Sebenta · Projetar placas molde para fundição (UC05431)

Introdução

Esta sebenta ensina a projetar placas molde para fundição em areia, a etapa que transforma o desenho de uma peça na ferramenta física que a oficina usa para a produzir em série. É um trabalho de precisão: cada decisão do projetista, uma linha de apartação, um ângulo de saída, uma percentagem de contração, condiciona diretamente a qualidade da peça fundida.

O percurso é o de um técnico de projeto de moldes e modelos real: primeiro analisa-se o desenho técnico da peça e a tecnologia de fundição envolvida, depois define-se o tipo de molde e desenha-se a placa molde com todas as correções geométricas necessárias (linha de apartação, saídas, contração, sobreespessuras), acrescentam-se os postiços e machos, projeta-se o sistema de alimentação e gitagem, valida-se tudo com simulação do enchimento, e cumprem-se sempre as normas de segurança, ambiente e qualidade.

Objetivos de aprendizagem (referencial): analisar o desenho técnico; definir e desenhar as partes que constituem o molde; projetar o sistema de alimentação e gitagem; e cumprir as normas de segurança e saúde no trabalho, de proteção individual, de gestão de resíduos, de proteção ambiental e da qualidade.

1. Analisar o desenho técnico da peça

Todo o projeto de um molde para fundição começa por analisar o desenho técnico da peça a fundir. Sem esta leitura cuidada, nenhuma decisão seguinte tem uma base sólida.

Ler o desenho técnico de uma peça fundida significa responder, de forma sistemática, a estas perguntas:

• Qual o material e a liga? Determina a percentagem de contração a aplicar.
• Onde estão as superfícies funcionais e as tolerâncias apertadas? Determinam onde aplicar sobreespessura de maquinação.
• A peça tem furos, reentrâncias ou cavidades internas? Determina a necessidade de machos.
• Qual a melhor orientação de vazamento? Condiciona a escolha da linha de apartação.

Exemplo resolvido

Uma peça de torneira de latão, com uma sede de vedação cilíndrica interna (tolerância apertada) e um corpo exterior roscado (menos crítico):

1. Material: latão, contração ≈ 1,5%.
2. Superfície funcional: a sede de vedação, precisa de sobreespessura de maquinação.
3. Cavidade interna: exige um macho para o furo passante.
4. Orientação: vazamento com a sede de vedação virada para baixo, para minimizar defeitos de porosidade nessa zona crítica.

Cada uma destas quatro respostas alimenta diretamente um dos blocos seguintes desta sebenta.

2. Tecnologia de fundição

Fundição é o processo de obter uma peça vazando metal líquido para dentro de uma cavidade com a forma pretendida (o molde) e deixando-o solidificar. É uma das tecnologias de fabrico mais antigas, e continua a ser insubstituível para formas complexas ou peças de grande dimensão.

Existem várias famílias de processos de fundição, cada uma com moldes e economia diferentes:

Esta UC centra-se na fundição em areia com placa molde, o processo mais comum na indústria portuguesa de moldes e modelos, e onde faz sentido investir numa placa molde reutilizável para produzir muitas peças iguais.

Ligas fundidas mais comuns

• Ferrosas: ferro fundido cinzento, ferro fundido nodular, aço fundido.
• Não ferrosas: alumínio e suas ligas, bronze, latão, zamak.

A liga escolhida determina não só a contração (ver capítulo 7), mas também a temperatura de vazamento, o tempo de solidificação e o próprio dimensionamento da gitagem.

3. Processos de moldação

Moldar é compactar areia (ou outro material) em torno de um modelo para reproduzir a sua forma em negativo, obtendo o molde. É um processo distinto de fundir: moldar prepara a cavidade, fundir vaza e solidifica o metal dentro dela.

Principais processos de moldação em areia

• Areia verde: areia siliciosa com bentonite (argila) e água, compactada mecanicamente ou à mão. É o processo mais rápido e económico, e a areia pode ser reciclada.
• Cura a frio (auto-secante): areia misturada com resina e catalisador, que endurece à temperatura ambiente sem necessidade de calor. Dá mais rigor dimensional do que a areia verde.
• Cura a quente (shell moulding): a areia com resina é moldada sobre uma placa metálica aquecida, formando uma casca fina e rígida. Grande precisão e bom acabamento superficial, usado em peças mais exigentes.

Exemplo resolvido: sequência de moldação com placa molde

1. Fixar o modelo (ou os postiços) sobre a placa molde.
2. Colocar a caixa de moldação do fecho inferior sobre a placa e compactar a areia.
3. Voltar o conjunto, retirar a placa molde e repetir o processo para o fecho superior.
4. Abrir os canais de gitagem no molde e colocar os machos necessários.
5. Fechar as duas metades (fecho inferior e superior) e vazar o metal pela bacia de vazamento.

4. Tipos de molde e a placa molde

Definir o tipo de molde é uma decisão de projeto tão importante como a análise do desenho técnico: a escolha certa evita retrabalho e custo desnecessário no resto do projeto.

Tipos de molde

• Molde de uma só cavidade: produz uma peça por vazamento. Usado em prototipagem ou séries pequenas.
• Molde multicavidade: várias cavidades iguais no mesmo molde, produzindo várias peças por vazamento. Ganho de produtividade em séries maiores.
• Molde com machos: necessário sempre que a peça tem furos, cavidades ou reentrâncias que o modelo sozinho não consegue reproduzir.
• Molde sem apartação: para peças muito simples, sem necessidade de dividir o molde em duas metades.

A escolha cruza a geometria da peça, o volume de produção previsto e o processo de moldação.

A placa molde

A placa molde é a placa, geralmente em madeira, resina ou alumínio, onde estão fixados o modelo (ou uma parte dele) e o sistema de gitagem, usada para compactar a areia de forma repetível e normalizada.

• Face simples: um só lado com o modelo, usado para compactar o fecho inferior e o fecho superior em placas separadas.
• Duas faces: o fecho inferior e o fecho superior ficam fixados em faces opostas da mesma placa.
• É o investimento inicial de um projeto de fundição em série. Um erro na placa molde repete-se, sem exceção, em todas as peças moldadas a partir dela.

5. Normas de desenho e projeto de moldes

O desenho de moldes segue as normas gerais de desenho técnico (projeções ortogonais, cotagem, escalas, tipos de linha), acrescidas de convenções específicas da fundição.

Convenções específicas do desenho de moldes

• Cortes pela linha de apartação, para mostrar simultaneamente as duas metades do molde.
• Simbologia própria para ângulos de saída, marcas de macho e referências de fecho.
• Legenda completa: liga do material, escala de contração aplicada, revisão e data. Sem a escala de contração na legenda, quem fabrica não sabe que percentagem foi aplicada.
• Cotagem coerente com as cotas finais da peça, e não apenas com as dimensões físicas do molde.

Conjuntos e detalhes

Um projeto de molde completo representa sempre dois níveis:

• Desenho de conjunto: a placa molde montada, com o modelo, os canais de gitagem e as referências de fecho.
• Desenho de detalhe: cada postiço, cada macho, cada elemento de gitagem, desenhado e cotado isoladamente, pronto a fabricar.

Sem o desenho de detalhe, a oficina não consegue produzir cada peça isolada da placa molde: o desenho de conjunto mostra o resultado, mas não chega para fabricar.

6. A linha de apartação, saídas e sobreespessuras

Depois de definido o tipo de molde, três decisões geométricas ligadas moldam a forma final do projeto.

A linha de apartação

A linha de apartação é a linha (ou superfície) onde o molde se divide em duas metades, para permitir retirar o modelo e, mais tarde, a peça. Critérios para a escolher:

1. Passar, sempre que possível, pela maior secção da peça.
2. Ser plana, para facilitar o fabrico da placa molde. Apartações irregulares complicam tudo o resto.
3. Minimizar o número de machos necessários.
4. Evitar contra-saídas: zonas que impediriam a extração direta do modelo.

Uma linha de apartação mal escolhida é o erro que mais compromete um projeto de molde, porque condiciona todas as decisões seguintes.

As saídas de desmoldagem

As saídas (ou ângulos de saída) são a inclinação dada às paredes do modelo, paralelas à direção de extração, para que este saia da areia compactada sem a desmoronar.

Exemplo resolvido: cálculo de uma saída

Uma nervura de 40 mm de altura, moldada em areia verde, leva uma saída de 1,5°. O desvio dimensional na base é:

40 × tan(1,5°) ≈ 40 × 0,0262 ≈ 1,05 mm

Este valor tem de caber dentro da sobreespessura de maquinação prevista para essa zona (ver capítulo seguinte), senão a saída "come" tolerância que era preciso para maquinar.

7. Contração e sobreespessuras de maquinação

Estas duas correções resolvem problemas diferentes e são, por isso, a fonte mais comum de erro em projetos de moldes iniciantes.

Contração dos materiais

Ao arrefecer, o metal líquido contrai: passa de líquido a sólido e depois arrefece até à temperatura ambiente, perdendo volume em cada uma das fases. A contração que se corrige no molde é a contração linear no estado sólido, a que ocorre depois de o metal já ter solidificado, e é essa que se compensa diretamente no modelo (e, por isso, na placa molde). A contração de solidificação, volumétrica, não se corrige no modelo: é compensada pelo massalote.

Exemplo resolvido

Uma peça em alumínio tem, no desenho final, um comprimento de 250 mm. Com uma contração de 1,3%, o modelo (e a placa molde) tem de ser construído com:

250 + (250 × 0,013) = 250 + 3,25 = 253,25 mm

É esta cota corrigida, e não os 250 mm da peça acabada, que vai para o desenho técnico da placa molde. O mesmo cálculo aplica-se a todas as direções da peça, não só ao comprimento.

Sobreespessuras de maquinação

A sobreespessura de maquinação é material extra deixado nas superfícies funcionais, com tolerâncias apertadas, que vão ser maquinadas depois de fundidas. Garante que a maquinação tem material suficiente para remover imperfeições superficiais e chegar à cota final.

8. Postiços, machos e caixas de macho

Nem todas as formas de uma peça se conseguem reproduzir só com o modelo principal. Para esses casos existem postiços e machos.

Postiços

Os postiços são peças amovíveis do modelo ou da placa molde, presas por pinos ou espigas, usadas para reproduzir saliências, nervuras ou reentrâncias localizadas que criariam contra-saídas se fizessem parte fixa do modelo. O postiço fica na areia quando o modelo principal é extraído, e só depois é retirado à parte, pela cavidade já aberta, na direção que liberta a contra-saída.

Machos e caixas de macho

O macho é uma peça de areia, moldada à parte numa caixa de macho, colocada dentro do molde já aberto para criar furos, canais ou reentrâncias internas que o modelo sozinho não consegue reproduzir.

• A caixa de macho é o negativo da forma do macho, geralmente em madeira, resina ou metal, com as suas próprias saídas.
• O macho assenta em marcas de macho: saliências no molde que o posicionam e sustentam durante o vazamento.
• Depois de a peça fundir e arrefecer, o macho é destruído e removido, deixando a cavidade interna pretendida.

Exemplo resolvido

Uma peça em ferro fundido tem um furo passante de 30 mm de diâmetro, perpendicular à linha de apartação:

1. Com o eixo do furo paralelo à direção de extração, o modelo até conseguia formar uma coluna de areia, mas ela seria frágil e de rigor dimensional baixo; por isso, opta-se pelo macho.
2. Projeta-se um macho cilíndrico de 30 mm, com marcas de macho de 8 mm de cada lado, apoiadas nas duas metades do molde.
3. A caixa de macho é desenhada com saída de 2° a 3°, para o próprio macho sair da caixa sem se partir.

Um macho mal apoiado desloca-se durante o vazamento, e a peça sai com a parede interna de espessura irregular, um dos defeitos mais frequentes em peças com furos internos.

9. Sistema de gitagem e alimentação

Depois de definidas a geometria e os machos, falta garantir que o metal chega bem à cavidade e que a peça não fica com defeitos de contração.

A gitagem

A gitagem é o conjunto de canais que conduzem o metal líquido desde o exterior até à cavidade do molde:

Uma gitagem mal desenhada provoca turbulência, arrastamento de ar e de areia, e gera defeitos internos na peça fundida.

A alimentação

A alimentação garante que existe sempre metal líquido disponível para compensar a contração de solidificação, enquanto a peça arrefece. Usa massalotes, reservas de metal ligadas às zonas de maior espessura da peça, que têm de solidificar depois da própria peça para a poderem continuar a alimentar.

Sem alimentação adequada surgem rechupes: cavidades internas de contração, por falta de metal disponível na fase final de solidificação.

Dimensionar o sistema de gitagem

O dimensionamento parte da massa da peça e do tempo de vazamento pretendido, para calcular a área do canal de ataque:

A_ataque = W / (ρ · t · c · √(2 · g · h))

Onde W é a massa a vazar, ρ a densidade do metal líquido, t o tempo de vazamento, c um coeficiente de eficiência do canal, g a aceleração da gravidade e h a altura efetiva de queda.

Exemplo resolvido

Peça de alumínio, W = 3 kg, vazada em t = 12 s, com altura efetiva h = 0,2 m, coeficiente c = 0,6 e densidade do alumínio líquido ρ ≈ 2400 kg/m³:

1. Velocidade de queda: v = √(2 × 9,81 × 0,2) ≈ 1,98 m/s
2. Área do ataque: A = 3 / (2400 × 12 × 0,6 × 1,98) ≈ 8,8 × 10⁻⁵ m² ≈ 88 mm²
3. Para um ataque retangular com 4 mm de altura, a largura resultante ronda os 22 mm.

O sistema de alimentação (número, tamanho e posição dos massalotes) calcula-se à parte, com base no módulo de arrefecimento de cada zona espessa da peça, mas segue sempre a mesma lógica: mais massa a alimentar exige um massalote maior.

10. Simulação do enchimento

A simulação do enchimento usa software especializado para prever, ainda no computador, como o metal líquido preenche o molde e como a peça solidifica, antes de se fundir a primeira peça real.

O que a simulação deteta

• Turbulência e ar aprisionado durante o enchimento da cavidade.
• Zonas de enchimento incompleto, onde o metal não chega antes de arrefecer demasiado.
• Rechupes previstos, ajudando a validar o posicionamento e o dimensionamento dos massalotes.
• Tensões residuais que podem gerar deformação ou fissura na peça.

Leitura dos resultados

Uma simulação típica devolve mapas de cor sobre o modelo 3D do molde: a frente de enchimento (ordem por que o metal preenche a cavidade), a temperatura ao longo do tempo, e a porosidade prevista. Com estes resultados, ajusta-se o projeto (gitagem, alimentação, saídas) antes de cortar a placa molde física, evitando fundições de teste caras e demoradas.

Softwares deste tipo, como o MAGMASOFT, o ProCAST ou o NovaFlow&Solid, são usados na indústria de fundição portuguesa para validar peças críticas antes de investir numa placa molde definitiva.

11. Software de desenho de moldes

O projeto de placas molde faz-se hoje, sobretudo, em software de desenho 2D e 3D, o que agiliza os cálculos, a verificação de interferências e a geração dos desenhos técnicos finais.

• CAD 2D: desenhos técnicos normalizados, cortes pela linha de apartação, cotagem.
• CAD 3D: modelação do modelo, dos postiços, das caixas de macho e da própria placa molde, com verificação de interferências entre peças.
• Software específico de fundição: incorpora bibliotecas de gitagem e massalotes, e integra a simulação do enchimento.

Fluxo de trabalho típico

1. Modelar a peça a partir do desenho técnico de origem.
2. Aplicar a contração da liga escolhida.
3. Desenhar o molde: linha de apartação, saídas, postiços e machos.
4. Projetar o sistema de gitagem e alimentação.
5. Simular o enchimento e ajustar o projeto.
6. Verificar a conformidade do molde com o projeto e gerar os desenhos técnicos e a lista de materiais.

Verificar a conformidade do molde com o seu próprio projeto e com a peça pretendida, sobrepondo o modelo 3D final à geometria original, é a última aptidão do referencial: fecha o ciclo aberto no primeiro capítulo desta sebenta, quando se analisou o desenho técnico da peça.

12. Segurança, ambiente e qualidade

Nenhum projeto de moldes está completo sem cumprir as normas transversais que protegem quem trabalha, o ambiente e a qualidade do produto final.

Segurança e saúde no trabalho

O projeto de moldes cruza-se sempre com a oficina de fundição, um ambiente com riscos reais:

• Equipamentos de proteção individual (EPI): óculos, luvas, calçado de proteção e proteção respiratória junto de poeiras de areia.
• Normas de segurança e saúde no trabalho no manuseamento de ferramentas, máquinas de moldação e cargas.
• Decisões de projeto que facilitam a segurança na oficina: arestas vivas evitadas, pegas previstas para o manuseio da placa molde.

Gestão de resíduos e proteção ambiental

• Areia usada, óleos e resinas têm de ser geridos e descartados conforme as normas de gestão de resíduos e de proteção ambiental.
• O projeto pode reduzir desperdício ao otimizar a gitagem: menos metal em gitos significa menos material a reciclar.

Normas da qualidade

Cada decisão de projeto documentada, revista e comparada com o desenho de origem torna o processo repetível e rastreável, o que é a base das normas da qualidade aplicadas à fundição.

Erros comuns

• Desenhar o molde sem analisar o desenho técnico da peça, saltando direto para a geometria e perdendo informação crítica sobre tolerâncias e material.
• Escolher uma linha de apartação irregular só porque "cabe" a peça, sem considerar a dificuldade de fabricar a placa molde.
• Esquecer as saídas em paredes internas de machos, causando rasgão da areia ao desmoldar.
• Confundir contração com sobreespessura de maquinação, ou aplicar só uma das duas correções.
• Colocar o massalote numa zona fina da peça, que solidifica antes da zona espessa e por isso não a consegue alimentar.
• Desenhar um ataque de gitagem demasiado estreito, criando um jato turbulento que arrasta ar e areia.
• Confiar cegamente na simulação do enchimento sem validar os parâmetros de entrada (liga, temperatura, tempo de vazamento).
• Tratar a segurança e o ambiente como assunto só da oficina, ignorando o impacto das decisões tomadas no projeto do molde.

Glossário

• Placa molde: placa onde estão fixados o modelo e a gitagem, usada para compactar a areia de forma repetível.
• Linha de apartação: linha onde o molde se divide em duas metades, para permitir a extração do modelo.
• Saída: inclinação dada às paredes do modelo, para permitir a sua extração sem danificar a areia.
• Contração: redução de volume do metal ao arrefecer, corrigida no modelo e na placa molde.
• Sobreespessura de maquinação: material extra deixado nas superfícies funcionais, para a maquinação posterior.
• Postiço: peça amovível do modelo, que fica na areia e é retirada depois de o modelo principal sair.
• Macho: peça de areia colocada dentro do molde para formar furos ou cavidades internas.
• Caixa de macho: molde negativo usado para fabricar o macho.
• Gitagem: conjunto de canais que conduz o metal líquido até à cavidade do molde.
• Alimentação: sistema de massalotes que compensa a contração de solidificação da peça.
• Massalote: reserva de metal líquido ligada à peça, que solidifica depois dela.
• Rechupe: cavidade interna de contração, por falta de alimentação adequada.
• Simulação do enchimento: previsão por software de como o metal preenche e solidifica no molde.
• Peça em bruto: peça tal como sai do molde, antes de ser maquinada.

Síntese

Projetar uma placa molde para fundição começa por analisar o desenho técnico da peça e a tecnologia de fundição envolvida, e por definir o tipo de molde. Segue-se o desenho da placa molde, corrigida com linha de apartação, saídas, contração e sobreespessura de maquinação, e complementada com postiços e machos onde a geometria da peça exige. O sistema de alimentação e gitagem é depois calculado e validado por simulação do enchimento, tudo feito em software de desenho de moldes que agiliza cálculos e desenhos técnicos. Ao longo de todo o processo cumprem-se as normas de segurança e saúde no trabalho, de proteção individual, de gestão de resíduos, de proteção ambiental e da qualidade. Domina este fluxo completo e estás pronto para projetar a placa molde de qualquer peça fundida em série.

Exercícios resolvidos

1. Uma peça em ferro fundido tem um comprimento final de 300 mm. Que comprimento deve ter o modelo, sabendo que o ferro fundido cinzento contrai 1,0%?

Resolução: 300 + (300 × 0,01) = 300 + 3 = 303 mm. O modelo, e por isso a placa molde, é construído com 303 mm.

2. Explica a diferença entre um postiço e um macho.

Resolução: o postiço é uma peça amovível do próprio modelo, que fica presa na areia quando o modelo principal sai e só depois é retirada à parte, usada para saliências ou reentrâncias localizadas. O macho é uma peça de areia moldada à parte, colocada dentro do molde já aberto, para criar furos ou cavidades internas que o modelo sozinho não consegue reproduzir.

3. Uma peça mostra sinais de rechupe junto a uma zona espessa. Qual a causa mais provável e como se corrige no projeto?

Resolução: o massalote dessa zona está mal dimensionado ou mal posicionado, e solidificou antes da peça, deixando de a poder alimentar. Corrige-se aumentando o massalote ou reposicionando-o mais próximo da zona espessa, de forma a garantir que solidifica sempre depois da peça.

4. Porque é que a escala de contração tem de constar sempre na legenda do desenho da placa molde?

Resolução: porque quem fabrica a placa molde a partir do desenho precisa de saber exatamente que percentagem de contração já foi aplicada, para não a aplicar novamente por engano nem esquecer de a aplicar. Sem esta informação na legenda, a peça final pode sair sistematicamente com uma cota errada.

5. Um ataque de gitagem foi desenhado demasiado estreito para a massa e o tempo de vazamento pretendidos. Que defeito é mais provável aparecer na peça, e porquê?

Resolução: turbulência e arrastamento de ar e areia para dentro da cavidade, porque o metal é forçado por uma secção pequena a uma velocidade superior à prevista, criando um jato turbulento em vez de um enchimento calmo e contínuo.