamento de grãos por meio de ligas principais (por exemplo, Al-Ti-B) estão sendo padronizados em favor de uma microestrutura uniforme das ligas e da garantia de melhores propriedades mecânicas após a fundição.

7. Digitalização e fundições inteligentes

Desafio:

As fundições convencionais são basicamente guiadas por conhecimentos que, em sua maioria, estão relacionados à experiência e não a dados em tempo real e, portanto, há inconsistência e rastreabilidade mínima na produção.

Inovação:

As fundições inteligentes estão surgindo devido ao surgimento prático das tecnologias do setor 4.0. Essas instalações utilizam sensores de IoT, análise de nuvem e gêmeos digitais para observar as temperaturas, a pressão, a umidade e as condições do molde em diferentes estágios do processo de fundição. As informações relacionadas aos diferentes estágios são incorporadas em painéis centralizados, o que permite prever a manutenção, a garantia de qualidade e a melhoria contínua. Os gêmeos digitais, que criam as versões virtuais estendidas de todo o processo de fundição, podem ser usados para otimizar o processo e rastrear as causas principais sem interromper a produção.

Conclusão

A fundição de alumínio em areia continua a desempenhar um papel fundamental na produção industrial, permitindo a fabricação de peças simples e complexas com eficiência e economia. O processo se torna ainda mais preciso, sustentável e flexível para atender às necessidades da fabricação moderna à medida que o campo da ciência dos materiais e da tecnologia de fundição avança. Com o crescimento de um setor relacionado à simulação, automação e pesquisa de ligas, que atingiu a capacidade de uma fundição de alumínio em areia, o ressurgimento desse tipo de ofício está próximo devido à demanda por peças metálicas leves e de alto desempenho.

Seja por meio de serviços especializados de fundição em areia de alumínio ou da engenharia meticulosa por trás da fundição em areia peças de alumínioEssa técnica continuará sendo essencial para os setores que valorizam a integridade estrutural, a flexibilidade do projeto e a produção econômica.

FAQs: Perguntas mais frequentes 

1: O que é fundição de alumínio em areia?

A fundição de alumínio em areia é um processo em que o alumínio fundido é derramado em moldes de areia para criar peças metálicas complexas. Ele pode ser perfeitamente usado quando é necessário um volume de produção baixo a médio e há peças grandes envolvidas.

2: Onde são usadas as peças de alumínio fundido em areia?

As peças de alumínio fundido em areia são comumente usadas nos setores automotivo, aeroespacial, marítimo e industrial para componentes como carcaças, suportes e peças de motor.

3: O que devo fazer para selecionar uma fundição de alumínio adequada para fundição em areia?

Procure uma fundição conhecida como fundição de areia de alumínio com amplo gerenciamento de qualidade, suporte de engenharia, conhecimento de ligas e outros recursos de valor agregado, como usinagem e tratamento térmico.