Modelagem e Prototipagem Rápida

A simulação da solidificação foi aplicada inicialmente na década de 80 na obtenção de grãos equiaxiais em fundidos de precisão, sendo empregada para simular a solidificação direcional e obtenção de monocristais. Nos anos 90, simuladores comerciais tornaram-se disponíveis e estudos de sucesso foram registrados (TU et al, 1995).

Até 1995, somente parte dos fenômenos físicos foi analisada, comprometendo a precisão dos resultados. Segundo Tu et al (1995) esta situação está mudando através da aplicação do sistema de desenho assistido por computador (CAD) e da análise por elementos finitos (FEA) integrados, subdividida em etapas básicas que vão desde a transferência dos dados eletrônicos até o pós-processamento dos elementos finitos. Esta ferramenta pode reduzir o tempo de construção de modelos de componentes aeroespaciais, de duas semanas para dois dias. O modelo também prevê a transferência de calor, fluxo do metal e cálculos de tensões para um determinado recobrimento. Tem sido incorporada a modelagem matemática da microestrutura do fundido na simulação. Correlações empíricas e/ou teóricas entre microestrutura e propriedades poderão ser determinadas (TU et al, 1995).

Liang et al (2004) também mostraram que a técnica de simulação da solidificação é uma ferramenta poderosa para compreensão da solidificação e da formação de defeitos na estrutura dos monocristais das palhetas de turbina que são produzidas

pelo processo de fundição de precisão. Obtiveram resultados de cálculos coincidentes com os experimentais.

Gebelin et al (2000) têm aplicado a modelagem matemática nas seguintes etapas do processo de fundição de precisão:

Injeção do modelo de cera – A simulação numérica permite determinar as dimensões finais e defeitos superficiais no modelo de cera. Para a previsão do fluxo e solidificação da cera durante a injeção, os seguintes parâmetros são considerados: viscosidade aparente, compressibilidade, capacidade térmica, condutividade térmica, coeficiente de transferência de calor para a matriz, contração, capacidade e condutividade térmica da matriz;

Deceragem – O principal objetivo da modelagem matemática na etapa de deceragem é prever o aparecimento de trincas na casca visando alterar, se necessário, o projeto do cacho de cera. Os fenômenos a serem considerados são: expansão e fluxo da cera; transferência de calor pelo vapor, casca e cera; comportamento mecânico da casca; vaporização/condensação do vapor e penetração do vapor condensado na casca. Os modelos necessários são: transferência de calor no sistema, mudança de estado da cera, mudança de estado da água (vapor/líquido) e reologia da cera;

Fundição – A produção de peças com geometrias complexas e seções finas desperta interesse em melhorar o controle de fluxo do metal líquido durante o preenchimento do molde. Tem sido investigado como os filtros cerâmicos interferem no fluxo de metal no processo de fundição de precisão, comparando-se com outros processos. Durante o vazamento em moldes de areia, ocorre solidificação parcial de metal no filtro, reduzindo a taxa de fluxo. Entretanto, no processo de fundição de precisão, a casca e o filtro são aquecidos, reduzindo ou eliminando a solidificação no filtro.

A aplicação da modelagem para modelos de cera tem permitido à empresa Howmet Corporation reduzir os ciclos de desenvolvimento de novos produtos. Tom (1998) ilustra a aplicação da técnica denominada por CAPM (modelagem de protótipos assistida por computador) na produção de um modelo para uma peça única de helicóptero fundida em titânio, substituindo 43 itens produzidos separadamente. A

aplicação de ligas à base de titânio tem ocorrido graças à utilização da modelagem e prototipagem rápida.

Harum e Gethin (2008) estudaram a simulação da secagem de casca cerâmica através de um modelo de transferência de calor e de massa. Considerando os mecanismos de transporte de vapor e gás, obtiveram resultados satisfatórios para secagem de materiais porosos e compararam com outros trabalhos anteriormente realizados na mesma área.

Prototipagem Rápida

Em diversas aplicações industriais, no estágio de projeto torna-se necessário a obtenção de um determinado número de protótipos de peças metálicas. Quando tais protótipos tinham que ser produzidos em metal, geralmente era necessário utilizar usinagem em máquina CNC ou utilizar o processo de fundição de precisão, sendo que este último exigia a produção de matrizes para produção dos modelos de cera. Em ambos os casos, o tempo de processamento e o custo são consideravelmente elevados, tornando-se difícil amortizar o custo para apenas um número reduzido de peças (BLAKE et al, 1994).

A queima de modelos de resina utilizando fornos do tipo “flash fire” é extremamente efetiva. A empresa “Pacific Kiln and Insulation Co” (PKI), testou modelos (protótipos) produzidos com uma das resinas Quickcast – SL5170 – e observou que as cascas cerâmicas estavam sem microfissuras evidentes e com pouco ou quase nenhum depósito de cinza (BLAKE et al, 1994). Os modelos Quickcast apresentam tendência a absorver umidade e se tornarem macios, dificultando o uso na fundição de precisão e necessitando de embalagens especiais (WAHLGREN et al 2000).

Pesquisas com polímeros fotossensíveis e resinas para modelos de dentes também têm sido realizadas (DORMAL, 2003).

A prototipagem rápida e a fundição de titânio são utilizadas para produzir réplicas de ossos humanos, visando ao aumento da vida útil dos implantes. A tecnologia de prototipagem rápida é ideal para criar reproduções complexas e exatas de estruturas humanas, porque não exige ferramental específico para a peça e modelos físicos.

Dados da geometria são adquiridos utilizando imagens de ressonância magnética (MRI), tomografia computadorizada (CT), raios X ou laser e convertidas em um modelo no computador usando software adequado. O modelo é então construído em camadas. Na sinterização por laser seletivo (SLS), o processo de produção da camada utiliza um pó que é sinterizado pelo laser no formato desejado (WHOLERS, 2003).

Moldes de pó de zircônia estabilizada e um aglomerante de copolímero também foram construídos usando SLS. O aglomerante é removido e substituído por zircônia não estabilizada. Segundo os autores, qualquer osso poderia ser reproduzido em um implante de titânio (WHOLERS, 2003).

Um processo de prototipagem rápida combinando as técnicas de estereolitografia (SL) e gel-casting foi desenvolvido com sucesso para a produção de palhetas de turbinas com furos não convencionais. A integridade do molde cerâmico foi obtida através de um processo de secagem rápida (freeze-drying). Este novo processo apresenta diversas vantagens como: menor tempo de processamento, custos mais baixos e maior rendimento da produção; sendo interessante para desenvolvimento de novos produtos, de peças únicas ou de produção reduzida (WU et al, 2010).

Uma idéia original que resultou em patente em dezembro de 1991, é a obtenção de modelos em gelos. A partir de um modelo original produzido por usinagem ou prototipagem rápida, é produzido um molde de borracha de silicone. Uma solução de água é vazada dentro do molde de borracha, que então é congelado. A secagem das camadas da casca cerâmica é realizada em uma câmara a temperaturas abaixo de 0o_{C. Todas as imersões e estucagens são realizadas por robôs. Após término dos} revestimentos, a casca contendo o modelo de gelo é levada à temperatura ambiente ou colocada em um forno a baixas temperaturas para saída da água. A casca é então sinterizada e vazada. A limpeza das peças fundidas é realizada por métodos tradicionais (YODICE, 1998).

Esta idéia traz consigo uma série de questionamentos e desafios, discutidos por Yodice (1998) como, por exemplo, a expansão da água ao congelar, as trincas que devem ser evitadas devido à presença de tensões induzidas dentro do modelo de gelo

e o controle da quantidade de ar dentro do gelo através da variação do tipo e da quantidade de aditivos para a água.

José et al (2006) também desenvolveram moldes sólidos usando modelos de gelo e contribuíram para o desenvolvimento de moldes em cascas, produzindo diversas peças fundidas em várias dimensões e geometrias, contendo detalhes. Os estudos comparativos mostraram precisão e repetibilidade do processo.

Harrington e Dzugan (2006) estudaram a possibilidade de substituição de modelos de cera por modelos evaporativos, desenvolvendo formulações contendo vários tipos de polímeros que resultam em modelos de baixo custo, estáveis, em termos de dimensões, passíveis de serem submetidos aos métodos convencionais de moldagem por casca e eliminação em autoclave. Os modelos visam à produção de componentes para motores a jato.