A indústria automotiva está passando por uma transformação impulsionada pela necessidade de redução de custos e a transição para a eletromobilidade. Isso leva muitos fabricantes a reduzir o número de peças e substituí-las por poucos componentes estruturais complexos.

 

Essa transformação impõe novos desafios a diferentes processos, incluindo o de fundição. Os moldes necessários devem ser maiores e com geometria complexa, mas também mais resistentes e com tempo de desenvolvimento reduzido. Essa necessidade motivou um projeto conjunto do Instituto Fraunhofer de Tecnologia a Laser (ILT, de Aachen, Alemanha), do fabricante de pós metálicos MacLean-Fogg e da Toyota.

Utilizando o equipamento para manufatura aditiva por fusão a laser em leito de pó PBF-LB/M, criado pelo Fraunhofer ILT, e o aço especial para construção de ferramental L-40 desenvolvido pela MacLean-Fogg especificamente para manufatura aditiva, foi possível fabricar pela primeira vez moldes de fundição sob pressão de grande porte (HPDC, de high pressure die casting) com sistema de resfriamento situado próximo dos contornos da peça, adequados para componentes com grande volume.

 

Projeto dos canais de resfriamento. Em vez do resfriamento convencional por pinos (figuras superiores), o novo formato contém uma rede complexa de canais de resfriamento conformais (figuras inferiores) adaptada com precisão às áreas da ferramenta sob alta tensão térmica. Essa geometria dificilmente seria obtida por usinagem convencional.

 

 

 

Até então, a fabricação aditiva de moldes grandes era limitada por dois fatores: o volume das máquinas convencionais, insuficiente para peças maiores que 600 x 600 mm, e a pouca estabilidade das propriedades mecânicas dos aços convencionais (H11, H13, M300), o que costuma ocasionar trincas em peças de grandes volumes devido a deformações e tensões residuais, especialmente na etapa de tratamento térmico.

 

Para superar essas barreiras, foi desenvolvida a nova geração de máquinas e materiais. A máquina PBF-LB/M gantry possui cinco cabeçotes de laser, envelope de trabalho de 1.000 x 800 x 350 mm, cabeçote móvel e sistema de gás de proteção local, mantendo as mesmas condições de processo em toda a área, o que permite escalonar o volume produtivo para peças ainda maiores. Uma mesa aquecida foi incorporada para manter a plataforma a 200 °C, reduzindo gradientes térmicos críticos e o risco de trincas durante a construção.

O aço L-40, adaptado para impressão 3D, apresenta reduzida tendência a trincas, alta precisão dimensional e propriedades mecânicas adequadas já no seu estado original (as-built): dureza de 48 HRC, resistência à tração de 1.420 MPa e resistência ao impacto superior a 60 J. Testes realizados pelo consórcio de pesquisa comprovaram a estabilidade deste aço e o seu desempenho em geometrias complexas, especialmente na região dos canais de resfriamento.

 

Molde para fundição sob pressão fabricado aditivamente em aço para ferramentas L-40, usando fusão a laser em leito de pó e contendo canais conformais próximos do contorno da peça a ser moldada.

 

A combinação da máquina escalável e do material desenvolvido possibilitou a produção econômica e repetível de moldes de fundição grandes com resfriamento conformal, resultando em aumento significativo da vida útil, em comparação a moldes tradicionais.

 

No projeto, o consórcio fabricou um molde da carcaça de uma caixa de câmbio de um modelo da Toyota, incorporando uma rede complexa de canais de resfriamento próximos ao contorno da peça, impossível de ser produzida por processos convencionais. O projeto usou processo híbrido, iniciando com um bloco pré-formado já contendo canais verticais usinados, sobre o qual aplicou-se a impressão 3D para áreas de geometria complexa, usando-se um conceito parecido com um inserto. O método reduziu custo e tempo, limitando o uso da manufatura aditiva às regiões críticas. Após a impressão, o inserto passou por recozimento para alívio de tensões e acabamento das superfícies funcionais por usinagem convencional, com mínimo retrabalho devido à elevada precisão.

 

A tecnologia híbrida, com interfaces definidas, garantiu flexibilidade para adicionar ou otimizar componentes sem fabricar do zero, reduzindo o consumo de material e o custo por ferramenta.

 

Harald Lemke, executivo da MacLean-Fogg, destacou que o aço L-40 rompe barreiras da manufatura aditiva para ferramentas de conformação a quente ou a frio e moldes de fundição, tornando a tecnologia economicamente viável para aplicação industrial em larga escala, com vantagens claras para OEMs como a Toyota, que buscam flexibilidade financeira, redução de peças individuais, maior durabilidade e possibilidade de múltiplas variantes em uma única ferramenta.

 

 

Imagens: Fraunhofer ILT

 

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