O que é a fundição por cera perdida?

A maioria dos compradores não se interessa pela fundição por cera perdida porque gosta de estudar os processos de fundição. Normalmente, chegam com um problema.

A produção de um conjunto soldado está a demorar demasiado tempo. Os custos de maquinagem continuam a aumentar. Uma peça apresenta uma curva complexa que é difícil de fresar. Ou talvez o fornecedor atual consiga fabricar o componente, mas não com a consistência necessária.

É aí que vale a pena abordar a fundição por cera perdida.

Fundição por cera perdida, também conhecido como fundição por cera perdida, é um processo de conformação de metais utilizado para produzir peças com formas complexas, detalhes finos, tolerâncias relativamente apertadas e um acabamento superficial liso. É frequentemente utilizado para válvulas de aço inoxidável, impulsores de bombas, suportes para a indústria automóvel, instrumentos médicos, peças de turbinas, acessórios náuticos, componentes de maquinaria industrial e muitos outros produtos que, de outra forma, exigiriam várias etapas de fabrico.

A resposta rápida é simples: faz-se um modelo em cera, que é revestido com cerâmica, a cerâmica é removida por fusão e substituída por metal fundido.

Parece fácil.

Não é.

A qualidade final depende de dezenas de pequenas decisões, desde a temperatura da cera e o tempo de secagem do molde até à composição química da liga, à temperatura de vazamento, ao desenho da entrada de vazamento, à velocidade de arrefecimento e ao acabamento. Uma boa fundição faz com que estas variáveis pareçam invisíveis. Uma fundição de má qualidade, por sua vez, costuma dar a conhecer essas variáveis ao cliente, um defeito de cada vez.

Como funciona a fundição por cera perdida?

O processo começa com um modelo em cera.

Para a produção em série, a cera fundida é injetada num molde metálico. A peça de cera resultante tem uma forma quase idêntica à da peça fundida final, embora seja necessário incluir tolerâncias dimensionais para compensar a contração do metal e o acabamento posterior.

Em seguida, vários moldes de cera são fixados a um canal central de cera. Os trabalhadores da fundição costumam chamar a este conjunto de “árvore”, porque as peças individuais se estendem a partir do canal principal como se fossem ramos.

Esta é uma daquelas etapas que parece estranhamente simples quando se visita uma fábrica. As pessoas estão a montar peças de cera à mão, a verificar as juntas, a ajustar o espaçamento e a reparar pequenas marcas na superfície. Não parece ser algo particularmente de alta tecnologia.

No entanto, uma árvore de cera mal montada pode causar problemas de alimentação mais tarde.

A árvore é mergulhada numa pasta cerâmica líquida e, em seguida, revestida com areia refratária. Depois de uma camada secar, é aplicada outra camada. O processo repete-se até que a estrutura seja suficientemente resistente para conter o metal fundido.

E a secagem demora algum tempo.

Isto é algo que as equipas de compras nem sempre gostam de ouvir, especialmente quando um projeto já está atrasado. Nem sempre é possível apressar a produção do invólucro cerâmico. A temperatura e a humidade afetam a forma como as camadas secam, e uma fissura aparentemente insignificante pode transformar-se num defeito grave da peça fundida durante o processo de vazamento.

Uma vez, assistimos a um atraso num projeto porque o cliente tinha aprovado o utilhário, mas alterou a espessura de uma parede após os primeiros ensaios com a carcaça. No desenho, a alteração parecia insignificante. Na produção, alterou o fluxo do metal, o comportamento de arrefecimento e a posição ideal do ponto de injeção. A equipa de conceção precisou de realizar mais uma ronda de ensaios.

O cliente não ficou satisfeito.

A fundição também não.

Mas ainda assim era mais barato do que descobrir o problema depois de já terem sido produzidas vários milhares de peças.

Assim que a concha estiver concluída, é aquecida para que a cera derreta e escorra. A cavidade cerâmica vazia é então cozida a alta temperatura para remover resíduos e aumentar a resistência da concha.

O metal fundido é vertido para dentro do molde quente, seja por gravidade, com a ajuda do vácuo, por força centrífuga ou por outro método controlado, dependendo do material e do componente.

Depois de o metal arrefecer, a camada cerâmica é removida. As peças fundidas são separadas da árvore de fundição, retificadas, submetidas a jato de areia, tratadas termicamente, endireitadas, maquinadas, polidas, passivadas, revestidas ou inspecionadas, conforme necessário.

Nesta fase, algumas partes já estão quase concluídas.

Outros ainda têm um longo caminho a percorrer.

Isso depende do desenho.

Que materiais podem ser utilizados na fundição por cera perdida?

Uma das razões pelas quais a fundição por cera perdida é tão amplamente utilizada é o facto de poder ser aplicada a muitas ligas diferentes, incluindo materiais que são difíceis de processar através da fundição sob pressão.

O aço inoxidável continua a ser uma das opções mais comuns. Oferece resistência à corrosão, robustez e um aspeto elegante, o que o torna adequado para equipamento alimentar, bombas, válvulas, acessórios náuticos, ferragens de arquitetura e produtos médicos.

O aço ao carbono é frequentemente escolhido para peças industriais de uso geral, em que a resistência é mais importante do que a resistência à corrosão. Os aços ligados podem oferecer melhor resistência ao desgaste, tenacidade ou resistência ao calor.

O alumínio é utilizado quando a redução de peso é importante.

As ligas à base de níquel e de cobalto são utilizadas em aplicações de alta temperatura, na área médica, no setor aeroespacial e no setor energético, embora exijam um controlo de processo muito mais rigoroso. Estes materiais são caros e ninguém gosta de transformar uma liga cara em sucata.

Material	Motivos comuns para a sua utilização	Produtos típicos
Aço inoxidável	Resistência à corrosão, resistência mecânica, aspeto	Válvulas, impulsores, equipamento alimentar, acessórios náuticos
Aço ao carbono	Resistência com boa relação custo-benefício	Peças de maquinaria, suportes, alavancas, componentes estruturais
Aço ligado	Resistência ao desgaste, tenacidade, comportamento à fadiga	Engrenagens, peças para serviços pesados, equipamento de mineração
Liga de alumínio	Baixo peso, boa resistência à corrosão	Caixas, suportes, componentes automóveis
Latão e bronze	Aspecto, condutividade, resistência à água do mar	Ferragens decorativas, artigos de canalização e peças náuticas
Liga à base de níquel	Desempenho a altas temperaturas e resistência à corrosão	Peças para turbinas, energia e processamento químico
Liga à base de cobalto	Resistência ao desgaste e ao calor	Aplicações nas áreas médica, aeroespacial e de corte

A escolha do material não deve basear-se apenas no que é possível fundir.

A questão mais importante é o que a peça tem de fazer.

Um cliente pode solicitar aço inoxidável 316 simplesmente porque soa melhor do que o 304. Isso não significa automaticamente que seja a escolha correta. Em algumas aplicações, o 304 é perfeitamente adequado. Noutras, mesmo o 316 pode não oferecer resistência suficiente ao calor, à exposição ao cloreto, aos ácidos ou ao desgaste.

Do ponto de vista da engenharia, o melhor material não é a liga mais cara. É a liga que proporciona o desempenho necessário sem acarretar custos desnecessários nem dificuldades de produção.

Isso parece óbvio.

É surpreendentemente fácil esquecer-se disso durante o desenvolvimento do produto.

Quais são as vantagens e desvantagens da fundição por cera perdida?

A maior vantagem da fundição por cera perdida é a liberdade de conceção.

Permite criar curvas, secções finas, passagens internas, recortes, letras, logótipos, splines e transições complexas que seriam dispendiosas ou impraticáveis de usinar a partir de material maciço.

Também pode combinar várias peças num único componente.

Um fabricante de bombas, por exemplo, pode substituir um conjunto de impulsor soldado por um obtido por fundição de precisão. A própria peça fundida pode custar mais do que uma peça estampada ou maquinada, mas a comparação torna-se muito diferente quando se incluem a soldadura, o alinhamento, o polimento, os testes de estanqueidade, a inspeção e o retrabalho.

É aqui que as citações podem induzir em erro.

Um preço mais baixo dos componentes nem sempre significa um custo de fabrico mais baixo.

Num projeto do setor das bombas, um conjunto era originalmente composto por várias peças de aço inoxidável soldadas em torno de um cubo central. O processo de soldadura era lento e a deformação térmica afetava o acabamento final. A peça de fundição por cera perdida redesenhada reduziu o número de etapas de fabrico e facilitou o controlo dimensional.

As primeiras amostras de fundição não ficaram perfeitas. Foi necessário ajustar a espessura da lâmina e, numa das áreas, verificou-se um enchimento incompleto durante os primeiros ensaios.

Após essas correções, o processo tornou-se muito mais estável do que o modelo soldado.

Esse é o lado menos glamoroso das histórias sobre a indústria transformadora. As conversões bem-sucedidas requerem, muitas vezes, duas ou três fases de trabalho de engenharia antes de se começarem a ver poupanças.

A fundição por cera perdida também proporciona um bom acabamento superficial e um controlo dimensional relativamente rigoroso, em comparação com a fundição em areia. Em muitos casos, a maquinagem pode limitar-se às superfícies de vedação, aos locais dos rolamentos, aos furos de precisão ou às características críticas de montagem.

No entanto, a fundição por cera perdida tem desvantagens.

Os custos com ferramentas são superiores aos de alguns processos de baixo volume. Os prazos de produção podem ser mais longos, uma vez que a injeção de cera, a construção do molde, a secagem, o vazamento, o tratamento térmico e a inspeção são processos que demoram tempo. Peças muito grandes ou muito simples podem ser mais baratas de produzir recorrendo à fundição em areia, à fabricação, à forja, à estampagem ou à maquinagem direta.

Pessoalmente, achamos que a fundição por cera perdida é, por vezes, sobrevalorizada.

Se uma peça for um bloco retangular simples com três orifícios, provavelmente não há motivo para construir um molde de cera e uma concha cerâmica à sua volta. A usinagem pode ser mais rápida e mais económica.

O processo faz sentido quando a complexidade, o desempenho do material, a repetibilidade, a redução da maquinação ou a consolidação de peças geram valor suficiente para o justificar.

A fundição por cera perdida é frequentemente uma boa opção quando…	Outro processo pode ser mais adequado quando…
A geometria é complexa	A peça é extremamente simples
É possível combinar várias peças numa só	A quantidade produzida é muito baixa
O acabamento da superfície é importante	O componente é muito grande
A usinagem desperdiçaria material caro	De qualquer forma, as tolerâncias exigem uma usinagem extensiva
É necessário utilizar aço inoxidável ou ligas resistentes a altas temperaturas	É necessária uma produção de alumínio em volumes muito elevados

Não existe um processo de fabrico perfeito.

Só há uma questão de se adequar melhor ou pior.

Fundição por cera perdida vs. fundição sob pressão: qual é a diferença?

Tanto a fundição por cera perdida como a fundição sob pressão permitem produzir componentes detalhados com superfícies atraentes, mas as considerações económicas e as limitações dos materiais são diferentes.

Fundição injectada injeta metal fundido num molde de aço reutilizável sob alta pressão. O processo é rápido e altamente adequado para grandes volumes de produção. É frequentemente utilizado para componentes de alumínio, zinco e magnésio, tais como caixas, tampas, suportes, estruturas automóveis, produtos de consumo e caixas de equipamentos eletrónicos.

A fundição por cera perdida utiliza um molde cerâmico descartável em cada ciclo de vazamento. Isso torna o processo mais lento, mas permite também a utilização de aço inoxidável, aço ao carbono, aço-liga, ligas de níquel e outros metais resistentes a altas temperaturas que, geralmente, não são adequados para a fundição sob pressão convencional.

As ferramentas de fundição sob pressão são, normalmente, mais caras. No entanto, quando a produção atinge um volume muito elevado, o seu curto tempo de ciclo pode reduzir significativamente o custo unitário.

A fundição por cera perdida é mais flexível em quantidades pequenas e médias, especialmente quando a peça é complexa ou a liga tem um ponto de fusão elevado.

Fator	Fundição por cera perdida	Fundição injectada
Bolor	Concha cerâmica descartável	Matriz de aço reutilizável
Materiais comuns	Aço, aço inoxidável, níquel, cobalto, alumínio, bronze	Alumínio, zinco, magnésio
Volume típico	Baixa a média, por vezes elevada	Médio a muito elevado
Custo das ferramentas	Moderado	Elevado
Velocidade do ciclo	Relativamente lento	Muito rápido
Complexidade do projeto	Excelente	Muito bom
Ligas resistentes a altas temperaturas	Adequado	Normalmente, não é adequado

Muitos fabricantes de veículos elétricos recorrem à fundição sob pressão para peças estruturais grandes de alumínio, uma vez que a rapidez, o peso e o volume são fatores importantes. A tendência já bem conhecida para peças fundidas de alumínio grandes e integradas é um bom exemplo disso.

No entanto, um veículo elétrico continua a conter muitos componentes mais pequenos em aço ou aço inoxidável.

Essas peças podem ser mais adequadas para fundição por cera perdida, forjamento, maquinagem, estampagem ou moldagem por injeção de metal. O processo correto depende do tamanho da peça, da liga, da procura anual, das tolerâncias, da carga mecânica e da quantidade de trabalho secundário.

“Qual é o melhor processo?” é, normalmente, a pergunta errada.

“Qual é o melhor processo para esta peça?” é uma pergunta muito mais útil.

Que produtos são fabricados por fundição de precisão?

A variedade é maior do que a maioria das pessoas imagina.

A fundição por injeção é utilizada para fabricar corpos de válvulas, acessórios para tubagens, carcaças de bombas, impulsores, balancins, forquilhas de mudanças, peças para turbocompressores, componentes de fecho, instrumentos cirúrgicos, componentes ortopédicos, componentes para armas de fogo, peças para o processamento alimentar, pás de turbina, ferragens náuticas, componentes para ferramentas manuais, peças para máquinas têxteis, ferragens para portas, acessórios ferroviários e máquinas agrícolas peças.

Até as cabeças dos tacos de golfe são normalmente fabricadas desta forma.

Algumas aplicações exigem resistência. Outras requerem resistência à corrosão, um aspeto limpo, uma forma interna complexa ou uma redução do trabalho de maquinagem.

Os instrumentos médicos são um bom exemplo. As peças podem ser pequenas, mas a qualidade da superfície e a repetibilidade são extremamente importantes. Uma aresta irregular que seria irrelevante num suporte agrícola pode ser inaceitável num instrumento cirúrgico.

Os acessórios náuticos colocam um problema diferente. O produto pode parecer decorativo, mas também tem de resistir à água, ao sal, à carga e ao uso repetido. A composição química do material e o tratamento da superfície tornam-se tão importantes quanto a forma da peça fundida.

As válvulas e bombas industriais constituem outra área importante. As suas passagens de fluxo podem ser complexas e o custo de uma avaria é, muitas vezes, muito superior ao custo do próprio componente.

Isso muda completamente a perspetiva.

Os clientes destes setores costumam dar importância aos certificados de materiais, aos ensaios de pressão, aos relatórios dimensionais, ao controlo de defeitos e à rastreabilidade. Não estão simplesmente a comprar uma peça de metal.

Estão a adquirir um desempenho previsível.

Como escolher o fabricante certo de fundição por cera perdida

Uma brochura da fábrica com um aspeto apelativo não indica se uma fundição é capaz de produzir a sua peça de forma consistente.

Uma cotação baixa também não.

Comece pelo material. Certifique-se de que o fornecedor produz regularmente a liga de que necessita e que pode fornecer registos da composição química, resultados de ensaios mecânicos e números de lote, sempre que necessário.

Em seguida, analise as suas capacidades de processo.

O fabricante controla internamente a injeção de cera, a construção do molde, a fusão, o vazamento, o tratamento térmico, a maquinagem e a inspeção? A subcontratação não é, por si só, algo negativo, mas um número excessivo de fornecedores não controlados pode tornar mais difícil identificar a origem dos problemas de qualidade.

O equipamento de inspeção também é importante. Uma CMM é útil, mas ter uma não é o mesmo que saber quais as dimensões que devem ser controladas. O fabricante deve compreender os sistemas de referência, as margens de usinagem, as tolerâncias geométricas, as tolerâncias de fundição e a diferença entre uma característica crítica e uma característica decorativa.

Pergunte como é que o fornecedor lida com novos produtos.

A empresa analisa o desenho antes de apresentar o orçamento? Aborda questões como a espessura das paredes, os filetes, os ângulos agudos, a alimentação, a contração, as marcas de entrada, o endireitamento, os pontos de referência para maquinagem e os métodos de inspeção?

Ou limita-se a enviar um preço?

Constatámos que a qualidade das perguntas que um fornecedor faz durante a fase de orçamentação é, muitas vezes, uma boa indicação do que será a colaboração mais tarde.

Um fabricante competente pode questionar parte do desenho. Isto pode parecer inconveniente, especialmente quando o projeto já passou por vários departamentos internos. No entanto, um fornecedor que identifica um risco de fundição antes da produção das ferramentas é, normalmente, mais valioso do que aquele que concorda com tudo e só explica o problema depois de a produção ter começado.

Deve também avaliar a capacidade de forma realista.

Uma fundição pode produzir amostras de excelente qualidade, mas ter dificuldades quando a encomenda passa de 100 para 5 000 peças por mês. Uma produção estável requer mais do que técnicos qualificados. Exige matérias-primas controladas, preparação repetível das formas, gestão dos fornos, planos de inspeção, manutenção, operadores com formação e documentação rigorosa.

Por fim, preste atenção à comunicação.

Este aspeto pode parecer menos importante quando comparado com a composição química das ligas e a inspeção por raios X, mas afeta praticamente todos os projetos. Os desenhos mudam. Os prazos de entrega sofrem alterações. As dimensões de maquinagem são mal interpretadas. Os requisitos de embalagem são comunicados tardiamente. Por vezes, o cliente envia uma revisão antiga e ninguém se apercebe disso até as peças chegarem.

Acontece.

Um fabricante de confiança não promete que nunca irá correr nada de errado. Cria um processo para detetar problemas numa fase inicial, comunicar de forma clara e corrigi-los sem transformar cada problema numa discussão.

Essa é, na nossa opinião, a verdadeira diferença entre um fornecedor de peças fundidas e um parceiro de fabrico a longo prazo.

A fundição por cera perdida é um processo antigo, mas continua a resolver problemas de fabrico muito atuais. Quando a peça é complexa, a liga é exigente e os custos de maquinagem ou montagem se tornam difíceis de controlar, este processo merece ser seriamente considerado.

Não se aplica a todos os produtos.

Mas, se for o produto certo, pode simplificar muito mais do que o próprio processo de fundição.

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