Fabrico Rápido Indirecto de Ferramentas para Conformação de Chapas em

Estanho

Jorge Lino1, Alexandra Abreu2, Rui Neto2, Augusto Barata da Rocha1,2

1FEUP, Rua Dr. Roberto Frias, 4200-465 Porto, falves@fe.up.pt 2INEGI, Rua Dr. Roberto Frias, 4200-465 Porto, aabreu@inegi.up.pt, rneto@inegi.up.pt

Resumo

Para competir no mercado global actual, as empresas necessitam de responder às solicitações

dos potenciais clientes em prazos extremamente reduzidos e oferecendo produtos inovadores e

cada vez com mais qualidade. Para atingir estes objectivos, é fundamental utilizar metodologias

e equipamentos que permitem rapidamente materializar protótipos e pré-séries. Quando as

empresas não têm capacidades financeiras para adquirir estes equipamentos e competências,

podem recorrer a Institutos de Investigação, Desenvolvimento e Inovação ou a Universidades,

os quais lhes podem prestar serviços de grande valia.

Este trabalho mostra como uma pequena empresa, com parcas possibilidades económicas,

estabelecendo uma parceria com um Instituto de Investigação (INEGI) na área da engenharia

mecânica, foi capaz de responder com sucesso, e num prazo extremamente reduzido, a uma

solicitação internacional para o fabrico de uma pré-série de 50 peças decorativas em estanho.

Utilizando um processo de conversão indirecta, foi possível fabricar ferramentas compósitas em

resina carregada com pó de alumínio que conformaram a chapa em estanho em várias etapas

num prazo de duas semanas, o que era inviável para o fabrico de uma ferramenta metálica.

Neste artigo descrevem-se todas as etapas compreendidas entre a fase inicial de obtenção do

modelo físico da peça até ao envio para o cliente da pré-série.

1. Introdução

A necessidade de rapidamente responder a solicitações concretas do mercado, leva a que as

empresas tenham que possuir competências internas que lhes permitam desenvolver novos

produtos em prazos muito reduzidos. Contudo, como é sobejamente conhecido, grande parte do

tecido empresarial de Portugal é composto por pequenas e médias empresas industriais, em que

grande parte delas não tem possibilidade de reunir as competências adequadas e necessárias na

área de desenvolvimento de produto, de forma a serem mais competitivas.

O INEGI (Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial) tem vindo, desde 2008, através

de estágios de fim de curso de alunos de licenciaturas em design industrial de diferentes escolas

da Região Norte e do Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica da FEUP (Faculdade de

Engenharia da Universidade do Porto), a desenvolver novos produtos, em colaboração com a

empresa Freitas & Dores. Esta pequena empresa, que se dedica ao fabrico de peças decorativas

em estanho (“pewter”), não possui nos seus quadros de pessoal engenheiros ou designers, e

como tal, tem aproveitado esta ligação ao INEGI para realizar algum trabalho de Investigação e

Desenvolvimento Tecnológico.

De 2008 a 2010 foram concebidos e introduzidos no mercado alguns produtos inovadores,

podendo mais detalhes ser obtidos nas referências [1-5]. Em 2009, a empresa obteve a

aprovação da sua candidatura ao Sistema de Incentivos à Investigação e Desenvolvimento

Tecnológico (Vale I&DT) para juntamente com o INEGI desenvolver e introduzir na empresa

novas competências na área do desenvolvimento do produto que lhe permitam aumentar a sua

capacidade de criar produtos inovadores, combinando materiais e novas tecnologias, reduzindo

o time-to-market e aumentando a sua agressividade no mercado internacional.

Este artigo descreve o processo de desenvolvimento de uma ferramenta compósita, utilizando

tecnologias de conversão indirectas [6-9]. Este processo de fabrico rápido indirecto de

ferramentas permitiu com que a empresa pudesse responder a uma solicitação de um cliente

sueco para o fabrico de uma pré-série de 50 peças em estanho (“pewter”) num prazo

extremamente curto, em que o fabrico de uma ferramenta metálica era totalmente inviável.

O fabrico rápido indirecto de ferramentas

As necessidades actuais de rapidamente desenvolver novos e melhores produtos levam a uma

grande aproximação entre as equipas de designers, projectistas, responsáveis pela produção e

por outros sectores a jusante do ciclo produtivo. Este facto resulta de que as alterações no design

de um produto ou na sua funcionalidade, quando este já se encontra nas fases de produção e

comercialização, implicam normalmente custos elevados. Isto é, uma alteração realizada na fase

de produção provavelmente poderá ter um custo cem vezes superior ao que teria se o design do

produto fosse corrigido na fase de prototipagem e ensaios. Isto implica que a equipa

multidisciplinar de design terá de investir um maior esforço nas fases preliminares de concepção

e projecto de modo a obter o máximo de informação, realizar mais iterações e revisões de

design. Reduz-se assim as despesas de fabrico como também o tempo de colocação dos

produtos no mercado. Consequentemente, embora a visualização e a verificação

geométrica/dimensional seja possível, os testes funcionais de protótipos frequentemente não são

possíveis devido às diferentes propriedades físicas (mecânicas e térmicas) exibidas pelo

protótipo e o produto manufacturado.

Para converter um protótipo, que pode ser realizado nos mais variados materiais, num produto

final no material desejado, podem-se utilizar as tecnologias de conversão directas e indirectas.

Os exemplos de utilização destas tecnologias são os mais variados [8-10], apresentando cada

processo de conversão vantagens e limitações, mas de uma forma geral pode referir-se que as

tecnologias indirectas são mais demoradas mas são mais versáteis, permitem obter os protótipos

e pré-séries nos materiais finais e são de custo mais baixo.

Neste trabalho pretendia-se obter uma pré-série de 50 peças em pewter, partindo duma peça já

existente e dum molde em gesso do interior da peça. A peça inicial foi produzida em porcelana

pelo processo de “slip casting” (enchimento por barbotina) e foi concebida pelo designer

designer americano Ted Muehling. Desde 1976 que Ted Muehling desenha peças de joalharia e

objectos decorativos inspirados nas formas orgânicas encontradas na natureza, em plantas,

conchas, répteis, insectos, pássaros ou em “tesouros” descobertos nos seus passeios pela floresta

e à beira-mar. Muehling começou a utilizar a porcelana Nymphenburg nas suas criações,

tornando-as em peças únicas extremamente atractivas, como se pode verificar na figura 1.

Figura 1 – Concha em porcelana de Nymphenburg [11].

Utilizando a conversão indirecta, foi possível obter um negativo em silicone do gesso, no qual

foi vazada uma resina carregada com pó de alumínio que permitiu obter uma matriz (processo

conhecido por “bridge tooling”) com características adequadas para conformar chapa de pewter

[9]. Os punções foram obtidos vazando resinas sobre a matriz devidamente compensadas com a

espessura da chapa com cera calibrada.

Os silicones têm uma característica auto desmoldante e uma flexibilidade que permite que sejam

utilizados com o mais variado tipo de materiais dos modelos mesmo quando estes têm contra-

saídas. Os dois principais tipos de silicone existentes são os de polimerização por condensação e

de adição.

A cura por adição gera menores contracções durante a cura, tornando-os aconselháveis para

peças mais técnicas [10]. A utilização de silicones transparentes é sempre aconselhada quando

há necessidade de ter visibilidade das operações de extracção dos modelos do seu interior. Os

silicones de condensação são mais económicos, mas têm no entanto a desvantagem de serem

menos duros e terem maiores contracções.

Para se obter moldes sem bolhas de ar, é fundamental proceder-se, após a mistura com o

catalisador, a uma desgasificação e vazamento em vácuo.

Os moldes de resina carregados apresentam uma durabilidade intermédia entre as chamadas

ferramentas “soft tooling” e “hard tooling” [9]. Tal facto deve-se à combinação de alguma

tenacidade aliada a uma boa estabilidade térmica das resinas epoxídicas com a elevada rigidez,

dureza e boa condutividade térmica das partículas metálicas de alumínio.

O objectivo deste trabalho visou desenvolver ferramentas em resinas compósitas e optimizar o

seu desempenho, de modo a obter ferramentas capazes de processar chapas de estanho, numa

perspectiva de obter uma pré-série num curto prazo e a baixo custo.”

O estanho e as suas ligas

O estanho (funde a cerca de 232ºC) bem como a sua extracção, remontam à quase 5.000 anos

atrás, e pode dizer-se que neste momento se encontra num avançado estado de evolução. Até

cerca do século XX, a Inglaterra era o único país da Europa onde se efectuava a extracção deste

metal. Não se sabe como é que era feita a sua extracção em tempos remotos, mas crê-se que o

homem primitivo descobriu o estanho acidentalmente nas cinzas frias das suas fogueiras, que

eram acesas aparentemente em buracos em solos ricos em cassiterita [12, 13].

Hoje em dia, o estanho ligado a outros metais, é utilizado em ligas para brasagem, revestimento

de latas em aço (folha de Flandres) e de tubos para água potável em cobre, cápsulas para

garrafas peças ornamentais, etc. Um dos seus pontos fortes é que combina séculos de

experiência com a promessa futura de ser um material em constante estudo na busca de soluções

inovadoras para decoração e em engenharia. Um dos seus grandes atributos consiste na sua

capacidade de responder a mais do que um requisito simultaneamente, como por exemplo,

baixar o ponto de fusão e melhorar a soldabilidade.

Provavelmente a peça mais antiga e conhecida de estanho data de cerca de 1500 a.C., e foi

encontrada no Egipto. O pewter é o nome dado a uma liga de estanho que tem já uma longa

história, tendo sido desenvolvido pela civilização Romana para artigos essencialmente

decorativos e ornamentais. Estas aplicações continuaram até ao dia de hoje, utilizando ligas com

composições que foram sendo alteradas ao longo do tempo, mas cujos valores típicos são; 90 a

97% de Sn (estanho), pequenas adições de Sb (antimónio, 5 a 6%, que aumenta a dureza da

liga), Cu (cobre, 1,5%), por vezes 0.5% de bismuto e tendo sempre a preocupação de reduzir o

Pb (chumbo) a valores muito baixos (<0.25%), devido aos seus problemas de toxicidade. A

tabela 1 apresenta algumas das composições típicas actuais desta liga, de acordo com a Norma

EN 611 [14]. Além destes elementos principais, as ligas de estanho podem ainda conter

elementos como a prata (máximo 4%), bismuto (<0.5%), cádmio (<0.05%) e adições de outros

elementos de liga, mas num teor nunca superior a 0.2%.

Tabela 1 – Excerto da tabela da norma EN 611 que regula as composições do pewter (%) [14].

Nº liga Pewter

Sn Elemento Ag %

Bi %

Cd %

Cu %

Pb %

Sb %

Outros elementos

% 1 Restante mas Sn+Ag

não menos de 91% Mínimo - - - 1 - 5 - Máximo 4 0.5 0.05 2.5 0.25 7 0.2

2 Restante mas não menos de 94%

Mínimo - - - 0.5 - 3 - Máximo 0.05 0.5 0.05 2.5 0.25 5 0.2

(…) (…) (…) (…) (…) (…) (…) (…) (…) (…) 5 Restante mas não

menos de 92.5% Mínimo - - - - - 6.5 - Máximo 0.05 0.5 0.05 0.05 0.25 7.5 0.2

6 Restante

Mínimo - - - - - - - Máximo 0.05 0.5 0.05 1.5 0.25 2.5 0.2

Estas ligas são apenas ligeiramente endurecíveis por deformação a frio, devido à sua baixa temperatura de recristalização e têm boa conformabilidade. A título de exemplo apresenta-se na figura 2 uma microfotografia de uma liga de estanho.

Figura 2 – Microestrutura de uma liga de estanho. As locais indicados referem zonas ricas em: Z1 – estanho, Z2 – cobre, Z3 – Ferro, Z4 – alumínio e Z5 – chumbo.

2. Trabalho experimental

Neste trabalho pretendia-se a produção de uma pré-série de 50 peças decorativas em pewter,

com a espessura de 1.5mm, tendo sido fornecida uma concha em porcelana (para visualização

do artefacto) e o respectivo contra-molde em gesso (fig. 3).

Figura 3 - Contra-molde em gesso da concha.

A peça a produzir tem uma curvatura sinuosa, que ao olharmos nos transmite um movimento

natural que consegue desenhar a peça num traço único e que transmite tranquilidade e

serenidade ao evocar o mar, a concha. É uma peça cujo intuito é decorativo mas ao mesmo

tempo funcional, devido às suas diversas finalidades, pois o seu design simples e moderno

adequa-a a qualquer compartimento.

Após análise de todas as condicionantes, e tendo em conta o espaço de tempo de 3 semanas para

enviar a pré-serie de 50 peças para o cliente sueco, a equipa envolvida no projecto decidiu

utilizar um processo de conversão indirecta para produzir uma ferramenta em resina carregada

com pó de alumínio que iria permitir num curto intervalo de tempo produzir a referida pré-série.

Fabrico das ferramentas

O contra-molde da concha revestido com desmoldante foi colado a uma placa de madeira

(contraplacado de cofragem revestido), para posteriormente se colarem quatro placas de madeira

para vazamento do silicone sobre o modelo. Em função do volume da caixa preparou-se a

quantidade adequada de silicone (cura de adição) que foi desgaseificado em vácuo e vazado na

caixa. Após cura de 24h procedeu-se à sua desmoldação (fig. 4a).

De seguida procedeu-se ao vazamento no molde de silicone de 1 parte de resina de poliuretano

carregada com 2 partes de pó de alumínio, para obtenção da ferramenta compósita (punção, fig.

4b). Após um período de cura de 1h, procedeu-se à desmoldação e de seguida realizou-se uma

pós-cura a 80ºC durante 4 horas para obtenção da dureza final do punção.

a)

Figura 4 – a) molde em silicone

Tendo em conta o processo de deformação plástica

espessura de 15mm, foi necessário fazer quatro

várias etapas. A realização da conformação numa única etapa conduzia ao rompimento da chapa

na zona mais afunilada. Apesar de se terem produzido quatro ferramentas, utilizou

molde de silicone para a ob

posteriormente por lixagem das zonas adequadas.

A ferramenta número 1 não tem a região do caracol, a ferramenta nº2 não tem o bico e a 3ª

ferramenta tem o bico apenas ligeiramente suavizado. A figura

ferramentas compósitas utilizadas.

final da zona terminal do caracol (fig.

a)

Figura 5 - a) ferramenta com o caracol limado; b

suavizado; c) ferramenta

b)

olde em silicone após desmoldação; b) vazamento da resina carregada no molde de silicone.

Tendo em conta o processo de deformação plástica a realizar na chapa de pewter com a

, foi necessário fazer quatro ferramentas para efectuar a conformação em

várias etapas. A realização da conformação numa única etapa conduzia ao rompimento da chapa

na zona mais afunilada. Apesar de se terem produzido quatro ferramentas, utilizou

para a obtenção das ferramentas, pois as alterações foram feitas

posteriormente por lixagem das zonas adequadas.

A ferramenta número 1 não tem a região do caracol, a ferramenta nº2 não tem o bico e a 3ª

ferramenta tem o bico apenas ligeiramente suavizado. A figura 5 mostra as três primeiras

ferramentas compósitas utilizadas. A ferramenta nº 4 destina-se apenas a vincar

final da zona terminal do caracol (fig. 6).

b) c)

com o caracol limado; b) ferramenta com o inicio do caracol

ferramenta completa com o bico ligeiramente limado.

após desmoldação; b) vazamento da resina carregada no molde

de pewter com a

ferramentas para efectuar a conformação em

várias etapas. A realização da conformação numa única etapa conduzia ao rompimento da chapa

na zona mais afunilada. Apesar de se terem produzido quatro ferramentas, utilizou-se o mesmo

, pois as alterações foram feitas

A ferramenta número 1 não tem a região do caracol, a ferramenta nº2 não tem o bico e a 3ª

mostra as três primeiras

se apenas a vincar o pormenor

com o inicio do caracol muito

limado.

Figura 6 - Punção final (4ª ferramenta).

Para a obtenção da matriz de conformação, foi colocada cera calibrada de 1.5mm

(correspondente à espessura da chapa de pewter a ser processada) na superfície do punção

original. Procedeu-se então ao vazamento da resina de poliuretano carregada que deu origem à

matriz (fig. 7).

Foi também preparada uma chapa de alumínio de 15mm para funcionar como cerra-chapas, que

se destina a fixar a chapa em pewter (1.5mm) a ser conformada (fig. 7).

Figura 7 – Matriz e cerra-chapas com a chapa em estanho (15mm) que vai ser cortada para as

dimensões adequadas à ferramenta.

Produção da pré-série

A produção de cada peça é efectuada em quatro fases:

• Colocação de lubrificante nas ferramentas, posicionamento da chapa de pewter na

ferramenta, colocação das guias da ferramenta e cerra-chapas, posicionamento das molas de

guiamento e colocação da 1ª ferramenta (ver fig. 8). Colocação do conjunto na prensa,

conformação e mudança de ferramenta (fig. 9).

a) b) c) d)

Figura 8 – Preparação da ferramenta; a) cavidade lubrificada; b) posicionamento da chapa de

pewter, colocação dos pinos guia e cerra-chapas; c) colocação das molas; d) posicionamento da

1ª ferramenta.

a) b) c)

Figura 9 – a) colocação da ferramenta na prensa hidráulica; b) prensagem; c) substituição da ferramenta.

• O segundo passo é realizar a conformação com a segunda ferramenta, mas agora sem o

cerra-chapas e as molas (fig. 10);

• A terceira e quarta etapa são idênticas, mudando apenas a ferramenta.

a) b) c)

Figura 10 – a) colocação da 2ª ferramenta na prensa hidráulica; b) peça prensada; c) peça final inacabada.

Durante a produção da pré-série ocorreram alguns contratempos derivados da alteração da

qualidade da liga de estanho que levou a que algumas peças rompessem na zona mais

pontiaguda (fig. 11). Este facto levou a que nesse lote de peças não se pudesse utilizar o punção

nº 4. Para contornar este problema fez-se um pequeno punção que vincava depois essa zona. A

figura 11 apresenta a peça final após corte e polimento com pasta de diamante.

Apesar da parte estética da peça ser agradável e simplista, a parte técnica teve alguns problemas

que foram ultrapassados com sucesso. A curvatura acentuada e o final pontiagudo da zona do

caracol levaram à necessidade de algumas iterações na ferramenta, de forma a produzir com

sucesso a pré-série de 50 peças pretendida. As ferramentas sofreram alguma deterioração ao

longo do processo de produção, no entanto revelaram-se adequadas para o número de peças

pretendido.

a) b)

Figura 11 – a) peça defeituosa com ruptura na zona do bico; b) peça final.

A figura 12 resume as principais etapas de produção da pré-série da concha em pewter.

a)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

h)

i)

j)

k)

l)

Figura 11 – Principais etapas de produção da peça em pewter: a) negativo da peça em gesso; b) molde em silicone do negativo da peça; c) vazamento da resina carregada; d) 1ª ferramenta

montada no suporte; e) 2ª ferramenta já com forma semelhante à da ferramenta final; f) ferramenta final; g) cavidade; h) ferramenta pronta para conformação; i) chapa após a 1ª

deformação; j) realização da 2ª operação de deformação; k) peça final inacabada; l) peça final.

Conclusão

Este trabalho pretendeu mostrar a viabilidade da utilização de um processo de conversão

indirecta de modelos obtidos a partir de diferentes processos tecnológicos.

Utilizando um protótipo inicial em gesso, foi possível fabricar ferramentas compósitas em

resina de poliuretano carregada com pó de alumínio (“bridge tooling”) que permitiu produzir

uma pré-série de 50 peças de uma concha decorativa em liga de estanho (pewter), num prazo em

que a utilização de uma ferramenta metálica era inviável.

Apesar da ferramenta ter ficado bastante degradada após a produção da pré-série, o processo

utilizado mostra a importância da utilização deste tipo de ferramentas para a produção de um

baixo número de peças em prazos extremamente reduzidos, permitindo às empresas responder

adequadamente a muitas das exigências actuais do mercado internacional.

Embora com o sacrifício de algum tempo de produção mas também com alguns benefícios em

termos económicos, se o memo processo fosse usado com resinas epoxídicas carregadas o

desgaste da ferramenta protótipo poderia ser fortemente atenuado. O problema é que os tempos

de cura das resinas epoxídicas para moldes espessos são substancialmente superiores aos

tempos de cura das resinas de poliuretano usadas neste trabalho.

Agradecimentos

A realização deste trabalho foi possível graças à colaboração de vários intervenientes.

Gostaríamos particularmente de agradecer ao Sr. Sertório Lares, à Freitas & Dores na pessoa do

Sr. José Manuel Dores, à empresa Sueca Svenskt Tenn, na pessoa do Thommy Bindefeld e ao

Designer Americano Ted Muheling.

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