Capítulo 11 - Tecnologias de Processamento de Materiais. Como se fabricam os materiais? Metálicos Cerâmicos Poliméricos Compósitos

Capítulo 11 - Tecnologias de

Processamento de Materiais

•  Como se fabricam os materiais?

–  Metálicos

–  Cerâmicos

–  Poliméricos

–  Compósitos

Processos de fabrico de Metais

•  Forjagem •  Laminagem •  Extrusão •  Trefilagem •  Estampagem

ENFORMAÇÃO

FUNDIÇÃO

UNIÃO

OUTROS

•  Fundição em areia •  Fundição a cera perdida •  Fundição injectada •  Vazamento contínuo •  Soldadura •  Adesão •  Pulverometalurgia

Processos de fabrico de Metais - I

ENFORMAÇÃO

FUNDIÇÃO

UNIÃO

OUTROS

A_o A_d

força

matriz

bloco

força

•

Forjagem

(martelagem; em prensa)

(ferramentas, árvores de cames)

rolo

A_o Ad

rolo

•

Laminagem

(a quente ou a frio)

(perfis, carris, chapa & placa)

ENFORMAÇÃO

FUNDIÇÃO

UNIÃO

OUTROS

êmbolo _bilete contentor contentor força matriz A_o A_d extrudido

•

Extrusão

(varão, tubo, perfis)

Metais ducteis, ex. Cu, Al (quente)

força tracção A_o Ad matriz matriz

•

Trefilagem

(fio, varão)

matriz limpa e bem lubrificada

ENFORMAÇÃO

FUNDIÇÃO

UNIÃO

OUTROS

•

Estampagem ou embutição

(chapa)

ENFORMAÇÃO

FUNDIÇÃO

UNIÃO

OUTROS

•  Fundição

- vazamento de metal líquido em molde

–  metal fundido em forno, com eventual adição de

elementos de liga. Depois é

vazado

num molde

–  método barato

–  produção rápida de formas complexas

–  produtos com defeitos internos

–  boa opção para materiais frágeis

Processos de fabrico de Metais - II

•

Fundição em areia

(peças grandes, ex:

blocos de motor)

•  Metais com T_f > 1600ºC

•  Areia => barata e fácil de moldar

•  areia compactada em torno do modelo para formar a cavidade do molde

•  Superfície rugosa => operações de acabamento

Areia Areia

Metal líquido

Processos de fabrico de Metais - II

Molde gesso

em torno do modelo em cera

•

Fundição a cera perdida

(peças pequenas, formas

complexas e de precisão,

muito bom acabamento

superficial; ex: joalharia, pás

de turbina)

Operações

•  modelo da peça em cera

•  molde em gesso em torno do modelo

•  funde-se a cera ficando a cavidade no molde de gesso •  zazamento do metal líquido

cera

Processos de fabrico de Metais - II

•

Fundição injectada

(peças grandes, ligas com T

_f

baixa, grandes séries, elevada

precisão e acabamento)

Processos de fabrico de Metais - II

•

Vazamento contínuo

(biletes simples para posterior

enformação)

líquido

sólido

Processos de fabrico de Metais - II

Processos de fabrico de Metais - III

ENFORMAÇÃO

FUNDIÇÃO

UNIÃO

OUTROS

•

Soldadura

• zona termicamente afectada:

(região afectada pelo aquecimento, não funde, mas a microestrutura é alterada).

peça 1 peça 2

Metal de adição

metal base

Não afectada

Não afectada

Zona termicamente afectada

•

Adesão

•

Pulverometalurgia

(materiais com baixa ductilidade, peças muito pequenas, elevada precisão, sem acabamento) pressão calor pontos contacto a T baixa densificação por difusão a T elevada área contacto densificação

Processos de fabrico de Metais - II

ENFORMAÇÃO

FUNDIÇÃO

UNIÃO

OUTROS

pós

Operações

•  compactação do pó em molde •  densificação por sinterização (temperatura e pressão)

Capítulo 11 - Tecnologias de

Processamento de Materiais

•  Como se fabricam os materiais?

–  Metálicos

–  Cerâmicos

–  Poliméricos

–  Compósitos

Materiais Cerâmicos

VIDROS

CERÂMICOS

TRADICIONAIS

CERÂMICOS

TÉCNICOS

•  Prensagem

•  Sopragem

•  Fabrico de fibra

•  Fabrico de chapa

•  Prensagem a frio e

sinterização

•  Prensagem a

quente

Baseados em

componentes puros

Si

₃

N

₄

, SiC, & ZrO

₂

Baseados em argila,

sílica e feldspato

•  Extrusão

•  Vazamento de

suspensões

V

ia húmida

V

ia seca

•  Prensagem a frio

e sinterização

•  Prensagem a

quente

•

Volume específico

_{(1/ρ) vs Temperatura (T):}

•

Vidros

:

- não cristalizam

- variação da inclinação da curva à

temperatura de transição vítrea

,

T

g

- transparentes

não há cristais para dispersar a luz

•

Materiais cristalinos

:

- cristalizam à

T

f

- transição abrupta de volume

específico a T

f

Propriedades do Vidro

T V olume espec ífico Líquido sobrearrefecido sólido T_f Líquido (desordenado) Cristalino (ordenado) T_g Vidro (sólido amorfo)

V

iscosidade

[Pa

⋅

s]

1

10

2

10

6

10

10

10

14

200

600

1000

1400

1800

T(°C)

T amolecim : suficientemente macio

para ser enformado ou “trabalhado”

T

_f

Ponto deformação

• Viscosidade diminui com T

• Impurezas diminuem

T

amolecimento

Viscosidade do vidro vs. T e impurezas

•  silica fundida: > 99.5 wt% SiO₂

•  vidro sódico-cálcico: 70% SiO₂ bal. Na₂O & CaO

•  Vycor: 96% SiO₂, 4% B₂O₃

•  borosilicato (Pyrex): 81% SiO₂

• Prensagem:

VIDROS

preforma

molde

Prensagem

• Sopragem:

preforma

suspensa

Ar comprimido

• Produção fibras:

bobine

CERÂMICOS

TRADICIONAIS

CERÂMICOS

TÉCNICOS

•  Chapa de vidro

–

processo contínuo de “flutuação” (processo float)

Banda de vidro sai do forno e passa por rolos de laminagem sendo transportada por flutuação sobre banho de estanho fundido, onde vai arrefecendo. No final passa num forno de recozimento para relaxação de tensões

• Moagem e crivagem dos pós

• Mistura partículas com água: produz ”pasta” • Formação de componente ”verde”

êmbolo _bilete força matriz A_o A_d extrudido

•  Extrusão:

Fabrico de Cerâmicos – II (via húmida)

VIDROS

CERÂMICOS

TRADICIONAIS

CERÂMICOS

TÉCNICOS

•  Vazamento de suspensões:

Vazar suspensão no molde drenagem

do molde “cerâmico _verde” Vazar

suspensão

no molde água absorvida pelo molde _“cerâmico verde”

•

Secagem

:

Secagem e cozedura

Pasta húmida

Parcialmente seca

Cerâmica

“verde

”

• Cozedura

:

- aquecimento a 900-1400°C

-

vitrificação

: vidro liquido forma-se e flui em torno das partículas de SiO

2

Si0₂ (quartz) vidro formado em torno de partícula porcelana

Fabrico de Cerâmicos – III (via seca)

VIDROS

CERÂMICOS

TRADICIONAIS

CERÂMICOS

TÉCNICOS

•  Prensagem a frio e sinterização:

Prensagem Uniaxial

–

pó

compactado numa única direcção

Isostática

–

aplicação de

pressão

•  Sinterização

- após prensagem do pó a cápsula é colocada no forno

- a T elevada para reduzir poros (densificar)

15µm

Fabrico de Cerâmicos – III (via seca)

VIDROS

CERÂMICOS

TRADICIONAIS

CERÂMICOS

TÉCNICOS

Fabrico de Cerâmicos – III (via seca)

VIDROS

CERÂMICOS

TRADICIONAIS

CERÂMICOS

TÉCNICOS

•  Prensagem a quente:

(compactação e sinterização realizadas em simultâneo)

Uniaxial

–

pó compactado

numa única direcção a quente

Isostática

–

aplicação de

Pressão e Temperatura

Capítulo 11 - Tecnologias de

Processamento de Materiais

•  Como se fabricam os materiais?

–  Metálicos

–  Cerâmicos

–  Poliméricos

Polímero

parcialmente cristalino

Polímeros

•  Termoplásticos

–  Enformados por aquecimento

–  Podem ser reversívelmente aquecidos e

arrefecidos, i.e. reciclados

–  ex: polietileno, polipropileno, poliestireno, etc.

•  Termoendurecíveis

– 

formam-se por reacção química (cura)

– 

degradam-se quando reaquecidos

–  ex: poliuretano, resina epoxídica

•  Elastómeros

Processos de fabrico de Polímeros

•  Extrusão

•  Moldagem por sopro •  Termoenformação

•  Moldagem por Injecção

TERMOPLÁSTICOS TERMOENDURECÍVEIS

•  Moldagem por Compressão •  Moldagem por Transferência •  Moldagem por Injecção

ELASTÓMEROS

•  Extrusão •  Moldagem por Compressão •  Moldagem por Transferência •  Moldagem por Injecção

•

Extrusão

(formas contínuas: perfis, tubo, varão, folha, filme)

Processos de

fabrico de polímeros

•

Moldagem por sopro

(garrafas, reservatórios diversos, brinquedos, barcos pequenos)

Processos de

fabrico de polímeros

•

Termoenformação

(embalagens, ferramentas, brinquedos, etc)

Processos de

fabrico de polímeros

•

Moldagem por Injecção

(peças elevada qualidade, formas complexas, processo muito rápido)

Processos de

fabrico de polímeros

•  Moldagem por Compressão

(resina introduzida na cavidade do molde quente e comprimida. O

molde é aberto após cura da resina; peças grandes mas de formas

simples, necessário cortas rebarbas)

Processos de fabrico de polímeros

Processos de fabrico de polímeros

•  Moldagem por Transferência

(resina quente é introduzida numa precâmara e depois injectada na cavidade do molde fechado. O molde é aberto após cura; peças pequenas e de formas

complexas, sem rebarbas)

•

Moldagem por Injecção

(peças elevada qualidade, formas complexas, processo relativamente

rápido)

Processos de fabrico de polímeros

Capítulo 11 - Tecnologias de

Processamento de Materiais

•  Como se fabricam os materiais?

–  Metálicos

–  Cerâmicos

–  Poliméricos

Materiais Compósitos

Partículas grandes Endurecidos por Dispersão Reforçados com partículas Contínuas (alinhadas) Alinhadas Aleatórias Descontínuas (curtas) Reforçados com fibras

Laminados Painéis Sandwich Estruturais

Compósitos

Compósitos

Compósitos: Partículas

• Exemplos:

- Aço

esferoidizado

matriz: ferrite (α) (dúctil) partículas: cementite (Fe₃C) (frágil) 60_µm

- WC/Co

carbonetos

matriz: cobalto (dúctil) partículas: WC (duras, frágeis) V_m: 10-15 vol% ₆₀₀µm

- Pneus

automóvel

matrix: borracha (tenaz) Partículas C (rígidas)

•  Fibras

–  Whiskers

– pequenos monocristais – razão comprimento/diâmetro

elevada

•  grafite, SiN, SiC

•  Muito resistentes

•  Muito caras

–  Fibras

•  policristalinas ou amorfas

•  geralmente polímeros ou cerâmicos

•  Ex: Al

₂

O

₃

, Aramida, E-vidro, Boro, UHMWPE

–  Fios

•  Metal – aço, Mo, W

Reforçados com partículas

Reforçados com fibras

Estruturais

•

Fibras contínuas

alinhadas

Exemplos:

-

Metal

: γ'(Ni

3

Al)-α(Mo)

por solidificação eutéctica

matriz:

α

(Mo) (dúctil)

fibras:

γ

’ (Ni

₃

Al) (frágil)

2_µm

-

Cerâmico

: Vidro com fibras de SiC

em supensão

Reforçados com partículas

Reforçados com fibras

Estruturais

Compósitos: Fibras - II

superfície de fractura

• Fibras descontínuas, aleatórias

Exemplo: Carbono-Carbono

- usos: travões de disco,

exaustão em turbinas de gas,

cones de nariz de avião

fibras no plano

plano

C fibras: Muito rígidas e resistentes C matriz: Menos rígida Menos resistente

Reforçados com partículas

Reforçados com fibras

Estruturais

Processos de fabrico de compósitos

Matriz metálica

•  Enformação (Forjagem, laminagem, extrusão, etc)

•  Fundição

•  Pulverometalurgia (prensagem e sinterização)

Matriz cerâmica

•  Prensagem a frio e sinterização •  Prensagem a quente

Matriz polimérica

Reforçados com fibras

Estruturais

•  Deposição manual •  Pulverização

•  Embalagem em vácuo

•  Moldagem por compressão •  Moldagem por injecção

•  Moldagem por transferência •  Termoenformação

•  Pultrusão

•  Deposição manual

Deposição manual num molde de

camadas de tecido ou manta de fibras e de resina, comprimem-se as camadas com rolos e cura à T ambiente.

Aplicações: cascos de barcos, depósitos, painéis e coberturas de construção

•  Pulverização

Deposição simultânea por pulverização num molde de resina e de fibras

cortadas, comprimem-se as camadas com rolos e cura à T ambiente ou a T moderada. Aplicações: cascos de

Fabrico de compósitos de matriz polimérica

reforçados com fibras

•  Embalagem em vácuo

Deposição manual no molde de folhas de compósito pré-impregnado (resina e fibras de carbono) formando um laminado com as fibras em direcções

distintas, depois o laminado é fechado numa embalagem em vácuo e submetido a cura em autoclave (P e T elevados).

Aplicações aeronáuticas e aeroespaciais.

Fabrico de compósitos de matriz polimérica

reforçados com fibras

•  Pultrusão

Fibras contínuas passam através de banho de impregnação em

resina, sendo o compósito depois prensado e curado em forno.

Produtos contínuos: perfis, varão, chapa

Fabrico de compósitos de matriz polimérica

reforçados com fibras

•  Enrolamento filamentar

Fibras contínuas impregnadas em resina são enroladas em torno de

um madril e depois o compósito curado em estufa Ex: reservatórios de pressão, tubos

Fabrico de compósitos de matriz polimérica

reforçados com fibras

•  Processo SMC (sheet moulding compound)

Produção de folha compósita por colaminagem em contínuo de uma

camada de fibras entre 2 camadas de resina. Os rolos de folha compósita são curados e depois usados em moldagem por termoenformação.

Fabrico de compósitos de matriz polimérica

reforçados com fibras

• Laminados

Placas reforçadas com fibras, empilhadas e coladas - sequência de empilhamento: ex: 0º/90º

- anisotópico, elevada rigidez

Reforçados com fibras

Estruturais

• Painés Sandwich

- baixa densidade, interior em favo de mel - baixo peso, elevada rigidez à flexão

Favo de mel

Camada adesivo

Folha face