RESUMO

Projetar para usinagem em peças fundidas por moldagem sob pressão é uma disciplina de engenharia crítica que aplica os princípios de Projetar para a Manufaturabilidade (DFM) para otimizar um componente tanto para o processo inicial de fundição quanto para qualquer usinagem secundária necessária. O sucesso depende do equilíbrio entre características que garantem fluxo suave do metal e desmoldagem fácil da peça—como ângulos de saída, espessura uniforme de paredes e raios arredondados generosos—e as adaptações para usinagem posterior, como adicionar material excedente suficiente para recursos com tolerâncias rigorosas. Essa abordagem integrada é essencial para reduzir custos, minimizar defeitos e criar um produto final de alta qualidade e econômico.

Fundamentos do Projeto para Manufaturabilidade (DFM) para Peças Fundidas por Moldagem Sob Pressão

No centro da criação de componentes fundidos por moldagem sob pressão bem-sucedidos está a metodologia de Projeto para Manufaturabilidade (DFM). Conforme explicado em um guia para iniciantes da Dynacast , DFM é a prática de projetar peças para serem produzidas da maneira mais eficiente e econômica possível. Os principais objetivos são reduzir o volume de material, minimizar o peso e, principalmente, limitar a necessidade de operações secundárias como usinagem, que podem representar uma parcela significativa do custo total da peça. Ao abordar possíveis problemas de fabricação já no estágio de projeto, os engenheiros podem evitar correções dispendiosas posteriormente.

Uma decisão estratégica fundamental na fabricação voltada ao projeto (DFM) é a escolha entre usinagem e fundição, especialmente ao considerar o ciclo de vida completo de um produto, desde o protótipo até a produção em massa. A usinagem é ideal para prototipagem, oferecendo velocidade e flexibilidade. Um arquivo CAD pode se tornar uma peça física em poucos dias, permitindo iterações rápidas sem o investimento inicial substancial em ferramentais. No entanto, a usinagem é cara por peça. Em contraste, a fundição é a solução ideal para produção. Embora exija um investimento significativo inicial em ferramentais — muitas vezes com prazos de entrega de 20 a 25 semanas — o custo unitário cai drasticamente em altos volumes, conforme destacado em uma análise estratégica da Modus Advanced .

Essa compensação econômica frequentemente leva a uma "Abordagem de Dois Projetos". Um projeto protótipo é otimizado para usinagem CNC, permitindo cantos vivos e espessuras de parede variáveis que facilitam testes rápidos. Um projeto de produção separado é então criado com características adequadas à fundição, como ângulos de saída e paredes uniformes. Compreender essa distinção é essencial para gerenciar prazos e orçamentos de forma eficaz.

A tabela abaixo ilustra as compensações típicas de custo por peça entre usinagem e fundição em diferentes volumes de produção, demonstrando a clara vantagem econômica da fundição em larga escala.

Princípios de Projeto para Fundição em Matriz com Foco na Usinabilidade

Uma peça bem-sucedida de fundição em matriz que também esteja pronta para usinagem depende de um conjunto de princípios fundamentais de projeto. Essas regras regem como o metal fundido entra na matriz, esfria e é ejetado, prevendo ao mesmo tempo quaisquer acabamentos necessários. Dominar esses conceitos é essencial para criar componentes robustos e de alta qualidade de forma eficiente.

Linhas de Separação e Ângulos de Saída

A linha de Parting é onde as duas metades da matriz se encontram. A definição do seu posicionamento é uma das primeiras e mais decisivas etapas, pois afeta a localização das rebarbas (material excedente que deve ser aparado) e a complexidade da ferramenta. Como boa prática, as linhas de separação devem ser posicionadas em bordas facilmente acessíveis para o corte. Um recurso fundamental relacionado são os ângulo de Desmoldagem , que é um leve chanfro em todas as superfícies paralelas ao movimento da matriz. Esse chanfro, normalmente de 1-2 graus para alumínio, é essencial para permitir que a peça seja ejetada sem ser danificada ou causar desgaste excessivo na ferramenta, conforme observado em um guia para iniciantes da Dynacast . As paredes internas requerem mais inclinação do que as paredes externas porque o metal se contrai sobre elas durante o resfriamento.

Espessura de Parede Uniforme

Manter uma espessura de parede constante em toda a peça é talvez a regra mais importante no projeto de fundição sob pressão. Paredes não uniformes provocam resfriamento irregular, levando a defeitos como porosidade, retração e empenamento. Seções grossas demoram mais para solidificar, aumentando os tempos de ciclo e criando tensões internas. Se variações de espessura forem inevitáveis, devem ser feitas com transições graduais. Para manter a uniformidade em elementos como colunas, os projetistas devem vazá-las e adicionar nervuras para resistência, em vez de deixá-las como blocos sólidos de material.

Chanfros, Raios e Nervuras

Cantos vivos são prejudiciais tanto para o processo de fundição quanto para a integridade da peça final. Raios de Concordância (cantos internos arredondados) e raios (cantos externos arredondados) são fundamentais para promover um fluxo suave do metal fundido e reduzir concentrações de tensão na matriz e na peça fundida. Raios generosos evitam turbulência durante a injeção e eliminam a necessidade de operações secundárias de rebarbação. Pneus são reforços estruturais que acrescentam resistência às paredes finas sem aumentar significativamente o volume de material ou o peso. Eles também atuam como canais para ajudar o metal a fluir para áreas distantes da matriz. Para uma distribuição ideal de tensões, muitas vezes recomenda-se o uso de um número ímpar de nervuras.

A tabela a seguir resume as melhores práticas para essas características essenciais de projeto.

Considerações Estratégicas para Operações Pós-Mecanização

Embora o objetivo do DFM seja criar uma peça com forma final diretamente a partir da matriz, a pós-mecanização é muitas vezes necessária para obter características que a fundição não pode produzir, como furos roscados, superfícies extremamente planas ou tolerâncias mais rigorosas do que as possíveis na fundição. Um bom projeto antecipa essas operações secundárias desde o início. O importante é tratar a fundição e a usinagem como processos complementares, e não etapas isoladas.

Uma das considerações mais críticas é adicionar material suficiente material de usinagem . Isso significa projetar a peça fundida com material adicional em áreas que serão usinadas posteriormente. No entanto, há um equilíbrio delicado. Remover muito material pode expor porosidade sub-superficial, inerente a muitas peças fundidas por pressão. Uma prática comum, conforme observado em um guia por General Die Casters , é deixar apenas o suficiente de material para limpar a superfície e atingir a dimensão final, sem cortar muito profundamente no núcleo da peça. Esse material geralmente está na faixa de 0,015" a 0,030". Para evitar confusão, alguns projetistas fornecem dois desenhos separados: um para a peça 'como fundida' e outro para a peça 'final-acabada' após a usinagem.

A geometria da peça deve também ser concebida para que seja fisicamente acessível. Isto inclui fornecer superfícies estáveis e planas para prender a peça com segurança numa máquina CNC. Além disso, os projetistas devem colocar estrategicamente elementos como pinos ejetores longe de qualquer superfície que seja usinada para evitar manchas cosméticas ou interferência com as ferramentas de corte. Cada escolha de projecto deve ser avaliada em função do seu impacto tanto na ferramenta de fundição como nos acessórios de usinagem subsequentes.

Para ajudar a preencher a lacuna entre estes dois processos, siga esta lista de verificação para um projeto de fundição a óleo pronto para usinagem:

• Identificar as características da máquina cedo: Definir claramente quais as superfícies e características que requerem usinagem para tolerâncias apertadas, planosidade ou fios.
• Adicionar material de usinagem adequado: Incluir material extra (por exemplo, 0,5 mm a 1 mm) nas superfícies a ser usinadas, mas evitar estoques excessivos que possam expor porosidade.
• Projeto para fixação: Assegurar que a peça tem superfícies estáveis e paralelas que possam ser facilmente e com segurança presas para operações CNC.
• Otimizar Localizações dos Pinos Ejetores: Posicione os pinos ejetores em superfícies não críticas e não usinadas, como nervuras ou reforços, para evitar marcas em faces acabadas.
• Considere o Acesso das Ferramentas: Certifique-se de que as áreas que exigem usinagem possam ser alcançadas por ferramentas de corte padrão sem necessidade de configurações complexas.
• Mantenha os Datums Consistentes: Utilize os mesmos pontos de referência (datums) para os desenhos de fundição e usinagem, garantindo a precisão dimensional.

Seleção de Material: Impacto na Fundição e Usinabilidade

A escolha da liga é uma decisão fundamental que influencia profundamente tanto o projeto de fundição quanto a sua usinabilidade posterior. Diferentes metais possuem propriedades distintas quanto à fluidez, retração, resistência e dureza, o que determina desde a espessura mínima de parede até os ângulos de saída necessários. As ligas mais comuns utilizadas na fundição sob pressão são alumínio, zinco e magnésio, cada uma oferecendo um conjunto único de vantagens e desvantagens.

As ligas de alumínio, como a A380, são populares pela excelente combinação de resistência, leveza e condutividade térmica. São a escolha preferencial para diversas aplicações automotivas e industriais. As ligas de zinco, como a Zamak 3, oferecem fluidez superior, permitindo preencher paredes extremamente finas e criar geometrias complexas e intrincadas com acabamentos superficiais excelentes. O zinco também causa menos desgaste na matriz, resultando em maior vida útil da ferramenta. O magnésio é o mais leve entre os metais estruturais comuns, tornando-o ideal para aplicações onde a redução de peso é fundamental, ainda que possa ser mais difícil de trabalhar.

A escolha do material impacta diretamente as regras de projeto. Por exemplo, segundo diretrizes da indústria, o zinco pode ser fundido com ângulos de saída tão baixos quanto 0,5 graus e paredes mais finas, enquanto o alumínio normalmente exige 1 a 2 graus de saída e seções ligeiramente mais espessas. Ao considerar materiais para aplicações de alta tensão, particularmente no setor automotivo, também vale a pena observar que outros processos de fabricação, como forjamento, podem ser mais adequados. Por exemplo, empresas especializadas em peças forjadas automotivas de precisão podem fornecer componentes com resistência e durabilidade superiores para aplicações críticas.

A tabela abaixo compara ligas comuns de fundição sob pressão para ajudar no processo de seleção.

Equilibrando Fundição e Usinagem para o Sucesso

Em última análise, a excelência no projeto para usinagem em peças fundidas por pressão reside numa abordagem holística. Exige abandonar uma mentalidade isolada, na qual fundição e usinagem são tratadas como problemas separados. Em vez disso, os projetistas devem encará-las como duas etapas integradas de uma única estratégia de produção. Os componentes mais eficientes em custo e com melhor desempenho surgem de um projeto que acomoda com elegância as necessidades de ambos os processos.

Isso significa adotar os princípios fundamentais do DFM: buscar espessura uniforme de paredes, incorporar ângulos de saída generosos e arredondamentos, e minimizar a complexidade sempre que possível. Ao mesmo tempo, envolve planejar estrategicamente operações secundárias necessárias, adicionando sobremetal para usinagem, projetando para fixação segura e mantendo os referenciais críticos consistentes. Ao tomar decisões informadas sobre a seleção de materiais e compreender as compensações econômicas entre usinagem em baixo volume e fundição em alto volume, os engenheiros podem percorrer o caminho do protótipo à produção com confiança e eficiência.

Perguntas Frequentes

1. Qual é o erro mais comum no projeto de fundição por injeção?

O erro mais comum é ter espessura de parede não uniforme. Mudanças bruscas de seções finas para grossas causam resfriamento desigual, o que leva a uma série de problemas, incluindo porosidade, marcas de retração e tensões internas que podem comprometer a integridade estrutural da peça.

2. Quanta material deve ser deixado para uma operação de usinagem posterior?

Uma regra geral é deixar entre 0,015 a 0,030 polegadas (ou 0,4 mm a 0,8 mm) de material extra, frequentemente chamado de sobremetal de usinagem. Isso normalmente é suficiente para permitir que uma ferramenta de corte crie uma superfície limpa e precisa, sem cortar tão profundamente a ponto de expor possíveis porosidades subsuperficiais na peça fundida.

3. Por que cantos internos vivos são ruins para a fundição em matriz?

Cantos internos vivos criam diversos problemas. Eles dificultam o fluxo do metal fundido, causando turbulência e possíveis defeitos. Além disso, atuam como concentradores de tensão tanto na peça acabada quanto na própria matriz de aço, o que pode levar a trincas e falha prematura da ferramenta. O uso de concordâncias arredondadas (raios) nesses cantos é essencial para garantir qualidade e longevidade da ferramenta.