Aula 13. Processos de Fabricação Não Convencionais

Processos de fabricação não convencionais

Processos não convencionais  Jato de água   Jato de água com abrasivo  Ultra-som  Eletroquímica  Eletro-erosão  Laser  Plasma  Feixe de elétrons 

Processos não convencionais  Jato de água   Jato de água com abrasivo  Ultra-som  Eletroquímica  Eletro-erosão  Laser  Plasma  Feixe de elétrons 

Classificação de acordo com a natureza energética do processo

Campos de aplicação

 Jato de água 







Processo de fabricação onde o jato com alta pressão é expelido pelo bocal em direção ao material. O corte ocorre quando a força do jato supera a resistência à compressão do material. Dependendo das características do material a ser cortado, o corte pode resultar de erosão, cisalhamento ou tensão localizada. Um sistema de movimentação permite manipular o jato em torno da peça. Esses movimentos são realizados por motores elétricos controlados por computador. Outra possibilidade de corte é a movimentação manual da peça sobre uma mesa estacionária onde passa um jato vertical de água.

Processo  Tratamento da água  Elevação da pressão da água (4000 bar)   Agregação de material abrasivo  Corte do material  Coleta e descarte da água 

Pressão

entre 400 MPa e

1400 MPa. Diâmetro da saída entre 0.05 mm e 1 mm. Fluxo de 0.5 l/min até 25 l/min.  Velocidade do jato entre 590-914 m/s.

 Variáveis que afetam o corte por jato de água com abrasivo 

Pressão - Quanto maior a pressão, mais fácil fica vencer a força de coesão das moléculas do



Fluxo - O fluxo de água determina o índice de remoção do material. Há dois modos de



Diâmetro do jato – O diâmetro do bico de corte para sistemas de corte por água pura

material que se pretende cortar.

aumentar o fluxo de água: aumentando a pressão da água ou aumentando o diâmetro do orifício da safira  varia de 0,5 mm a 2,5 mm. Jatos de diâmetros menores também podem ser produzidos, para aplicações específicas. Para o corte de papel, o diâmetro do jato é de 0,07 mm. Quando se trata do corte por jato de água e abrasivo, os menores diâmetros situam-se em torno de 0,5 mm.



 Abrasivo  – A velocidade de corte do sistema é aumentada quando se aumenta o tamanho da



Distância e velocidade de corte  – À medida que sai do bico, o jato de água se

granulação do abrasivo. Em compensação, abrasivos com menores tamanhos de grãos produzem uma superfície cortada com melhor qualidade. Porém, partículas muito finas de abrasivo são praticamente ineficientes.

abre. O jato de água com abrasivo apresenta maior abertura, por ser menos uniforme. Isso explica porque a distância entre o bico e o material é sempre muito pequena, abaixo de 1,5 mm. A abertura do jato pode ser reduzida, com a diminuição da velocidade de saída do fluido, com conseqüente diminuição da velocidade de corte.

 Vantagens  





Não produz problemas de efeito térmico É uma tecnologia “limpa”, que não polui o meio ambiente e é aplicável a uma vasta gama de materiais, permitindo fazer o corte em qualquer direção e nas mais variadas formas. É a tecnologia ideal para cortar certos materiais duros, como placas blindadas ou alguns materiais cerâmicos, que normalmente levam a grande desgaste de ferramentas nos sistemas de corte tradicionais. Pode ser aplicado sem problemas a materiais do tipo sanduíches de múltiplas camadas, como laminados de madeira, sem produzir delaminação.

Desvantagens  Velocidade do processo  O abrasivo escolhido deve ser mais duro que o material que irá cortar.  Chapas de metal de pequena espessura tendem a sofrer esforços de dobramento, apresentando rebarbas na face de saída.   Vidros temperados, projetados para quebrar a baixas pressões, também não podem ser cortados por esse sistema. 

 Video 1

Ultra-som 





Na usinagem por ultra-som, uma ferramenta é posta para vibrar sobre uma peça mergulhada em um meio líquido com pó abrasivo em suspensão, numa freqüência que pode variar de 20 kHz a 100 kHz. Não há contato entre a ferramenta e a peça. A usinagem é feita pelos grãos finos e duros do material abrasivo, que atacam a superfície da peça. Utilização de grãos abrasivos (carboneto de boro, carboneto de silício etc.) em solução aquosa

Na máquina de ultra-som para usinagem, a parte mais importante da cabeça ultrasonora, que funciona segundo o princípio da magnetostrição, é constituída por uma haste em liga de níquel, que é envolvida por uma bobina, percorrida por uma corrente de alta freqüência. O campo magnético gerado pela passagem da corrente através da bobina provoca a  vibração da haste metálica, no sentido do eixo. Magnetostrição ou magnetostricção é a deformação de estruturas cristalinas devido à

aplicação de campos magnéticos, observada tanto em monocristais como em policristais do tipo ferromagnético.

 













Utilizado em usinagem de materiais frágeis e duros Exemplos de materiais de peça: vidro, cerâmica técnica, metal duro, grafite, silício etc.  Aplicações: componentes de joalheria, plaquetas de circuitos eletrônicos, furos em insertos para alocação de sensores etc. Excitação dos grãos pela da ferramenta de forma, que vibra ultrasonicamente através da utilização de sonotrodos e transdutores O indentamento dos grãos sobre a superfície da peça gera sobre esta microlascamentos e microfissuras, que somadas no tempo levam à remoção de suas partículas Em vista dos altos impactos, os grãos abrasivos devem ter uma dureza superior à do material da peça e alta resistência à quebra  As ferramentas de forma normalmente são de materiais ferrosos, o que induz suas deformações elástica e plástica Materiais mais duros para as ferramentas de corte têm menos desgaste, mas têm custo extremamente elevado

Desgaste do Meio de Lapidação

Caracterizado pela diminuição do tamanho médio dos grãos abrasivos e arredondamento dos seus gumes   Tanto o cegamento quanto o lascamento dos gumes dos grãos influem na redução da remoção de material da peça  Em vista do acréscimo de dejetos do material da peça e da ferramenta de forma ao meio de lapidação, este deve ser renovado em intervalos regulares 

Desgaste da Ferramenta de Forma

Por ser feita de material dútil, há deformações elástica e plástica da ferramenta de forma, com uma remoção de cavacos muito menor do que da peça, dura e frágil  Há desgaste por encruamento e fadiga sobre a face da ferramenta, região mais solicitada   A abrasão causa o arredondamento dos cantos e desgaste lateral da ferramenta 

Características do equipamento Uma máquina de ultra-som para usinagem é constituída, basicamente, pelos seguintes componentes:  





um gerador de corrente de baixa freqüência; um conversor eletroacústico que consiste de um transdutor eletroacústico, isto é, um dispositivo que transforma as oscilações elétricas em ondas ultrasonoras; um amplificador, feito geralmente de titânio, que tem por função transmitir e aumentar as amplitudes das vibrações do transdutor sobre o qual está fixado; uma ferramenta de usinagem, facilmente intercambiável, que pode ser oca ou maciça.

Considerações  Embora furos, ranhuras e formas irregulares possam ser usinadas por ultrasom em qualquer material, pesquisadores sugerem que o processo seja aplicado, preferencialmente, em materiais duros e quebradiços, envolvendo áreas de superfícies inferiores a 1000 mm2, onde devem ser produzidas cavidades rasas e cortes. Exemplos de aplicação  Usinagem de óxido de alumínio, para a fabricação de circuitos eletrônicos. Os furos produzidos têm diâmetros entre 0,15 e 0,5 mm.  Produção de furos com 1 mm de diâmetro e 0,3 mm de profundidade em pastilhas reversíveis para a alocação de termopares

Feixe de elétrons 

O processo de remoção ocorre através do impacto de

um feixe concentrado de elétrons sobre a superfície da peça  Em vista da colisão do feixe, ocorre fusão e  vaporização do material da peça no ponto de 



incidência, chamado “ponto focal”, formando um furo Com a combinação de um movimento de avanço transversal, o furo acompanha tal deslocamento Na geração de furos, estes apresentam certa conicidade, que pode ser controlada com a intensidade do feixe

 A convergência do feixe pode ser ajustada por meio de lentes magnéticas.  Dependendo do modo como o feixe é aplicado sobre a peça, pode ser usado para outras finalidades, além da soldagem, como o tratamento térmico, o corte de materiais e a microusinagem. 

Equipamento básico para produção do feixe de elétrons







 As taxas de remoção de material na usinagem por feixe de elétrons são usualmente avaliadas de acordo com o número de pulsos requeridos para evaporar uma certa quantidade de material. O uso de contadores de elétrons para registrar o número de pulsos permite pronto ajuste do tempo de usinagem, para produzir a profundidade de corte requerida. Industria aeroespacial, a aeronáutica e a eletrônica são exemplos de áreas que já vêm utilizando este processo com resultados positivos na produção de múltiplos microfuros, litografia em semicondutores e microusinagem de peças complexas.

 Welding of 3 dissimilar clad metals

Monel and Titanium

Laser 







É gerado na amplificação de luz pela emissão estimulada de irradiação  Além do processo de corte, é empregado para soldagem e tratamento superficial Em vista das suas propriedades ópticas, o feixe de laser é adequado para o corte dos mais diversos materiais Utilizado largamente na fabricação de formas complexas, sem concorrência com outros processos em muitas aplicações da indústria automobilística

Tipos de laser EXCIMER - baixa taxa de remoção, utilizado na microusinagem de polímeros e materiais cerâmicos  Nd:YAG - laser com até 500 W de potência, com aplicação ampla  CO2 - possibilidade de corte com laser de vários kW de potência, com aplicação ampla 

Corte por fusão

Fusão contínua e expulsão do material da fenda de trabalho por sopro de um gás inerte ou um gás inativo  O fluxo de gás (argônio, nitrogênio ou hélio) evita a oxidação na fenda de corte  Exemplo de material de corte: cobre 

Corte por oxidação

 Aquecimento do material a temperatura de ignição pela adição de oxigênio  Formação de óxido de ferro com liberação complementar de energia, que é soprado para fora da fenda de corte  Exemplo de material de corte: materiais ferrosos 

Corte por sublimação

Evaporação do material na região do corte e expulsão dos vapores pela adição de gases inertes  O fluxo de gás no corte tem a função de expulsar o material evaporado para evitar que este se condense novamente na zona periférica  Exemplo: materiais plásticos 

Características

 As velocidades de corte obteníveis são aproximadamente proporcionais à potência do LASER e inversamente proporcionais à espessura do material  Com o aumento do teor dos elementos de liga no material cortado, por regra, há diminuição da  velocidade de corte 

O laser também pode ser utilizado para:  





Soldagem. Tratamento térmico localizado e em pequena escala de metais e

cerâmicas para modificar as propriedades mecânicas e tribológicas da superfície. Na marcação de peças, com letras, números e códigos. A marcação pode também ser feita por processos tais como: tinta, dispositivos mecânicos como punções, pinos, ou estampos e por gravação. Apesar da utilização do laser para marcação é mais cara que os métodos tradicionais, ela tem sido utilizada em relação de melhorias na: precisão, reprodutibilidade, flexibilidade, facilidade de automação. Etc..

 Vantagens 





Por ser uma forma de energia concentrada em pequena área, o corte a laser proporciona cortes retos, pequena largura de corte, zona mínima afetada pelo calor, mínima distorção e arestas de excelente qualidade. Por ser uma luz, não entra em contato direto com a peça, não causando distorções e não se desgastando. É um sistema de fácil automatização, permite cortar peças de formas complexas e não requer a troca de “ferramenta de corte” cada vez que é substituído o material a ser cortado.

Desvantagens  



o alto custo inicial do sistema; a pequena variedade de potências disponíveis, que limitam o corte a espessuras relativamente baixas e a materiais que apresentem baixa reflexão da luz; a formação de depósitos de fuligem na superfície, no corte de materiais nãometálicos, como madeira e couro; a formação de produtos tóxicos (ácido clorídrico), no corte de PVC.

 Video 2

 Video 3

Plasma

O plasma é um condutor elétrico, e quanto menor for o local em que ele se encontrar, tanto maior será sua temperatura.

Características do arco plasma

 As características do arco plasma variam de acordo com:  o tipo de gás de corte;  a quantidade de vazão;  o diâmetro do bocal (bico de corte);  a tensão do arco elétrico.

Se é usada uma baixa vazão de gás, o jato de plasma apresenta alta temperatura e concentra grande quantidade de calor na superfície. Esta é a situação ideal para soldagem.  Se a vazão de gás é aumentada, a velocidade do jato de plasma é tão grande que empurra o metal fundido através da peça de trabalho, provocando o corte do material. 

 Video 4

Eletroerosão 







 A eletroerosão baseia-se na destruição de partículas metálicas por meio de descargas elétricas. Na usinagem por eletroerosão, a peça permanece submersa em um líquido e, portanto, há rápida dissipação do calor gerado no processo. Na eletroerosão não existe força de corte, pois não há contato entre a ferramenta e a peça. Por isso não se formam as tensões comuns dos processos convencionais de usinagem. No processo de eletroerosão, é possível um controle rigoroso da ação da ferramenta sobre a peça usinada, graças a um servomecanismo que reage rapidamente às pequenas variações de intensidade de corrente.

Quando o espaço entre a peça e a ferramenta é diminuído até uma distância determinada, o dielétrico passa a atuar como condutor, formando uma “ponte” de íons entre o eletrodo e a peça. Produz-se, então, uma centelha que superaquece a superfície do material dentro do campo de descarga, fundindo-a . Estima-se que,

dependendo da intensidade da corrente aplicada, a temperatura na região da centelha possa variar entre 2.500°C e 50.000°C.



O processo de erosão ocorre simultaneamente na peça e no eletrodo. Com ajustes convenientes da máquina, é possível controlar a erosão, de modo que se obtenha até 99,5% de erosão na peça e 0,5% no eletrodo. O tamanho do GAP pode determinar a rugosidade da superfície da peça. Com

um GAP alto, o tempo de usinagem é menor, mas a rugosidade é maior.  Já

um GAP mais baixo implica maior tempo de usinagem e menor rugosidade de superfície.

Usinagem química 

Processo de usinagem dos metais pela sua dissolução em uma solução agressiva, ácida ou básica.

Etapas do processo  As principais etapas de execução da usinagem química são:  preparação da superfície do metal  confecção da máscara e revestimento da peça  usinagem química propriamente dita e  limpeza

 Vantagens 



Proporciona peças sem rebarbas, sem deformação e estruturalmente íntegras, pois esse método de usinagem não se baseia no impacto ou no arranque de material à força. O tempo de produção de uma peça frágil, de formas complexas, com tolerâncias apertadas, é muito menor por usinagem química que por meio mecânico

Desvantagens 



Recorte não é rigorosamente perpendicular à superfície e os ângulos obtidos são mal reproduzidos.  A execução da máscara, nas dimensões ideais, é uma tarefa complicada, que só chega a bom termo após várias tentativas e aproximações

Usinagem eletroquímica

Cuba cheia de eletrólito (solução aquosa de cloreto de sódio) com dois eletrodos de ferro, mergulhados na solução