Impressão 3D de protótipos em cera para o desenvolvimento de novos tipos de
torneiras
Rui J. Neto, Jorge Lino Alves, Teresa Duarte, Luis Moreira
INEGI, Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto
A realização de protótipos é, nos dias de hoje, uma etapa indispensável para a inovação e criação
de novos produtos. Quando aliado a isso se pretende obter protótipos em ligas metálicas, o
processo de fundição de cera perdida é certamente um método a ter em conta, pela sua
capacidade de gerar peças complexas, dispensando muitas vezes operações de acabamento como
a maquinagem, bem como a compra ou fabrico de ferramentas (moldes) muito específicas e
complexas. Nesta comunicação é apresentada uma metodologia que permite obter protótipos de
torneiras com geometrias complexas, nomeadamente secções interiores pequenas e compridas,
através do processo de fundição de cera perdida. Na figura 1 apresenta-se um resumo do
processo proposto [1].
Figura 1 – Descrição do processo de obtenção de protótipos de torneiras [1].
Há essencialmente dois tipos de métodos de obtenção de modelos em cera que se baseiam em
processos de fabrico aditivo (FA); métodos de conversão indiretos e diretos. O método de
conversão indireto envolve a impressão em estereolitografia (SL) ou noutro processo de FA de
todos os elementos necessários para a construção de um molde em silicone ou em resinas
poliméricas carregadas com pó de alumínio para a injeção de cera. O método de conversão direto
corresponde à obtenção de um modelo por FA, por exemplo por impressão 3D em cera ou um
modelo “quick-cast” de SL que será “perdido” [2, 3].
É cada vez maior a importância da utilização de software de modelação 3D na fase de
desenvolvimento do produto, pois trata-se de uma ferramenta extremamente útil para a
representação gráfica tridimensional de equipamentos e/ou produtos, para a simulação de
operação e controlo de processos industriais. No caso concreto da produção de protótipos por
FA, são utilizados como a ferramenta que vai dar início à geração de um modelo físico. Por estes
motivos a modelação CAD 3D (neste caso software SolidWorks) é um instrumento utilizado no
processo de produção de protótipos de torneiras, como se apresenta na figura 2.
a)
b)
Figura 2 – Modelação 3D; a) torneira, e b) macho da torneira com imprensos [1].
Conversão indireta
No processo indireto os modelos não são perdidos, sendo este processo mais tolerante a erros de
processamento. Tem, no entanto, a desvantagem de ser mais demorado [3]. Neste caso os
modelos obtidos por técnicas de FA como SL, SLS, FDM, ou outros, são usados para a obtenção
de um molde para a injeção de cera. Por este motivo, é recomendável e por vezes necessário que
o modelo apresente saídas e, naturalmente, planos de apartação, devidamente projetados.
Para a obtenção do molde de injeção de cera, há duas alternativas a considerar: ou se maquina as
cavidades a partir de um bloco de alumínio, dispensando assim a realização do protótipo, ou em
oposição, recorre-se ao protótipo obtido por FA, como ponto de partida para construção do
molde, podendo este ser em silicone ou em resina carregada, tal como se mostra na figura 3.
a)
b)
Figura 3 – a) Molde de injeção de cera em silicone [2]; b) Molde de injeção de cera em resina
carregada com partículas de alumínio [1].
Os moldes em silicone são utilizados quando os modelos a reproduzir apresentam superfícies
sem saídas, têm grandes espessuras com pouca saída, ou quando se prevê que a posterior
desmoldação se faz com dificuldade. A injeção da cera, ainda que seja feita a pressões
relativamente baixas (1 a 3 bar), provoca sempre distorção no molde, que se reflete nos modelos
obtidos em cera. Outra desvantagem é o tempo de arrefecimento elevado da cera presente no
interior do molde [4, 5].
Os moldes com resinas carregadas são utilizados nos casos em que os modelos apresentam boas
saídas e quando se pretende rigor dimensional, uma vez que a injeção de cera a baixas pressões
não distorce o molde. Os moldes são obtidos por vazamento duma mistura de poliuretano com
pós de alumínio. A presença dos pós de alumínio tem diversas funções, como a de aumentar a
condutividade térmica do molde, o que se traduz numa diminuição do tempo de solidificação e
arrefecimento da cera presente no seu interior. Além disso, aquando da solidificação do próprio
molde, controlam as contrações da resina, atuando portanto como carga na mistura. Finalmente,
devido ao preço inferior da mistura de poliuretano com alumínio, quando comparada com o
silicone, os custos de produção dos moldes são mais económicos, sendo vantajoso para a
produção de pequenas séries (mais de 5-6 protótipos) [2]. Na figura 4 apresentam-se as
principais etapas de produção de um protótipo de uma torneira pelo processo de conversão
indireta.
Modelo SL de metade
da torneira (em cima) e
de metade do macho
(em baixo)
Fabrico do macho em
cera solúvel ainda no
molde (em cima) e macho
em cera solúvel colocado
no molde para obtenção
do modelo em cera (em
baixo)
Modelo em cera da
torneira com macho
solúvel ainda dentro do
molde
Modelos em cera: oco (em
cima) e maciço (em baixo)
Cacho em cera,
incluindo modelo da
torneira e sistemas de
alimentação e gitagem
Carapaça cerâmica antes
do vazamento
Peça vazada em latão
ainda com sistema de
alimentação e gitagem
Protótipo funcional em latão
Figura 4 – Etapas de produção de um protótipo metálico de uma torneira por conversão indireta.
Conversão direta
Neste método, o protótipo é usado como modelo perdido, da mesma forma que é usada a cera no
processo de cera perdida. O modelo pode ser obtido por diversas técnicas de FA tais como SL
(“Quick Cast”), SLS (poliestireno), FDM (ABS) ou Impressão 3D (cera) [4]. Este último
processo é sem dúvida o ideal para esta aplicação, uma vez que o modelo obtido é já em cera,
enquadrando-se perfeitamente no processo de fundição de cera perdida. Os modelos convertidos
em peças metálicas por conversão direta podem não apresentar planos de apartação e dispensar
saídas. Para além dessa vantagem construtiva outra, e provavelmente a principal, é a rapidez com
que se passa de uma peça modelada em CAD 3D (figura 2) para um protótipo funcional, no
material metálico pretendido. A desvantagem é o excessivo preço de cada protótipo, aliado ao
elevado risco da peça fundida não sair bem à primeira, tornando o processo bastante oneroso
caso tenham de se “imprimir” vários exemplares [2, 5, 6]. Na figura 5 apresentam-se as etapas
deste processo, até à obtenção do protótipo funcional em latão.
Modelo impresso em cera ainda com
suportes (material branco)
Modelo impresso em cera da
torneira pretendida
Cacho em cera já com sistema de
gitagem, alimentação e modelo
Carapaça após aplicação das oito
camadas cerâmicas
Cacho metálico após vazamento e
remoção da carapaça cerâmica
Protótipo funcional da torneira em
latão
Figura 5 – Etapas de produção de um protótipo metálico de uma torneira por conversão direta.
Conclusões
O processo de cera perdida permite obter, em relativamente pouco tempo e sem ferramentas
onerosas de produção, modelos ocos de torneiras em latão com alguma de complexidade
(espessuras finas e comprimentos elevados).
Quando se pretende produzir apenas um ou poucos protótipos, compensa utilizar a impressão 3D
de cera (processo direto). A partir de 5 a 6 protótipos é preferível utilizar a injeção de cera
(processo indireto) devido a vantagens económicas.
Agradecimentos
Projeto SAESCTN-PII & DT/1/2011 co- -financiado pelo Programa Operacional Regional do
Norte (ON.2 - O Novo Norte), sob Quadro de Referência Estratégico Nacional (QREN), através
do Fundo de Desenvolvimento EUROPEU Regional (FEDER).
Referências Bibliográficas
[1] Luís Filipe Minhava Peixoto Morais Moreira, “Desenvolvimento da Metodologia de
Fabrico de Protótipos de Torneiras pelo Processo da Cera Perdida”, Tese de Mestrado,
MIEM, FEUP, 2014.
[2] F.J. Lino, T.P. Duarte, R.J. Neto, R. Paiva, “Conversão Directa e Indirecta de Modelos
Obtidos por Prototipagem Rápida em Peças Metálicas por Investment Casting”, 8º
Congreso Iberoamericano de Ingenieria Mecánica, Cusco (Perú), Outubro 2007.
[3]
[4]
[5]
[6]
Chua, K. C., “3D Printing and Additive Manufacturing Principles and Applications”,
World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2015.
Fernando J. L. Alves, Manuel Simão, Rui Neto, Teresa Duarte, “Protoclick - Prototipagem
Rápida”, Protoclick, Porto, 2001.
Neto, Rui Lemos, F. Jorge Lino e A. Barata da Rocha, "Utilização da Prototipagem rápida
no apoio ao desenvolvimento de Produtos Forjados e Fundidos”, XXVI Senafor, IX
Conferência Nacional de Conformação de Chapas, Porto Alegre (Brasil), Outubro 2006.
Neto, R, Bártolo Paiva e Ricardo Paiva, "Obtenção de Protótipos Metálicos para Fundição
Injectada". Comunicação apresentada no 11º Congresso Nacional de Fundição, Ipanema
Park Hotel, Porto, 2001.