Algumas tecnologias de processo de manufactura

1- Resumo
Numa das várias passagens pelo departamento de materiais do LNEG, a visita que me foi apresentado o funcionamento de algumas técnicas e tecnologias de produção, tais como; sinterização directa por laser de metais (DMLS); erosão-laser, injecção de plástico, e electroerosão.
2- introdução
O objectivo de inserir as tecnologias convencionais e as novas tecnologias de produção na formação pessoal de engenharia mecânica assim como identificar as capacidades existentes nas tecnologias de produção e no desenvolvimento de materiais para prototipagem rápida. Por observação houve duas fases distintas, a primeira com uma apresentação da descrição, características e aplicações das tecnologias a observação e uma segunda fase com a observação propriamente dita aos equipamentos acima referidos, tendo alguma explicações detalhadas sobre o seu funcionamento.
3- Observação Técnica
3.1-Sinterização Directa por Laser de Metais
O processo chamado de DMLS (Direct Metal Laser Sintering), corresponde a uma sinterização directa por laser de pós metálicos e baseia-se na construção de protótipos e ferramentas de produção a partir da sinterização camada a camada de misturas de pós.
O processo DMLS permite o fabrico de peças a partir de uma geometria obtida de um ficheiro CAD - 3D realizada em computador. O equipamento DMLS do LNEG, da marca EOS, do tipo EOSINT 250M, baseia o seu funcionamento no espalhamento de pó por meio de um distribuidor sobre uma placa de aço, varrendo o feixe de laser a geometria da camada da peça a formar uma camada (Fig. 1).
a) b)
Fig. 1: Processo DMLS: a) tecnologia de sinterização directa por laser; b) sinterização de pós.
Após a sinterização da primeira camada de construção da peça, repete-se o espalhamento do pó e a sinterização, um número de vezes necessários a fazer a peça. A camada de pó utilizada depende da granulometria do mesmo (20 a 50mm), podendo variar entre 20 e 60mm.
As propriedades gerais dos materiais para sinterização por laser são:
a) temperatura de fusão; b) viscosidade da fase líquida; c) molhabilidade do sólido pelo líquido; d) absorção de energia; e) reflexão de energia; f) condutibilidade térmica.
Os materiais utilizados usualmente no fabrico de protótipos por DMLS são formados por misturas de pós metálicos dos tipos: a) base em aço Direct Steel (DS), cujos constituintes são Fe/C, Ni, Cu/P; b) base em bronze Direct Metal (DM), cujos constituintes são Cu/Sn, Ni, Cu/P.
Algumas das aplicações podem ser identificadas na Figura 2, como insertos para molde de injecção (a e b) e uma reprodução (c).
a)b)c)
Fig. 2: Aplicações: a) Inserto para molde de injecção de plástico; b) Inserto para molde de injecção de plástico; c) Reprodução de uma gravura rupestre de Foz Côa.
3.2- Materiais para DMLS
O LNEG desenvolve materiais em pó aplicados à sinterização directa por laser, como sejam as ligas de cobre nanoestruturado (Cu), as ligas de Carboneto de Tungsténio-Cobalto (WC-Co), as ligas de Carboneto de Titânio- Diboreto de Titânio (TiC/TiB2) e as ligas de aço rápido ( M3/2 HSS).
Estes materiais destinam-se à produção de eléctrodos, insertos para moldes, ferramentas de corte, ferramentas de estampagem, matrizes e moldes, através de um processo que dá anuma forma quase definitiva (Rapid Tooling).
Como exemplos dos materiais desenvolvidos apresentam-se algumas experiências realizadas (Fig. 3).
a)b)c)
Fig. 3: Materiais desenvolvidos para DMLS: a) liga de Cu; b) WC-Co; b) liga de TiC/TiB2; c) aço rápido M3/2.
3.3- Erosão-Laser
A tecnologia de Erosão por Laser 3D baseia-se na incidência de um feixe de laser sobre o material a cortar da qual resulta a fusão e volatilização (Fig. 4a) e realiza-se num máquina DECKEL MAHO DML 40SI
(Fig. 4b).
A maquinação das formas e detalhes é feita camada a camada.
a)b)
Fig. 4: Erosão laser: a) processo; b) equipamento.
As características gerais da máquina observada são: a) fabrico paredes verticais; b) utiliza ficheiros STL; c) dimensão da mesa de trabalho- 400 x 300mm; d) distância de focagem- 50mm; e) peso máximo admissível sobre a mesa 50kg; f) distancia entre varrimentos Hatching- 10 a 15mm; g) velocidade de varrimento entre 100 a 1000mm/s.
a)b)c)
Fig. 5: Aplicações produzidas por erosão-laser: a) cavidade (aço); b) cavidade (aço); c) eléctrodo (cobre).
Algumas das aplicações industriais já produzidas pela UTP são as que apresentam na Figura 5: cavidade de paredes verticais em aço (Fig. 5a); cavidades em aço em forma complexa (Fig. 5b) e eléctrodos em cobre (Fig, 5c).
3.4- Injecção de Plástico
A moldação por injecção é um processo produtivo industrial, que permite produzir peças em vidro ou em plástico a partir da injecção material em estado líquido em moldes especialmente concebidos para o efeito. No caso do plástico e em particular da máquina Battenfeld BA200 (Fig. 6a), uma máquina de 20ton de força de fecho e 24 gr de material de enchimento, as partículas de material polimérico vão para o doseador, que através de um sistema rotativo, são injectadas no molde (Fig. 6b).
a)b)
Fig. 6: Moldação por injecção de plástico: a) máquina Battenfeld; b) esquema do processo.
3.5- Electroerosão
A maquinagem por electroerosão de penetração é identificado por EDM (EDM- Electro Discharge Machining) e corresponde a um processo de corte e remoção de material por erosão resultante da fusão do material da peça obtida após descargas eléctricas entre o eléctrodo e a peça (Fig. 7a).
a)b)c)
Fig. 7: Electroerosão de penetração: a) processo; b) descarga eléctrica; c) máquina Z+K.
A máquina da UTP da marca ZIMMER+KREIM e do tipo GENIUS ECO 600 (Fig. 7b) tem as seguintes características principais: a) potência 45A; b) curso 350x250x315mm (X, Y, Z); c) resolução1mm; d) protocolo TCP/IP.
A eficiência mecânica de funcionamento de uma máquina de electroerosão é medida pelos seguintes parâmetros: a) taxa de remoção de material (MRR (mm3/min)= Vw / ttotal); b) taxa de desgaste do eléctrodo (TWR (%) = Vc / Vw); c) rugosidade da superfície (Ra, Rz, Rmed (mm)).
a)b)c)
Fig. 8: Aquisição de sinal: a) osciloscópio; b) sonda de corrente e amplificador; c) sonda diferencial de alta tensão.
A eficiência eléctrica de funcionamento é medido por uma sonda de corrente e amplificador com largura de banda (-3db), DC - 100MHz corrente máxima e 30A/ 5A (Fig. 8a) e uma sonda diferencial de alta tensão com 1kV de tensão máxima e 100MHz de largura de banda (Fig. 8b). O registo e tratamento dos dados é feito num osciloscópio com 500 Mhz de largura de banda, 4 canais verticais, 1,25 Ghz de taxa de amostragem/canal e 16 MB de memória de aquisição (Fig. 8c).
Agradecimentos
Agradeco as pessoas com quem tive a oportunidade de trabalhar LNEG.
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