Processos de fabricaProcessos de fabricaçção ão

não convencionaisnão convencionais

Processos não convencionaisProcessos não convencionais

�� Jato de Jato de ááguagua�� Jato de Jato de áágua com abrasivogua com abrasivo�� UltraUltra--somsom�� EletroquEletroquíímicamica�� EletroEletro--erosãoerosão�� LaserLaser�� PlasmaPlasma�� Feixe de elFeixe de eléétronstrons

ClassificaClassificaçção de acordo com a ão de acordo com a

natureza energnatureza energéética do processotica do processo

Campos de aplicaCampos de aplicaççãoão

Jato de Jato de ááguagua

� 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 àcompressão 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.

ProcessoProcesso

� 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 material que se pretende cortar.

� Fluxo - O fluxo de água determina o índice de remoção do material. Há dois modos de aumentar o fluxo de água: aumentando a pressão da água ou aumentando o diâmetro do orifício da safira

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

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

VantagensVantagens

� 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.

DesvantagensDesvantagens

� 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

UltraUltra--somsom

� 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 ultra-sonora, 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 àaplicação 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 àquebra

� 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 elFeixe de eléétronstrons

� 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

LaserLaser

� 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 éadequado 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 laserTipos 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 àespessura 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 ésubstituído 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 não-metálicos, como madeira e couro; a formação de produtos tóxicos (ácido clorídrico), no corte de PVC.

Video 2 Video 3

PlasmaPlasma

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 éa 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

EletroerosãoEletroerosão

� 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, épossível 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 émaior.

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

UsinagemUsinagem ququíímicamica

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

Etapas do processoAs 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

UsinagemUsinagem eletroqueletroquíímicamica

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

Vantagens:� qualquer material condutor pode ser usinado por este método;� a velocidade de retirada do material permite a obtenção de

estados de superfície rigorosos, sem danos à estrutura do metal;� formas complexas podem ser reproduzidas por este método;� não há desgaste da ferramenta;� é possível controlar a quantidade de material removido.

Inconvenientes:� problemas devidos à corrosão;� dificuldades próprias do processo de eletrólise;� pode ocorrer a formação de produtos tóxicos, dependendo do

eletrólito utilizado� dificuldades para ajustagem da ferramenta.