Prensagem

Prensagem

• Operação de conformação baseada na compactação (com aplicação de pressão) de um pó granulado contido no interior de uma matriz rígida ou de um molde flexível.

• Compreende três etapas ou fases: (1) preenchimento da cavidade do molde;(2) compactação da massa;(3) extração da peça.

• Processo de conformação mais utilizado pela indústria cerâmica:– elevada produtividade;– facilidade de automação;– capacidade de produzir peças de tamanhos e formas variadas,

sem contração de secagem e com baixa tolerância dimensional.

Preenchimento das Cavidades do Molde

Preparação da massa e aditivos de prensagem:

• objetivo: proporcionar uma mistura homogênea das matérias-primas e aditivos, e adequar a massa para a etapa de prensagem:– elevada fluidez → escoar rapidamente e preencher o molde de

maneira homogênea;– elevada densidade de preenchimento→ quantidade mínima

de ar a ser expulsa durante a fase de compactação;– características mecânicas adequadas dos grânulos →

dureza, resistência mecânica e plasticidade.

• Tais requisitos implicam que os grânulos devem:– ter geometria esférica e textura o mais lisa possível;– ser suficientemente moles e deformáveis em pressões

moderadas, facilitando o deslizamento durante a fase de compactação.

Preenchimento das Cavidades do Molde

• Porém, os grânulos não podem ser tão frágeis, moles e deformáveis → podem se romper, deformar ou aglomerar uns aos outros durante a armazenagem e transporte da massa.

• Características mecânicas dos grânulos dependem:▫ da porosidade;▫ do tamanho das partículas que os compõe;▫ da natureza e resistência das ligações químicas → podem ser

alteradas com o uso de aditivos (ligantes, plastificantes e lubrificantes).

Ligantes orgânicos: conferem resistência mecânica suficiente; Plastificantes: aumentam a deformabilidade do ligante e

reduzem sua capacidade de adsorção da umidade ambiente; Lubrificante: reduzem a fricção entre os grânulos da massa (ou

peça conformada) e a parede do molde durante a etapa de compactação (ou extração da peça);

Preenchimento das Cavidades do Molde• A massa deve possuir boa fluidez para ser rápida e

uniformemente distribuída pelo molde;• Parâmetro: velocidade de fluxo (cm3/s);• Características que determinam a fluidez: forma, aderência,

distribuição e textura superficial dos grânulos.

Equipamento para a medida da velocidade de fluxo de massas cerâmicas.

Preenchimento das Cavidades do Molde• tamanho intermediário: adequada morfologia (esférica) e tamanho relativamente grande;

• tamanho inferior: aumento do número de pontos de contato entre os grânulos por unidade de volume;

• tamanhos superiores: grânulos menores se aderem aos grânulos maiores, resultando em aglomerados de morfologia irregular.

Preenchimento das Cavidades do MoldeEfeito do teor de umidade da massa sobre a velocidade de fluxo:

→ resultado do aumento das forças de adesão nos pontos de contato existentes entre os grânulos, devido à tensão superficial da água.

Preenchimento das Cavidades do Molde• A massa deve possuir uma densidade relativa (ρ0) ou “compacidade” elevada;• Densidade relativa: razão entre a densidade de preenchimento (ρap0) e a

densidade real das partículas (ρs);• Uma densidade relativa excessivamente baixa indica:– elevado conteúdo de ar que deve ser extraído durante a fase de

compactação;– excessivo deslizamento do molde.

↓Ocasionam problemas durante a execução da operação de prensagem, e podem originar defeitos no produto acabado.

Compactação -material granulado submetido a compressão

• Aumento na compactação permanente - fluxo, reordenação, deformação plástica e destruição dos grânulos ( intervalo de baixas pressões ); deslizamento e reordenação das partículas que constituem os grânulos (pressões habituais);

• Compressão elástica das partículas, ligantes e lubrificantes líquidos, e de gás;

• Fluxo de líquidos e gases através dos poros por fluxo viscoso, devido aos gradientes de pressão;

• Se a prensagem é uniaxial, a fricção entre as partículas e entre estas e as paredes do molde provoca uma distribuição heterogênea da pressão de compactação.

Compactação - Mecanismos de diminuição do volume e tamanho dos poros

Mecanismo I

Redução do volume ocupado pelos porosintergranulares e de seu volume através do deslocamento ereordenação dos grânulos.

Vpg< Vpg0

Vpp= Vpp0

Compactação - Mecanismos de diminuição do volume e tamanho dos poros

•Mecanismos 2 e 3 •Redução do volume e tamanho dosespaços intergranulares por deformação plástica e/ou destruiçãodos grânulos; •Esmagamento de grânulos ocos, geralmente presentes nas massas cerâmicas.

•Diminuição de volume e tamanho dosporos intragranulares pelo deslizamento e reordenação das partículas - empacotamento mais denso.

Vpg<< Vpg0

Vpp= Vpp0

Vpg= 0

Vpp<< Vpp0

Vpg= 0

Vpp =0

Compactação - Estágios

Inicial:

máximo

empacotame

nto sem

deformação

ou destruição

–

deslizamento

e

reordenação

dos

grânulos .

Intermediário:

deformação e/ou

destruição dos

grânulos, maior a

área de contato -

peça mais

homogênea,

eliminação dos

poros

intergranulares.

Final: eliminação dos poros intragranulares -deslizamentoe reordenação das partículas, interfaces imperceptíveis, peça homogênea, compressão elástica.

Os estágios podem acontecer simultaneamente.

Compactação final

Dois motivos:

- Formação de empacotamentos irregulares e porosos de partículas que resistem às altas pressões devido a sua fragilidade e dureza;

- Elevada presença de ligantes e plastificantes líquidos.

Sempre inferior ao empacotamento mais denso possível das partículas.

Variáveis da compactação

• Influência de algumas variáveis de operação sobre o processo de compactação:

▫Aditivos – umidade: queda da resistência mecânica, aumento da plasticidade, pressão sobre a água e não nos pontos de contato;

▫Compacidade do grânulo – quanto maior a compacidade maior dificuldade de eliminar os poros inter/intraganulares;

▫Tamanho médio e distribuição de tamanhos – compacidade maior é obtida com grânulos maiores

▫Estrutura dos aglomerados (ocos ou maciços) – se teor de plastificante é alto, não há diferenças na compacidade nem na microestrutura resultante;

▫Saída de ar do interior da massa através de fluxo viscoso – evitar pressurização do ar aprisionado e a expansão de extração; a permeabilidade da massa diminui conforme avanço da compactação, diminuição do tamanho dos grânulos (poros menores) e presença de água (argilosas).

Variáveis da compactação

Extração da Peça• Compressão elástica da massa no processo de compactação; • Energia elástica é dissipada à medida que se retira a carga e se extrai a

peça, provocando aumento de suas dimensões → “expansão de extração” • Expansão excessiva pode ocasionar problemas e defeitos nas peças →

expansão máxima aceitável: 0,75%

• Aumento da pressão → aumento dos pontos de contato entre as partículas e da elasticidade;

• Aumento do teor de água (plastificante) → aumento da plasticidade dos grânulos.

Extração da Peça• Diminuição da expansão de extração com a redução da

velocidade de aplicação da carga:▫ favorece o reordenamento das partículas, que alcançam

posições mais estáveis;▫ reduz a quantidade de ar aprisionado no interior do corpo.

• Prensagem uniaxial : fricção entre as superfícies do molde e da peça gera uma tensão de cisalhamento → deve ser a menor possível

Extração da Peça

A umidade dos grânulos atua como:

• plastificante: reduz a energia elástica armazenada na peça;

• lubrificante: reduz a fricção na interface peça/molde.

Resistência Mecânica das Peças a Verde

aumento da pressão de prensagem → aumento a compacidade da peça → aumento da área efetiva de contato entre os grânulos → aumento da resistência mecânica da peça

Resistência Mecânica das Peças a Verde

• A relação entre compacidade e resistência depende da pressão de fluência do grânulo;

• para uma mesma compacidade, as peças mais fortes são aquelas que foram obtidas a partir dos grânulos mais úmidos;

• pressão de fluência mais baixa → grãos mais plásticos e deformáveis → aumento efetivo da área de contato entre os aglomerados → aumento da resistência mecânica da peça.

Resistência Mecânica das Peças a Verde• Mantendo-se constante as demais características da peça →

resistência mecânica da peça é tanto maior quanto menor é o tamanho médio dos aglomerados;

• Motivo: tamanho do defeito iniciador da trinca aumenta com o tamanho médio do grânulo.

Considerações técnicas

Prensagem Uniaxial• Aplicação de pressão na

direção axial, através de punções rígidos;

• Fabricação de peças sem relevo superficial;

• Produtos estruturais, refratários, cerâmicas eletrônicas e magnéticas e outras cerâmicas técnicas

• Técnica de conformação de peças mais empregada

Prensagem Uniaxial

• Simples ação –peças de geometria simples e de espessura reduzida.

• Dupla ação - espessura da peça é muito grande para o emprego da técnica de ação simples.

Prensagem Uniaxial

• Nos casos em que a fricção entre os grânulos e as paredes do molde provoca uma excessiva heterogeneidade na densidade da peça e/ou a formação de trincas durante a extração da peça, é recomendável que a matriz também seja móvel.

Prensagem Uniaxial• Para a obtenção de peças

de geometrias mais complexas, faz-se necessário o emprego de várias punções, superiores e/ou inferiores, que se movimentam de forma sincronizada em função do programa de compactação previamente estabelecido.

Equipamento e programas de compactação

•São utilizadas prensas do tipo hidráulicas

Defeitos e problemas associados à prensagem uniaxial

• Compacidade inadequada da peça▫Este defeito pode estar relacionado a uma falta

de controle na preparação da massa. A variação no teor de umidade da massa, provocada por alterações nas condições de operação do secador modifica sensivelmente a compacidade da peça prensada.

Defeitos e problemas associados à prensagem uniaxial

•Desgaste do molde por abrasão▫Este problema provoca uma mudança

progressiva nas dimensões da peça e um deterioramento de sua textura superficial.

Defeitos e problemas associados à prensagem uniaxial• Formação de trincas

▫ Motivos: Desenho inadequado do molde, Excesso de ar aprisionado durante a fase de compactação Excessiva expansão da peça durante sua extração do molde Fricção elevada entre a peça e a parede do molde durante a extração

Defeitos e problemas associados à prensagem uniaxial• Falta de uniformidade da compacidade no interior da peça

e/ou entre peças▫ As variações excessivas na compacidade no interior de uma

peça causam deformações e distorções nas peças, inclusive quebra de peças durante a queima.

▫ A principal causa deste tipo de defeitos é um preenchimento não-uniforme das cavidades do molde.

▫ A região da cavidade do molde que contiver mais massa no final da etapa de preenchimento será a de maior compacidade após a etapa de compactação.

Prensagem isostática

▫ molde flexível;▫ atuação de um fluido pressurizado;▫ distribuição homogênea da pressão sobre a superfície do

molde;▫ fabricação de peças de formas complexas, que apresentem

relevos em duas ou mais direções, ou uma de suas dimensões é muito maior do que as demais (tubos e barras);

▫ produtos estruturais, eletrônicos, químicos e refratários.

•Molde úmido•Molde seco

Molde úmido

• A massa é introduzida no interior de um molde flexível e impermeável ao fluído pressurizado. Uma vez fechado, o molde é submerso no líquido (geralmente água) contido na câmara de pressão. Na fase de compactação, o líquido, que é pressurizado por uma bomba hidráulica, deforma o molde flexível e transmite uniformemente a pressão à massa.

Vantagens

•Obtenção de peças com uma distribuição de compacidade praticamente homogênea

•Grande versatilidade de formas•Baixo custo do molde

Desvantagens

•Excessiva duração do ciclo de prensagem, da ordem de minutos ou mesmo dezenas de minutos

•A dificuldade de se automatizar a operação

•Elevado custo de mão-de-obra

Molde seco

• Esta técnica foi desenvolvida para aumentar a velocidade de produção da técnica de molde úmido. Basicamente, nesta técnica, em vez de submergir o molde em um fluido, ele é feito com canais internos por onde se faz circular o fluido pressurizado.