Projetando designs de fundidos em molde permanente com mais eficiência

A fundição oferece uma solução para a produção eficiente de peças complexas, geralmente atendendo todos os requisitos de estabilidade e peso. O processo de fundição gera desperdícios mínimos quando comparados com processos como a usinagem e, envolve custos com ferramentas significativamentes mais baixos do que a produção de componentes a partir de plásticos reforçados com fibra de carbono. O processo tradicional através do método de tentativa e erro ou a produção de amostras com uso intensivo de energia podem resultar em longos tempos de desenvolvimento, tornando os projetos inadequados, principalmente quando o tempo e os custos são essenciais. Um usuário habilidoso e experiente pode reduzir o tempo de desenvolvimento e o número de protótipos fundidos com uso intenso de energia, permitindo que as fundições cumpram apertados cronogramas e obtenham uma produção eficiente.

Restrições de tempo são um desafio comum nas fundições. Neste exemplo, a Rosenbauer teve como objetivo desenvolver e produzir um carro de bombeiros com motor híbrido dentro de dois anos. O veículo precisa ser leve e, também, manter sua integridade física para atender os parâmetros de seguranças e os padrões de veículos híbridos. Um carro de bombeiro mais leve aumenta a autonomia da bateria e melhora a agilidade do veículo, o que é particularmente benéfico em áreas de tráfego urbano. 

O time de desenvolvimento optou por utilizar o processo de fundição para produzir a moldura das portas. Eles rejeitaram a fresagem devido ao excesso de material desperdiçado e a baixa velocidade de processamento. Eles também decidiram não seguir com plásticos reforçados com fibra de carbono devido a custos proibitivos e ferramentaria de manufatura.

A empresa Mattec enfrentou o desafio de atendem as apertadas tolerâncias de produção, em uma curta janela de tempo. Para alcançar essas tolerâncias e para garantir um bom custo benefício para um volume de produção limitado, o time decidiu por usar o processo de fundição em molde permanente. Eles usaram um modelo CAD do antigo design da porta como base para o novo processo de manufatura.

Fechando portas antigas – Ajustando o design e a alimentação.

O design da moldura original possui um elemento em formato de X para estabilização. Contudo, as simulações iniciais mostraram que isso seria inviável para o fundido devido a rechupes significativos (Fig. 1), que poderiam compremeter a integridade estrutural da porta e aumentariam a taxa de refugo durante a produção.

Fig. 1: A simulação inicial do design original da porta mostra problemas de rechupes.

Fig. 1: A simulação inicial do design original da porta mostra problemas de rechupes.

A Mettec teve a oportunidade de modificar o design, desde que a estabilidade e o peso da peça estivessem garantidos e, o mais importante, que eles iriam ser capazes de aderir ao apertado cronograma.

Os especialistas propuseram um design com formato em S (Fig. 2) para criar um caminho de alimentação mais eficiente, visando reduzir os rechupes. Essa mudança de design mantém a integridade estrutural do componente, reduz  gastos de materiais, torna a porta mais leve, mais econômica e mantém a sua estabilidade.

Fig. 2: O novo design reduz gastos de materiais, mantendo a estabilidade da porta.

Fig. 2: O novo design reduz gastos de materiais, mantendo a estabilidade da porta.

Posteriormente, o time focou em otimizar os massalotes. Eles simularam a solidificação em duas condições diferentes (Fig. 2 esquerda: posição 1 da bacia de vazamento; Fig.2 direita: posição 2 da bacia de vazamento). Contudo, para ambas condições, a simulação mostrou uma tendência de rechupes no fundido, elevando o risco de aumentar a taxa de refugo ou de comprometer a estabilidade dos componentes.

Para reduzir as porosidades, os fundidores combinaram os dois sistemas de alimentação, colocando um total de 16 massalotes ao longo do modelo. Eles aumentaram o tamanho dos massalotes nas localidades onde a maioria dos rechupes se concentraram anteriormente, em especial na região de intersecção do S interno com a estrutura. A simulação de solidificação com essa configuração de massalotes mostrou uma melhora significativa, embora algumas areas do fundido ainda apresentem tendência de rechupes (Fig. 3).

Fig. 3: As opções de massalotagem da Fig. 2 foram combinadas e alguns massalotes tiveram seus tamanhos aumentados individualmente. Contudo, os especialistas não estavam completamente satisfeitos com o resultado.

Fig. 3: As opções de massalotagem da Fig. 2 foram combinadas e alguns massalotes tiveram seus tamanhos aumentados individualmente. Contudo, os especialistas não estavam completamente satisfeitos com o resultado.

Para eliminar completamente os rechupes e, assim, assegurar os requerimentos de estabilidade, os fundidores adicionaram massalotes em cada um dos suportes da estrutura em S (Fig. 4). Os resultados da simulação confirmaram que essa configuração final iria prevenir a tendência de rechupes no fundido de forma eficiente no longo prazo. Com esse conhecimento, os especialistas da Mettec produziram o molde utilizando o sistema de alimentação otimizado.

Fig. 4: Design final dos massalotes, garantido a prevenção de porosidades em longo prazo.

Fig. 4: Design final dos massalotes, garantido a prevenção de porosidades em longo prazo.

Ajustando a nova porta – Eliminação de defeitos de fundição, garantindo a Qualidade.

O time da fundição poderia utilizar o primeiro lote de peças fundidas para teste com sucesso. Entretanto, eles tiveram que refugar algumas peças individuais devido à falhas de preenchimento (Fig 5.). Para identificar os defeitos, determinar as suas causas principais e definir medidas a serem tomadas, a Mettec simulou o processo completo, com os parâmetos reais de produção. A simulação de preenchimento do molde (Fig 4.) revelou uma frente de fluxo de metal frio no centro da área estrutural, levando o time a suspeitar, inicialmente, de um defeito de junta fria.

Fig. 5: Sob condições reais de fundição, refugos ocorreram.

Fig. 5: Sob condições reais de fundição, refugos ocorreram.

Investigações adicionais mostraram que baixas temperaturas do molde ou preenchimento lento não eram causas destes defeitos. Com isso, observou-se que a causa dos refugos foi uma ventilação inadequada, mudando a suposição de problemas de junta fria para aprisionamento de ar. Para previnir o defeito, A Mettec texturizou a superfície do molde e adicionou novos vents, resultando numa produção seriada livre de defeitos.

Fig. 6: Uma texturização superficial e a adição de novos vents eliminou os defeitos, permitindo uma produção seriada livre de defeitos.

Fig. 6: Uma texturização superficial e a adição de novos vents eliminou os defeitos, permitindo uma produção seriada livre de defeitos.

Eliminação ágil de defeitos – e a prevenção dos mesmos em longo prazo

Inicialmente, os desenvolvedores do veículo tiveram medo de que um design robusto ou até mesmo que a produção robusta do fundido em um cronograma tão apertado seria impossível. Todavia, as preocupações eram infundadas: os fundidores puderam ajustar o design do fundido rapidamente, garantindo que a peça permaneceria estável, usando ainda menos material. Eles desenvolveram um processo de fundição robusto e eliminaram defeitos inesperados, sem comprometer o cronograma. Isso permitiu que os desenvolvedores do veículo se beneficiassem de um processo de produção que reduziu tempo e custos.

Eventualmente, o time teve sucesso em produzir peças fundidas com baixo peso que agora ajudam os bombeiros a chegarem aos locais mais rapidamente. A simulação do processo de fundição foi crucial para se alcançar rapidamente um processo robusto.