PT711213E - Processo para utilizacao em fundicao - Google Patents

Description

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DESCRICÃO “Processo para utilização em fundição” O invento refere-se a um processo para o fabrico de um molde de fundição, consistindo em areia de moldação, de acordo com o conceito do preâmbulo da reivindicação 1, o qual se baseia em FR-A-2678532. São conhecidos processos para o fabrico rápido de objectos complexos tridimensionais, reiativamente à sua geometria e que apresentam também cortes inferiores, e de precisão, processos esses que operam sem moldes de protótipo, isto é, sem molde exterior e interior de objectos já existentes, como modelo positivo, ou modelo negativo, e também sem processos de arrancamento de aparas e de escavação, gerindo directamente os objectos desejados a partir da representação tridimensional produzida em computador, utilizando-se nesses processos, como matérias-primas, materiais básicos como pós ou líquidos. Os referidos processos são conhecidos com as designações: processos de fabrico generativo, “Rapid Prototyping” RP, “Solide Freeform Manufacturing” SFM, ou “Fast Freeform Fabrication” FFFF (Technische Rundchau 83 (1991) 20, páginas 36-43 e 44, páginas 58-61, Materials World, Dezembro de 1993, páginas 656-658, Modern Casting, Outubro de 1993, páginas 25-27. O mais conhecido destes processos é a Estéreo-litografia (Konstruieren+Giepen 17 (1992) 4, páginas 13-19, Technische Rundschau 82 (1991) 11, páginas 40-41, Automobil-Produktion, Agosto de 1992, páginas 102-104, Laser-Praxis, Maio 1992, páginas LS58/LS59).

Por meio destes processos podem ser fabricados protótipos, peças de modelo, etc., em diversos materiais sintéticos, de papel revestido, bem como de cera. Existem vários materiais adequados para utilização no fabrico dos objectos pelos mesmos, como modelos perdidos no processo de moldação com cera perdida, de modo que, em consequência disso, podem ser fabricadas também peças de fundição pelo processo de moldação de molde perdido sem moldes de protótipo. Além disso, sabe-se que, pelo processo “Selectiv Laser Sintering” SLS, podem também ser fabricados objectos metálicos e cerâmicos sem moldes de protótipo (Int.J. of Powder Metallurgy 28 (1992) 4, página 369-381, Metallurgical Transactions A 24/1993, páginas 757-759).

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Um processo conhecido com a denominação de “Selectiv Laser Sintering” foi divulgado por DE 43 00 478 C1. Por meio deste processo podem ser produzidos objectos tridimensionais, através de endurecimento consecutivo de camadas individuais do objecto a formar por material pulverizado, que pode ser endurecido por meio da actuação de radiação laser sobre os sítios de cada camada correspondentes ao objecto. É já conhecido o fabrico de objectos tridimensionais, através de “Laser Sintering” de pó metálico, ou pó cerâmico.

Os pós utilizados no processo Selectiv Laser Sintering são de natureza cerâmica e consistem em dois componentes A e B, sendo a ligação entre as partículas efectuada através de ligação cerâmica, portanto, de reacção química entre os componentes do pó. É conhecida a utilização de óxido de alumínio em ligação com dihidrogenofosfato de amónio, ou pó de vidro de fluorofosfato como aglutinante, sendo aberta por fusão uma substância de cada vez das substâncias anteriormente mencionadas, tendo como efeito uma fase de vidrificação, uma vez infiltrado o óxido de alumínio granulado e efectuada a ligação por meio de endurecimento com uma determinada resistência em verde. Depois, o corpo fabricado é exposto fora da máquina Selectiv Laser Sintering durante várias horas a uma temperatura acima de 800 graus Celsius, tendo como resultando que ambos os componentes reagem, conseguindo-se uma ligação cerâmica de alta densidade, estabilidade, dureza e de elevada temperatura de fundição (processo de cozedura “Firing”). Neste processo os componentes podem ser misturados (Fig. 1), ou um componente pode ser revestido pelo outro (Fig. 2), criando-se em qualquer dos casos, após o processo de cozedura, um corpo constituído por substâncias cerâmicas ligadas (Fig. 3). A característica, em todas as versões deste processo até hoje conhecidas, é a inclusão do componente A inicialmente não fundido na máquina de “Selectiv Laser Sintering” na reacção química no processo de cozedura de que resulta o corpo cerâmico C. Para além disso, são típicas as altas temperaturas necessárias para este processo, os longos períodos de cozedura e a utilização proposta do corpo cerâmico formado como coquilha, ou macho, para o processo de moldação de cera perdida. Da mesma forma fabrica-se uma peça cerâmica de utilização similar de outros materiais. (3rd Int. Conf. on Rapid Prototyping at the University of Dayton, Conf. Proceedings, Dayton, Ohio, 1992, páginas 73-77; Solid Freeform Fabrication Symposium

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Proceedings, University of Texas at Austin, Texas, 1991, páginas 105-205, 205-212, e 1992, páginas 44-53, 63-71, 124-130, 141-146; patentes US n°s. 5 156 697, 5 147 587, 4 944 817, pedido de patente Europeia n°. 0 416 852. A2).

Esta descrição não pretende aprofundar mais precisamente a aplicação mais usual do processo “Selective Laser Sintering”, quer dizer, a sinterização de pós de y material sintético por meio de abertura por fusão das partículas na sua superfície e por conglomeração das mesmas, em virtude dos objectos fabricados desta maneira não serem directamente aplicáveis ao processo de fundição em molde de areia, quer dizer, como coquilhas e machos. Tão pouco se aprofunda o conhecido tratamento térmico de pós de cera, por os objectos fabricados desta maneira serem exclusivamente adaptados para aplicação como modelos perdidos (positivos) no processo de moldação de cera perdida, (patentes US n°s. 5 155 324, 5 053 090, 5 076 869, 5 132 143, 5 017 753, 4 863 538, pedido de patente internacional PCT/US87/02635 (Publ. Internac. n°. WO88/02677).

No caso dos pós metálicos sinterizados, as partículas metálicas são revestidas por aglutinantes poliméricos como, por exemplo, resina de epóxi (Fig. 29), ou misturadas (Fig.1), de modo que a ligação para se conseguir a resistência em verde dos objectos seja efectuada por meio deste aglutinante polimérico. Neste caso, realiza-se, durante o tempo de irradiação do material na máquina de “Selective Laser Sintering”, o endurecimento por meio da abertura por fusão na superfície do polímero, a infiltração das partículas metálicas/cerâmicas e a colagem seguinte ao arrefecimento (Fig. 4). Neste caso, não se efectua qualquer reacção química. Depois, fora da máquina de “Selective Laser Sintering”, o aglutinante polimérico é retirado por meio de um tratamento térmico, que sinteriza as partículas metálicas umas às outras a temperaturas substancialmente elevadas (Fig. 5). Após o tratamento térmico, o corpo ainda poroso pode ser infiltrado por um metal secundário D, com um ponto de fundição baixo, a fim de se conseguir a densidade e a estabilidade finais (Fig. 6). (Ver acima o descrito “Solid Freeform Fabrication Syposium Proceedings”, University of Texas at Austin).

Além disso, são ainda descritas as ligações efectuadas por meio de ligações inter-metálicas (ver acima), cujo fabrico precisa, contudo, de laseres mais eficazes e, assim, do emprego de uma potência mais elevada. A utilização de peças

84 369 ΕΡ0 711 213/ΡΤ 4 metálicas e cerâmicas fabricadas desta maneira, como coquilhas e machos perdidos, não é possível no processo de fundição em molde de areia.

Além disso, é conhecido que os moldes cerâmicos para o processo de fundição em molde de areia podem ser fabricados no chamado “Direct Shell Production Casting”, por meio do endurecimento selectivo de pós cerâmicos através de um aglutinante de silicato expelido por um pulverizador móvel (Modern Casting, Março 1993, página 55 e páginas 1993, páginas 30/31, Plastics World, Fevereiro 1993, página 23). Neste caso, trata-se de uma reacção química, que tem como resultado uma ligação cerâmica, que se cria de forma selectiva, por o componente de aglutinante B ser adicionado, apenas nos sítios desejados, ao componente básico A, aplicado de modo plano. Desta maneira, também não podem ser fabricados no processo de fundição em molde de areia, machos e moldes perdidos.

Sabe-se, para além disso, que podem ser utilizadas partículas fundíveis que são aplicadas em camadas, por analogia ao processo de “Selectiv Laser Sintering”, e que são abertas por fusão por meio de um laser, em cada camada, de modo a corresponderem ao contorno da peça a fabricar, e que constituem, através de sinterização, a peça a fabricar. Neste caso, as partículas fundíveis consistem em material sintético, em areia revestida de material sintético, ou nas próprias partículas de areia fundíveis. No último dos casos apresentados, o laser tem de possuir uma potência suficiente para fundir areia. Não é conhecido que os objectos fabricados desta maneira possam ser aplicados como moldes e machos perdidos no processo de fundição em molde de areia de metais, (patente US n°. 4 247 508). Não se conhece se é possível o fabrico de moldes e machos perdidos, adaptados para a fundição com outros materiais, a não ser por materiais cerâmicos construídos por processos de fabrico de geração sem a aplicação de protótipos. Assim, todos os moldes e machos fabricados desta maneira sem moldes de protótipo, limitam-se, até ao momento presente, quanto à aplicação da técnica de fundição, ao processo de moldação de cera perdida, e para o processo de fundição em molde de areia muito usual não existe, porém, nenhum processo de moldação rápido que trabalhe sem moldes de protótipo (modelos e caixas de machos). É também conhecido que os materiais de moldação que endurecem a temperaturas moderadas podem ser aplicados para a fabrico de machos e moldes

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84 369 ΕΡ Ο 711 213/ΡΤ 5 para a indústria de fundição, podendo os machos e os moldes fabricados ser fundidos por quase todos os materiais de fundição já conhecidos. Estes materiais de moldação consistem num material básico de moldação, de acordo com as reivindicações 1 e 2, e, eventualmente, de acordo com a reivindicação 15, num aglutinante de acordo com a reivindicação 4, e, eventualmente, em aditivos de acordo com a reivindicação 19. Estes materiais de moldação, podem, contudo, ser aplicados até ao momento presente, apenas com a utilização de moldes de protótipo como dispositivos de modelo e caixas de machos que têm de consistir, na sua totalidade, em metal. (Flemming/Tillich: Formstoffe und Formverfahren, Dt. Verlag, f. Grundstoffind. Leipzig/Stutgard, 1a edição 1993, páginas 333-367, ver também páginas 105 e seguintes).

Abstraindo-nos de que se empregam ainda cada vez menos processos (o processo de cozimento com macho acima indicado, páginas 333-338), aplicam-se processos com sistema de ligação de endurecimento químico, sendo iniciada e continuada a reacção de endurecimento químico por meio de adição de calor induzido exteriormente. O material básico de moldação A, que não participa na reacção de endurecimento e que reage de modo quimicamente inerte, pode ser misturado com o aglutinante B, que reage quimicamente (Fig. 1), ou revestido pelo mesmo (Fig. 2).

Como materiais básicos de moldação são adequados todos os materiais usados na fundição para este fim, portanto, areia de quartzo (de forma mineral como: quartzo de qualidade superior (“Hoch-Quarz”) e quartzo de qualidade inferior (“Tief-Quarz”), cristobalita, ou tridimite, ou também quartzo amorfo) olivina, areia de zircónio, areia de cromita, areia de carbono, argila refractária, ou corindo. O material básico de moldação pode ser pulverizado, ou granulado, e pode consistir em partículas redondas, de forma irregular, angular, ou em estilhaços; podendo, além disso, o material ser novo, ou também obtido por material de moldação já utilizado através de regeneração, ou simples reutilização. O material pode apresentar grãos de tamanho estreito, ou largo, isto é, o referido material pode consistir, relativamente à característica dos grãos, numa areia sintética de uma só espécie de grãos, ou numa mistura de grãos de tamanhos diferentes, como se encontram por exemplo, em jazigos naturais. São possíveis materiais básicos de moldação, que consistem nas várias misturas das substâncias acima mencionadas,. 84 369 ΕΡ0 711 213/ΡΤ 6

Para os processos de endurecimento a temperaturas moderadas e elevadas utilizam-se como aglutinantes, vários aglutinantes orgânicos. São aplicadas resinas de fenol (“Novolake”, ou ““Resole”), resinas de furano, resinas de ureia, resinas de amino, resinas de ureia-formaldeído, resinas de álcool furfurílico-formaldeído-ureia, resinas de furano modificadas por fenol, resinas de fenol-formaldeído e resinas de álcool furfurílico-fenol-formaldeído. É também possível um endurecimento por meio de adição de calor a sistemas de materiais básicos de moldação com aglutinantes de resina de epóxi e de resina acrílica; os aglutinantes referidos, porém, são presentemente empregues por razões de produtividade, essencialmente, por meio de têmpera em gás (anidrido sulfuroso). A escolha do aglutinante depende, nestes processos, da especificidade do material de fundição e da peça de fundição, assim como das exigências de qualidade, de processo, de preço e de produtividade. Em consequência destas exigências, podem ser necessários um ou vários aditivos, conforme o caso de aplicação. Dependendo do processo de tratamento e da engenharia industrial, assim como da finalidade de aplicação, o aglutinante pode apresentar antes do processo de revestimento, ou mistura, uma forma fluida, sólida, granulada, pulverizada, e pode ser modificado e/ou em soluto. O endurecimento e assim o aumento da estabilidade dos materiais de moldação, consistindo no material básico de moldação e no sistema de aglutinante, efectua-se através de uma reacção química do sistema de aglutinante, na qual o material básico de moldação não participa (com uma quota de 85-99 % da massa total do material de moldação). A reacção de endurecimento baseia-se na policondensação das resinas já pré-condensadas com intensidade diferente por meio de adição de calor exterior, formando-se macromoléculas, em grande medida espacialmente reticuladas, o que têm como resultado a consistência do material de moldação agora endurecido. Esta reacção de policondensação é irreversível e o componente de aglutinante E (Fig. 7), em comparação com a sua forma básica B (Figs. 1 e 2), tem outras características químicas; contudo, o material básico de moldação A não participou na reacção e existe na forma inalterada. Um dos processos de moldação mais conhecido empregue na fundição é o processo de máscara de moldação, de acordo com Croning, descrito em “Meyers Lexikon Technik und Exakte Naturwissenschaften, Vol. 2 Bibliographisches Institut AG Mannheim 1980, Páginas 1150 e seguintes”, que serve para o fabrico de moldes e machos, em que materiais de moldação revestidos com resinas, secos e capazes de escorregar, são endurecidos sobre, ou dentro de um molde de protótipo aquecido.

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Neste processo são fabricados moldes em forma de coquilhas de espessura uniforme, chamadas máscaras, com a ajuda de dispositivos de modelo, sendo depois sempre juntas duas máscaras formando o molde de fundição, no qual se efectua a fundição. As peças moldadas fabricadas em metal e fixas na chamada placa de modelo, igualmente em metal, são, neste processo, pré-aquecidas através da placa, a uma temperatura de 200 a 400° C, sendo o material de moldação seco e capaz de escorregar (consistindo em material básico de moldação revestido com o sistema de aglutinante) vazado sobre a placa de modelo. Após o começo da reacção química de endurecimento descrita acima (policondensação) no material de moldação, por efeito do calor produzido pela placa de modelo e introduzido na acumulação do material de moldação até uma determinada profundidade, proporcional ao tempo disponível para a condução térmica e, após a progressão da referida reacção, até a um determinado grau de reticulação, o material de moldação excedente é vazado e a camada residual moldada (a máscara) é completamente endurecida ainda pela adição de calor, através do lado posterior (por exemplo por meio de um bico de gás); depois, é removida uma metade de máscara de moldação do dispositivo de molde. Podem ser fabricados, segundo o mesmo princípio, machos de máscara (ocos), efectuando-se a introdução do calor através do contorno exterior da caixa de machos, sendo vazado o material de moldação não endurecido existente no interior. Ambas as metades de máscara de moldação, assim como, eventualmente, os machos adicionais, são seguidamente juntos, formando o molde de fundição, sendo, eventualmente, colados, grampeados, e/ou apoiados pela massa de enchimento ao redor do referido molde, e aptos para a fundição. Durante o processo de fundição a resina sintética é queimada e, em seguida, a areia pode ser facilmente removida da peça de fundição.

Um outro processo de fundição conhecido em molde de areia é o processo de moldação com moldes de caixas descrito na referência acima mencionada.

Os moldes complexos para peças fundidas em molde de areia consistem, geralmente, em duas metades de máscara de moldação, ou em caixas de fundição que consistem em várias peças com um ou vários machos inseridos. Cada um dos componentes do molde tem de ser estruturado de forma tão simples que possa ser retirado da sua caixa de machos, ou levantado da sua placa de modelo. Em consequência da obrigatoriedade de uma simplificação, aumenta o número dos

84 369 ΕΡ Ο 711 213/ΡΤ 8 machos necessários. Para peças de fundição complexas, como por exemplo cabeças de cilindro para a construção de motores, necessitam-se de entre cinco a vinte machos individuais que são inseridos em ambas as caixas de fundição, ou individualmente, ou juntos, anteriormente compostos por um conjunto de machos. O processo conhecido apresenta as desvantagem descritas seguidamente. 1. Para cada um dos machos tem de ser fabricada uma caixa de machos, consistindo em duas peças, o que exige muito tempo e trabalho na fase de protótipo. Para os moldes de máscara precisa-se de uma placa de modelo aquecível. 2. Cada junta entre os machos, ou entre a máscara de moldação e o macho, apresenta tolerâncias, de modo que a precisão global da estrutura para peças de fundição a fabricar com exactidão, não é suficiente. 3. É necessário de trabalho adicional para a construção das juntas ou das caixas de machos, para determinação da posição de cada um dos machos,. A reacção química que decorre no processo de máscara de moldação será explicada pormenorizadamente, de forma exemplificativa, relativamente ao grupo dos materiais que o endurecem a temperaturas moderadas e elevadas. Noutros sistemas de aglutinante podem surgir variações do princípio básico universal descrito seguidamente.

Como aglutinantes para os materiais de máscara de moldação aplicam-se resinas de fenol tipo “Novolake". As referidas resinas possuem já uma quantidade elevada de moléculas reticuladas. O processo de reticulação da resina, no fabrico da resina e no revestimento do material básico de moldação, foi interrompido prematuramente. Durante o revestimento, foi adicionado ao material de moldação, hexametilenotetramina, portadora de formaldeído, que liberta o mesmo sob o efeito do calor. Através deste formaldeído realiza-se, sob o efeito do calor, a continuação do endurecimento e da reticulação da resina. Neste processo, a resina transforma-se do estado “Resol” A (fusível), passando pelo estado “Resitol” B (plástico), no estado “Resit” C, de forma irreversível (endurecido, não fusível), não conseguindo atingir totalmente este estado. Cerca de 10 a 15% do aglutinante de resina ficam nos estados “Resol” A e “Resitol” B e conferem uma certa elasticidade residual da

84 369 ΕΡ Ο 711 213/ΡΤ 9 peça de molde, que permite o tratamento sem problemas da peça de molde, quanto à técnica de fundição. (É ainda possível um ajustamento, por exemplo, depois de retirada a peça para fora do molde de protótipo). A reacção progride, porém, o suficiente para ser conseguido o estado de endurecimento irreversível e, em grande parte, a elevada estabilidade deste estado. Geralmente não é necessário um tratamento térmico. Apesar disso, caso o tratamento térmico seja executado (por poucos minutos em temperaturas que variam entre 150° e 250° Celsius) para, por exemplo, afastar ainda os últimos restos dos produtos da reacção gasosa e o vapor de água das peças moldadas, e para evitar, desta maneira, as faltas provocadas por gás em peças de fundição sensíveis, este efeito térmico não conduz, assim, à dissolução de uma ligação colante reversível entre as partículas do material de moldação e, desta maneira, à destruição da peça de molde, aumentando, no entanto, a estabilidade pelo endurecimento completo no estado irreversível “Resit” C. A energia térmica necessária para o endurecimento dos aglutinantes de materiais de moldação (dependendo do tipo de aglutinante e da geometria da peça de molde) aqui relevante, é introduzida no material de moldação, através do molde de protótipo aquecido a cerca de 200-400° Celsius (modelo no caso do fabrico de um molde exterior, caixa de machos no caso do fabrico de um macho). Esta introdução de calor executa-se através de condução térmica do exterior até à profundidade do material de moldação. Por causa da capacidade da condução térmica relativamente má da maioria dos materiais de moldação, esta condução térmica é um processo que provoca uma perda de tempo, o que tem como resultado, por um lado, o abaixamento da produtividade do processo e, por outro lado, o ajustamento conveniente das qualidades dos materiais de moldação. Desta maneira, é necessário um determinado tempo de permanência no molde de protótipo, para poder adicionar o calor ao volume da peça de molde; neste período, a coquilha exterior da peça de molde, directamente contígua à caixa de machos, fornece o calor e é, por isso, exposta ao efeito de calor mais forte, não deve queimar. A reactividade do material de moldação tem de ser ajustada em correspondência com este facto, o que inclui sempre um compromisso entre as qualidades do material de moldação e os parâmetros do processo. Em consequência das temperaturas do molde de protótipo acima mencionadas, e do aquecimento do mesmo, por exemplo, por meio de uma chama de gás de actuação directa, podem ser empregues apenas moldes fabricados inteiramente em metal (na maioria dos casos os de maior estabilidade). 10 84 369 ΕΡ0 711 213/ΡΤ

Por causa das boas qualidades das peças de fundição, tais como a alta precisão dimensional, qualidade constante, assim como as boas qualidades de superfície, que podem ser conseguidas com materiais de moidação endurecidos a temperaturas moderadas e elevadas, estes materiais de moidação são largamente aplicados aos processos de fabrico de moldes e machos para as peças de fundição pretensiosas e de alta qualidade, particularmente, ao fabrico de peças de fundição para a indústria automóvel, construção de veículos, indústria hidráulica, e para construção de máquinas. Isto diz respeito tanto ao alumínio e ligas de ferro fundido como a peças de aço fundido. Todas as fundições que trabalham com estes materiais de moidação têm, contudo, o problema das peças soltas, protótipos, peças de séries muito limitadas, peças de modelo, etc., pedidas por clientes, apenas poderem ser fabricados com custos elevados e com grandes perdas de tempo, em virtude de terem de ser fabricado para cada caso individual um molde de protótipo que é totalmente em metal (modelo e/ou caixa de machos). Por causa do tratamento térmico destes materiais de moidação, não podem ser aplicados métodos baratos no fabrico do modelo (modelo de madeira ou “epilox”), e um fabrico de peças de modelo noutros materiais de moidação, com dispositivos de modelo baratos, já não permitiria uma comparação entre estas peças de modelo e a série posterior em grande escala em materiais de moidação que são endurecidos a temperaturas moderadas e elevadas, relativamente aos parâmetros de qualidade das peças de fundição fabricadas. Os custos e os tempos de preparação, provocados pelo emprego de moldes inteiramente de metal, apresentam, assim, uma grande desvantagem na concorrência para as fundições, que trabalham com materiais de moidação, endurecidos a temperaturas moderadas e elevadas, em comparação com outros processos de moidação. Para além disso, estes moldes causam, também, dentro da própria fundição, custos e perdas de tempo elevados na fase tecnológica de preparação do fabrico em série, quando se necessitam de várias provas de fundição com geometrias alteradas do sistema de fundição e alimentação, ou das dimensões das peças de fundição.

Os processos conhecidos do fabrico rápido de molde e macho para o processo de moidação em cera perdida, posteriormente descritos, também em fundições com moldes de areia, não tem êxito por razões tecnológicas. As pecas de fundição concebidas para o processo de fundição em moldes de areia (o material de fundição não é de interesse) diferem completamente das peças de fundição de outra espécie relativamente ao tamanho, massa, geometria e complexidade (contornos interiores e, assim, trabalho de macho) precisão

84 369 ΕΡ Ο 711 213/ΡΤ 11 dimensional exigida, qualidade de superfície, e preço. As peças modelo/protótipos não têm qualquer relacionamento com o fabrico em série posteriormente previsto na fundição em molde de areia e não servem, assim, nem ao cliente (para o teste de motores de modelo etc.), nem para a fundição (para a preparação tecnológica posterior do fabrico em série). Os moldes fabricados por meio de outros métodos de “Rapid Prototyping” como, por exemplo, Estereolitografia, “Selectiv Laser Sintering" de materiais sintéticos, “Laminated Object Manifacturing” de papel revestido, não podem ser empregues, com as condições dos processos de moldação, a temperaturas moderadas e elevadas, por causa da sua posterior constância térmica baixa. Não existem outras alternativas sem construção de molde convencional. Por estas rações, todos os testes de séries prévias, fabricos de modelo, etc., são executados nas fundições em questão por meio dos moldes metálicos correspondentes ao fabrico em série posterior, e todas as desvantagens têm de ser aceites quer nos custos (de vários milhares de DM para uma simples caixa de machos e até 100.000 DM para os moldes do fabrico de veios de manivelas), quer no tempo de fabrico do molde de protótipo (cerca de 3 semanas para uma simples caixa de machos, até cerca de 12 a 16 semanas para moldes complexos, por exemplo, para um cárter cilíndrico de manivela). Atendendo a que os ciclos dos modelos e as fases de estudo são sempre mais curtos, estas razões pioram, particularmente, a situação de concorrência do processo de fabrico de fundição relativamente aos processos em concorrência. É conhecido a partir de FR 2 678 532 um processo para fabrico de um objecto tridimensional através da formação de uma primeira camada de um material pulverizado, por aplicação de uma película de um material polimerizável, por meio da aplicação de uma segunda camada de materiais pulverizados, e através de irradiação por raios laser nos sítios correspondentes ao objecto. Por meio da irradiação, o material polimerizável na zona exposta à irradiação, é polimerizado, ligando, nesta zona, os grãos de pó da primeira e da segunda camada uns aos outros. Os passos são repetidos tantas vezes quantas as necessárias até ao acabamento do fabrico do objecto tridimensional. É conhecido a partir de DE 43 05 201 C1 um processo para fabrico de um objecto, no qual o objecto é produzido em camadas, por aplicação de uma camada de um material que pode ser endurecido, e por endurecimento posterior deste material nos sítios da camada correspondentes ao objecto, através do efeito de uma radiação electromagnética, sendo empregue material que consiste numa

84 369 ΕΡ Ο 711 213/ΡΤ 12 combinação de um material sintético, que pode ser endurecido, com um material de enchimento na forma de pó cerâmico, ou metálico. É conhecido a partir de US 4 944 817 um processo para fabrico de um objecto, no qual o objecto é produzido em camadas, por aplicação de uma camada de um material pulverizado e por endurecimento posterior deste material nos sítios da camada correspondentes ao objecto, através do efeito de uma radiação electromagnética. Como material pode utilizar-se pó de quartzo revestido por um polímero. É conhecido a partir de US 4 618 924 e US 4 641 270 um processo de fabrico de moldes para o processo de moldação por injecção de material de plástico rígido, no qual se obtém o molde negativo através da subtracção do modelos positivos de um só bloco. O objectivo do invento disponibilizar um processo para fabrico de um molde consistindo em areia de moldação, através-do qual o molde pode ser produzido com exactidão e rapidez e por um preço favorável.

Este objectivo é alcançado pelo processo de acordo com a reivindicação 1.

Os aperfeiçoamentos do invento encontram-se indicados nas reivindicações subordinadas.

Desta maneira, o perfil de variação de fornecimento destas fundições pode ser alargado relativamente ao fabrico em séries médias, grandes, ou até séries de grandes dimensões, como presentemente em uso, na área de mercado do fabrico de peças soltas e sérias limitadas, possibilitando a exploração de partes adicionais do mercado, através destas peças de fundição de alta qualidade. Para a fase de estudo do produto, do teste de modificações na construção e dos aperfeiçoamentos nos ramos industriais, que empregam peças de fundição deste género (por exemplo indústria automóvel), esta possibilidade significa uma aceleração drástica do seu processo de desenvolvimento. O processo apresenta a vantagem de poderem ser produzidos moldes de fundição com qualquer grau de complexidade sem fabrico anterior de peças de modelo e caixas de machos. O processo está particularmente adaptado para as

84 369 ΕΡ0 711 213/ΡΤ 13 aplicações nas quais são precisas, em pouco tempo, um pequeno número de elementos de construção complexos, tal como, por exemplo, na construção de protótipos para o desenvolvimento de motores. É suprimida, por completo, a construção das caixas de machos e placas de modelos com construção de moldes, a composição dos machos e o trabalho empregue para a divisão do macho composto em machos individuais, podendo os mesmos serem fabricados de forma convencional. Em suma, resulta assim, uma economia de tempo notável e, simultaneamente, uma precisão mais elevada de todo o molde.

Outras características e conveniências do invento resultam da descrição dos exemplos de concretização com base nas figuras dos desenhos, as quais mostram: na Fig. 1 e a Fig. 2 um sistema de materiais de moldação consistindo em material básico de moldação A, de acordo com as reivindicações 2 e 3, misturado (Fig. 1), ou revestido (Fig. 2) com sistema de aglutinante de acordo com as reivindicações 4 e 5; na Fig. 3 uma composição, criada no caso dos sistemas de acordo com a Fig. 1, ou a Fig. 2, aplicada por meio de “Selectiv Laser Sintering” e por meio de um processo de têmpera posterior, é conhecido pela literatura de patentes, do componente A participar na reacção química (por exemplo, fabrico de coquilhas cerâmicas e machos para a moldação de cera perdida); a Fig. 4 mostra o primeiro passo da composição, de acordo com a Fig. 3, antes do processo de têmpera; a consistência é criada apenas por meio de sinterização (abertura por fusão, infiltração, arrefecimento, aglutinação) do componente B, sem reacção química; esta composição pode também ser criada como estado intermédio (não intencionado como produto final nem reivindicado) do invento aqui reivindicado (componente de aglutinante B fica no estado “Resol” A, ou no estado ““Resitol” B e não endurece de forma irreversível no estado “Resit” C); na Fig. 5 a composição por sinterização criada no forno através das partículas do componente A, após a têmpera e a remoção do componente B; trata-se do estado intermédio do chamado processo de metal secundário, conhecido na literatura, como o processo de metal secundário.

84 369 ΕΡ Ο 711 213/ΡΤ 14 na Fig. 6 ο estado final deste processo de metal secundário conhecido após a infiltração da composição de sinterização pelo metal de ponto baixo de fusão. na Fig. 7 mostra o estado final do processo, de acordo com o invento aqui reivindicado, no qual uma reacção química irreversível endurece o componente de aglutinante de resina B (cria-se o estado E), não participando o componente de material básico de moldação A neste processo; A e B são materiais utilizados em fundição e E, ou seja, a toda a composição é, portanto, um produto final já conhecido até ao presente momento, pelo tratamento convencional deste sistema de material de moldação que se provou adequado para fundição. A Fig. 8 mostra um corte transversal esquemático de um dispositivo para a realização do processo de acordo com o invento.

Como se pode verificar na Fig. 8, o dispositivo para a realização do processo, apresenta na sua superfície superior, um recipiente 1 com um primeira bordo 1a. No recipiente encontra-se um suporte 4, com uma placa de suporte, essencialmente plana e horizontal 5, colocada paralelamente ao bordo superior 1a e que pode ser deslocada, na direcção vertical, para cima e para baixo, e posicionada por meio de um dispositivo de deslocamento vertical não representado aqui.

Por cima do recipiente 1 encontra-se colocado um dispositivo, não representado aqui, para a aplicação de uma camada de um material de moldação 3, que pode ser endurecido na placa de suporte 5, e para o aplainamento da superfície 2 da camada aplicada do material de moldação 3.

Sobre a placa de suporte 5 encontra-se colocado o molde de fundição 6 a formar, estruturado em várias camadas 6a, 6b, 6c, 6d, que se prolongam de forma paralela à placa de suporte 5, consistindo cada uma das referidas camadas em material de moldação endurecido.

Por cima do recipiente 1 encontra-se colocado um aparelho de irradiação 7, que consiste num laser de radiação infravermelha, que emite um feixe de raios luminosos 8. O feixe de raios laser 8 é deflectido por um deflector 9, por exemplo, por meio de um espelho giratório, como raios deflectidos 10 para a superfície 2 do material de moldação 3 no recipiente 1. Um dispositivo de comando 11 comanda o 15 84 369 ΕΡ0 711 213/ΡΤ deflector 9, de tal maneira que os raios deflectidos 10 incidem em cada sítio desejado da superfície 2 do material de moldação 3 no recipiente 1. O dispositivo de comando 11 está ligado ao computador que fornece ao dispositivo de comando 11 os dados correspondentes ao endurecimento das camadas (6a, 6b, 6c, 6d) do molde de fundição 6.

Este modo de procedimento para o fabrico do molde de fundição 6 apresenta-se da seguinte forma: inicialmente, a geometria do objecto desejado (do molde, ou do macho) é produzida no computador através do sistema CAD 3D. Este processo baseia-se, convenientemente, na construção da peça de fundição a fabricar posta à disposição pelo cliente, muitas vezes, já em forma digitalizada.

Seguidamente, os dados do molde de fundição 6 são geridos a partir dos dados do modelo de CAD, geridos desta maneira por meio de inversão no computador. Estes dados obtidos através de inversão apresentam o negativo da peça de fundição desejada. Neste processo, ou seja, na formação do negativo, tomam-se também em consideração os espaços ocos da peça de fundição posterior, os chamados machos, que podem, em consequência disso, serem produzidos, posteriormente, no fabrico do molde de fundição, como machos integrados, conjuntamente com a máscara de moldação.

No modelo de CAD do molde de fundição a fabricar, são previstas aberturas adicionais relativamente às aberturas necessárias, nos objectos a produzir, por razões da tecnologia de fundição, para facilitar o afastamento, ou vazamento, do material não endurecido. Estas aberturas são sempre previstas nos sítios mais adequados para o afastamento do referido material.

Serve como exemplo o fabrico de um veio de manivelas para um motor de explosão (automóveis ligeiros, motocicletas). Neste processo, adiciona-se à estrutura da peça gusa de fundição no sistema de CAD, a medida de contracção que corresponde ao material de fundição a utilizar. Depois, introduzem-se as alterações relativamente à geometria que são necessárias por razões da tecnologia da fundição, por exemplo, a adição de alimentadores e do sistema completo de entrada, até ser descrita exactamente a configuração completa do sistema de fundição da peça de fundição. Caso o molde a fabricar deva ser completado mais tarde com outras peças pré-fabricadas, ou adquiridas, (por exemplo, placa de base, entrada de vazamento cerâmico, tampa de alimentador exotérmica, peças 16 84 369 ΕΡ Ο 711 213/ΡΤ exteriores do molde não contornadas etc., e também, eventualmente, os machos necessários, coquilhas de refrigeração, etc.), o espaço para as referidas peças tem de ser deixado livre. A geometria, completamente construída, é invertida seguidamente no sistema de CAD, para se obter a geometria do molde, ou do macho a fabricar, (do negativo da peça de fundição a fundir, ou de uma parte da referida peça, conforme o contorno exterior, ou interior). Em virtude de não ter de ser feito qualquer modelo, as chanfraduras de extracção são supérfluas, o que faz com que as peças de fundição a fabricar se aproximem mais da dimensão final, e não tenham de ser executados processos de tratamento posteriores na peça de fundição. Para além disso, podem ser já previstos na construção da peça de molde, os canais de ventilação necessários para a descarga dos produtos gasosos de reacção, que se criam na fundição por decomposição dos aglutinantes dos materiais de moldação. Em certos casos, o molde pode também ser fabricado numa só peça, quando o material de moldação não exposto à irradiação por laser e, assim não endurecido e ainda capaz de escorregar, pode sair do molde acabado através de aberturas maiores, que são fechadas mais tarde, por exemplo, por placas de base pré-fabricadas, ou por entradas de vazamento adquiridas. Desta maneira, tornam-se supérfluas as tolerâncias e os jogos entre as metades de molde, e a peça de fundição pode ser construída com tolerâncias geométricas mais apertadas. No futuro, os machos que têm de ser fabricados por meio de muitas peças soltas para montagem, por causa da necessidade de serem retirados do seu molde, muitos deles também bastante complexos, serão fabricados, em regra, por uma só peça e, assim, com uma precisão bastante maior. A geometria do objecto a fabricar, ou seja, do molde de fundição 6 é, seguidamente, decomposta no computador em camadas cuja espessura é adaptada ao tamanho do grão do material de moldação aplicado, (por exemplo, tamanho médio do grão duplicado) e transmitido à máquina de sinterizar. A referida máquina encontra-se cheia com material de moldação. O espaço de trabalho pode ser aquecido, constantemente, até a uma temperatura de poucos graus abaixo da temperatura de amolecimento, respectivamente do início do intervalo de amolecimento do aglutinante de material de moldação, de acordo com as reivindicações 4 e 5; geralmente, poder-se-á trabalhar, contudo, já com um material de moldação à temperatura ambiente. Seguidamente, uma camada aplicada de acordo com a espessura da camada ajustada, é exposta à irradiação selectiva de laser, através de um sistema de reflexão móvel, de acordo com as necessidades da geometria do corte transversal, através do molde/macho, pertencente à

84 369 ΕΡ Ο 711 213/ΡΤ 17 respectiva coordenada de altitude, conseguindo, assim, uma temperatura suficiente na partícula de material de moldação exposto à radiação e o endurecimento do componente de aglutinante (B nas Figs. 1 e 2) do material de moldação.

Neste processo, a placa de suporte 5 é, primeiramente, posicionada no recipiente 1, de tal maneira que na superfície superior da placa de suporte 5 e na superfície 2 do material de moldação 3 no recipiente 1, exista uma distância que corresponda exactamente à espessura da camada prevista. Seguidamente, uma camada do material de moldação 3 é aplicada à placa de suporte 5. A camada do material de moldação 3 que se encontra acima da placa de suporte 5, é exposta à radiação de um raio laser 8, 10, produzido pelo dispositivo de radiação 7 e que é comandado, através do deflector 9 e do dispositivo de comando 11, para os sítios pré-definidos correspondentes do molde de fundição 6, o que causa o endurecimento do material de moldação 3, que forma, desta maneira, uma camada sólida 6a que corresponde ao molde de fundição. A formação das outras camadas 6b, 6c, 6d, executa-se, sucessivamente, por rebaixamento da placa de suporte 5, que corresponde à espessura da camada em questão, por uma aplicação de material de moldação para cada nova camada e por uma nova irradiação nos sítios correspondentes ao molde de fundição 6. As camadas possuem uma espessura de 0,1 mm a 0,2 mm. A areia de moldação da respectiva camada, não atingida pelos raios laser, não é endurecida e serve para o apoio das camadas sobrejacentes. A areia de moldação não endurecida pode ser, seguidamente, reutilizada.

Tem de se ter cuidado para que, no processo de irradiação, seja aplicada uma energia suficiente para iniciar o processo de reacção química de endurecimento (policondensação, ver acima) nas partes do material de moldação a endurecer; caso contrário, as partículas de material de moldação são apenas coladas umas às outras, de forma reversível, através de sinterização superficial, o que provoca, com um efeito térmico posterior (por exemplo, num processo de endurecimento posterior externo no forno, contudo, o mais tardar, durante o processo de fundição), a destruição da peça de moldação, por causa da neutralização da composição conseguida por sinterização. As peças de moldação fabricadas desta maneira, sem o mecanismo próprio de endurecimento químico, não são aplicáveis na técnica de fundição.

Se os materiais de moldação de máscaras com base em resina de fenol acima explicados forem expostos à radiação por laser, e forçados a reagir durante

84 369 ΕΡ Ο 711 213/ΡΤ ο processo descrito aqui, pode ser calculada a introdução de energia necessária para o endurecimento irreversível pela observação da alteração da cor do material de moldação. O material de moldação tem de apresentar, após a radiação, uma coloração amarela escura a atingir o ocre/castanho claro. Caso o material de moldação fique amarelo claro, então não foram atingidos os estados “Resitol” B e “Resit” C, ficando as partículas apenas coladas e a composição pode ser facilmente neutralizada através de efeito térmico, permanecendo a resina no estado “Resol” A, aberta por fusão. A cor castanha escura, com transição para a cor negra, caracteriza um aglutinante de resina queimado, que também já não apresenta qualquer força de ligação. A cor ocre escuro, até à cor castanha média, indica estabilidade máxima (endurecimento completo) das peças que se podem, porém, apresentar frágeis de mais para os processos de tratamento necessários até à fundição no molde.

Através da introdução de energia correctamente escolhida é, assim, efectuada uma reacção química irreversível do aglutinante, produzindo-se uma ligação estável e resistente entre as partículas de material de moldação tratadas por irradiação e as partículas adjacentes que se encontram em contacto com as mesmas. Após a irradiação de uma camada, é aplicada a camada seguinte do material de moldação e exposta à radiação, etc., até ao fabrico completo do corpo. Nos sítios não expostos à radiação, o material de moldação não endurecido permanece como apoio à camada seguidamente aplicada, eventualmente a endurecer, de modo que possam ser realizados cortes inferiores. A introdução da energia necessária para a reacção química dos materiais de moldação de fundição, que são endurecidos a temperaturas moderadas ou elevadas não se efectua, ao contrário do tratamento convencional já conhecido por meio de moldes de protótipo, pela transmissão simultânea da energia acumulada no molde aquecido para o material de moldação que se encontra no molde, e pela distribuição da energia através de condução térmica dentro do referido material de moldação, no entanto, a energia necessária para o endurecimento das partículas de material de moldação, em dado momento expostas à radiação, é transmitida ao material de moldação, de forma directa, através do raio laser comandado, e absorvida e utilizada para a iniciação da reacção química do aglutinante, sem serem necessários processos de condução térmica. Através desta introdução de energia pontual e selectiva, e do comando exacto dos raios laser, torna-se possível

84 369 ΕΡ0 711 213/ΡΤ 19 ο fabrico de peças de molde formadas muito complexamente, sem necessidade da concretização real de uma cópia da sua geometria já anteriormente existente, (positiva ou negativa), na forma de um modelo, amostra, ou peças deste género; as condições prévias para o fabrico das peças de moldação consistem, apenas, na representação geométrica, que o computador produz como registo de dados, e no material de moldação amorfo, capaz de escorregar, que pode endurecer quimicamente por efeito térmico, de acordo com o mecanismo da reacção aqui descrito. O molde de fundição acabado é retirado do leito de areia solta circundante, após ter terminado o processo de construção. A areia ainda não endurecida dentro do molde é aspirada, removida, ou soprada para fora, através da abertura do jito, e/ou através de aberturas do molde 6, especialmente previstas para a retirada da areia não endurecida. Na posterior fundição, o material de fundição flui por estas aberturas, sendo, porém, cortado, ou afastado após o arrefecimento. O molde de fundição acabado pode ser tratado posteriormente, para o melhoramento da qualidade da superfície, por exemplo, através de endurecimento térmico posterior. Por meio do tratamento manual posterior e da aplicação de camadas de revestimento, a qualidade da superfície do molde/do macho pode ser melhorada e, através de um tratamento térmico posterior, a estabilidade pode ser aumentada. Este tratamento posterior pode consistir num endurecimento posterior da peça de moldação através de ar quente, num forno (a temperaturas de cerca de 150 a 250 graus Celsius durante poucos minutos, dependendo do seu tamanho), ou por meio de microondas. Desta maneira, consegue-se que a reacção química irreversível, que causa o endurecimento do material de moldação seja tão completa quanto possível, e que o referido material de moldação seja endurecido até à estabilidade final possível. Isso significa, para o exemplo do material de moldação de máscara, que consiste em resina de fenol, a maioria predominante do aglutinante é endurecido até ao estado “Resit”-C, e que apenas os componentes necessários para a plasticidade permanecem no estado “Resitol”-B.

Em peças de paredes muito grossas podem surgir problemas, na medida em que se precise para um endurecimento tão completo quanto possível, (no caso de ser necessária o emprego de uma estabilidade de alta qualidade, por exemplo, em ferro endurecido) de uma introdução de energia alta, que é conseguida através de radiação múltipla de cada uma das camadas, ou por uma distância estreita entre os

84 369 ΕΡ0 711 213/ΡΤ sítios de incidência do raio laser. Num caso destes, a introdução de energia pode atingir, excepcionalmente, uma dimensão que provoca uma condução térmica no material de moldação numa dimensão relevante, quer dizer, também para dentro das partes que não devem ser endurecidas. Por meio deste calor canalizado para o fundo, serão causadas reacções de endurecimento em sítios não desejados e, assim, um “crescimento” da peça de moldação. Este efeito pode ser evitado no caso de peças desta maneira em perigo, através de uma radiação especialmente forte da linha de contorno exterior da superfície de corte em cada uma das camadas, de modo que o aglutinante se queime, sistematicamente, ao longo deste contorno exterior. Também no caso de uma condução térmica suficiente, que ultrapasse este contorno, não podem ser provocadas aderências, em virtude do aglutinante ter perdido a sua força de ligação, de forma irrecuperável, na superfície exterior da peça de moldação.

Após o processo de tratamento posterior, como o endurecimento posterior, o aplainamento, etc., o molde/o macho, fica pronto para montagem/complemento e a fundição. No exemplo do veio de manivelas o molde é fabricado com duas peças; dependendo do tamanho, podem também ser fabricadas simultaneamente ambas as partes, tendo de ser previsto um material de moldação de poucos milímetros, não exposto à irradiação por laser, como camada de separação. As metades de molde podem também ser alargadas se o deslocamento lateral das contrapesos do veio de manivelas exigir esta formação (por exemplo, motor de seis cilindros) e contêm já a entrada; o dispositivo de fluxo transversal e a entrada de vazamento como partes do sistema de fundição. Após o acabamento, as metades de molde são aplainadas, equipadas com tampas de alimentação, compostas, grampeadas, munidas de uma entrada de vazamento colada ao molde, ajustadas planamente, apoiadas por material de enchimento à volta do molde contra a ruptura causada pelo calor do material de fundição, grampeadas, ou inseridas numa armação de fundição, ou numa caixa de fundição, eventualmente equipadas com pesos e, finalmente, prontas para a fundição. Por meio das peças de moldação fabricadas de acordo com o processo aqui descrito, podem ser executadas todas as outras técnicas usuais e conhecidas, aqui não descritas, de fundição em moldes perdidos e/ou com machos perdidos, técnicas essas do tratamento posterior das peças de moldação, do acabamento por meio de acessórios necessários à tecnologia de fundição, da composição (por exemplo, composição de um conjunto de machos), da inserção em caixas de fundição e armações para a recepção do molde, etc., e do próprio acto de fundição, por analogia com os processos normais para os

84 369 ΕΡ Ο 711 213/ΡΤ 21 moldes e machos fabricados de forma convencional, com materiais de moldação, que endurecem a temperaturas moderadas e elevadas.

As peças de moldação fabricadas desta maneira, tais como machos e moldes, assim como partes das mesmas, podem ser aplicadas, particularmente, nos processos de fundição de molde de areia e no processo de fundição de coquilha de baixa pressão e por gravidade, não se limitando, porém, a estes processos. A fundição das peças de moldação, fabricadas desta maneira, é usual com todos os materiais de fundição conhecidos. No caso de materiais de fundição de ponto de fusão baixo, como, por exemplo, ligas de alumínio e silício, escolher-se-á uma modificação adaptada do aglutinante de resina de fenol, para melhorar a decomposição do material de moldação após a fundição, como se faz também no fabrico convencional de peças de moldação, utilizando materiais de moldação de máscara. Alguns aditivos mencionados na reivindicação 19 (por exemplo, a magnetite), são adicionados na preparação do material de moldação para evitar que o material se queime. Para além disso, em muitos casos será favorável fazer um cálculo de simulação de endurecimento para o dimensionamento do sistema de fundição e alimentação, em virtude de serem ainda conhecidos muito poucos valores empíricos na tecnologia de fundição, relativamente às peças de fundição de protótipos a fabricar. As condições informáticas prévias para cálculos de simulação deste género já existem pela construção CAD 3D. Os conhecimentos conseguidos neste calculo para a melhor técnica de fundição e alimentação podem então já ser aproveitados no fabrico da primeira peça de fundição, devido a tal é economizado novamente mais tempo de desenvolvimento do produto.

Dependendo do tamanho absoluto dos veios de manivelas podem ser fabricados, simultaneamente, de 1 a cerca de 3 peças num só molde. O tempo de fornecimento das primeiras peças de fundição, após a construção acabada, reduz-se, neste exemplo, de cerca de 20 semanas para poucos dias, quer dizer, para cerca de 2 semanas. No caso de resultarem do ensaio modificações da construção, o que é provável, as mesmas podem ser realizadas dentro de poucas horas no sistema de CAD, e podem ser aplicadas de modo que surja uma nova peça dentro de poucos dias, o que reduz, drasticamente, o tempo de desenvolvimento do produto. Quando o modelo é perfeito, efectua-se para o lote piloto e para a produção de série em grande escala, como até agora, um molde de protótipo convencional que, porém, já não tem de ser modificado e, em consequência, das várias modificações, eventualmente, ser suprimido. 84 369 ΕΡ Ο 711 213/ΡΤ Ο 22

Como material de moldação 3, aplica-se um material que endurece a temperaturas moderadas, por exemplo, areia de moldação consistindo em areia de quartzo com um revestimento de resina de fenol. O processo de endurecimento do material de moldação 3 que decorre neste tratamento, baseia-se num processo de endurecimento químico no revestimento de resina em volta do grão de areia de quartzo iniciado por radiação laser. Trata-se aqui de um processo fundamentalmente diferente do processo da sinterização conhecido, que consiste numa reacção química irreversível, termicamente induzida do sistema de aglutinante. No endurecimento selectivo do material de moldação, o endurecimento efectua-se apenas por meio do endurecimento da resina. A areia que pode consistir em cerca de 90 a 95% do material de moldação não está nada envolvida na reacção química que decorre no processo de endurecimento. Uma vantagem, em comparação com a abertura por fusão de areia descrita em US 4 247 508, consiste no facto de ser suficiente uma potência laser essencialmente menor, e de não surgirem, praticamente, problemas, como a diminuição de material e a demora no endurecimento, ou serem, notavelmente, reduzidas. As reacções que decorrem no material de resina são, somente, iniciadas pelo laser e terminadas pelo tratamento posterior, tendo como consequência um endurecimento completo da resina. Na fundição posterior da peça de fundição, a resina queima e a areia que permanece de forma intacta pode ser afastada da peça de fundição.

Como se pode ver na Fig. 8, os espaços ocos 20 da peça de fundição posterior, os chamados machos do molde de fundição 6, podem ser produzidos, simultaneamente, com o próprio molde de fundição e de forma integrada juntamente com o mesmo. A inserção usual dos machos na máscara de moldação é, desta maneira, suprimida.

Este processo tem a vantagem de uma precisão maior, em comparação com o processo conhecido, no qual a inserção de um macho ou de uma multiplicidade de machos faz atrito na areia de moldação, o que provoca um agravamento da precisão de ajustamento.

Em virtude de ser suprimido o fabrico de uma multiplicidade de machos individuais para um macho composto de forma complexa, pode ser conseguido na produção de protótipos uma economia de tempo notável. O fabrico de um molde de areia para um protótipo de uma caixa de bomba de lubrificação para um automóvel

84 369 ΕΡ0 711 213/ΡΤ ligeiro, por meio de “Laser Sintering”, necessita, por exemplo, de cerca de 30 horas, enquanto que, para a construção de um dispositivo de molde e caixas de machos no processo de fundição em molde de areia conhecido, têm de ser calculadas cerca de quarto semanas. São possíveis modificações do processo. Podem ser fabricados, por exemplo, moldes de areia, que consistem em duas partes, que podem ser compostas, seguidamente, como no processo tradicional. É também possível fabricar machos de forma complexa para moldes perdidos já existentes, ou moldes permanentes feitos de uma só peça, nos quais podia ser efectuada apenas a divisão do macho em vários machos individuais e a composição dos mesmos, criando, assim, um bloco de machos. A remoção da areia de moldação ainda não endurecida pode ser realizada através de aberturas, efectuadas por perfuração posterior do molde. A areia de zircónio, areia de olivina, areia de cromita, argila refractária, corindo, ou areia de carbono, podem ser aplicadas como areia de moldação, ou na forma pura, ou em forma misturada, de qualquer proporção, com um ou vários dos referidos materiais, sob a adição respectiva de um aglutinante apto. O aglutinante é, normalmente, um aglutinante de resina que endurece a temperaturas moderadas e elevadas, e que pode ser aplicado tanto como revestimento da areia, como em forma de partículas individuais misturadas com a areia. Exemplos para resinas aptas são, para além da resina de fenol, resinas de furano, resinas ureicas, ou resinas de amino, “Novolake” e "Resole”, resinas de ureia-formaldeído, resinas de álcool furfurílico-formaldeído-ureia, resinas de furano modificadas por fenol, resinas de fenol-formaldeído e resinas de álcool furfurílíco-fenol-formaldeído. As resinas de acrílico, as resinas de fenol, ou as resinas de poliacrílico modificadas por acrílico, e todas as resinas, podem existir em forma fluida, sólida, granulada, ou pulverizada. Podem também ser aplicadas resinas de epóxi. As resinas de epóxi que já se empregam na fundição, são porém endurecidas por absorção de gás de amina. No endurecimento térmico do processo, segundo o invento, as resinas de epóxi apresentavam, contudo, a vantagem de um endurecimento instantâneo até à estabilidade final.

Um material de moldação que consiste num pó, ou granulado metálico, ou cerâmico, revestido por uma das resinas de fundição acima mencionadas, ou

84 369 ΕΡ0 711 213/ΡΤ misturado com uma destas resinas, pode também ser aplicado no fabrico de moldes de fundição, ou de modelos, ou também de moldes permanentes.

Em virtude dos materiais de aglutinante diferentes apresentarem todos também uma capacidade de absorção para radiação electromagnética, é conveniente efectuar no tratamento posterior do molde de fundição, um endurecimento selectivo posterior com comprimentos de onda adaptados ao respectivo material de aglutinante. O endurecimento posterior do molde de fundição pode ser efectuado, por exemplo, no forno de microondas, através da irradiação por microondas. É também possível aplicar diferentes processos de endurecimento posterior, um após o outro, ou simultaneamente, por exemplo, o processo de irradiação por UV, de irradiação por microondas, ou de aquecimento.

Cada um dos dispositivos aplicáveis à execução do processo de “Laser Sintering” pode ser aplicado como dispositivo de execução do referido processo. Não é necessário, de modo algum, utilizar um recipiente para a recepção do material de moldação, em virtude do material de moldação poder ser aplicado em camadas, directamente no suporte.

Em suma, pode dizer-se que o invento aqui reivindicado permite a redução drástica dos tempos de desenvolvimento do produto em fundições, que produzem por meio do processo de fundição em molde de areia. Ao mesmo tempo aumenta-se a oferta destas fundições através da produção de peças fundidas individuais na área inferior da massa de fundição. Consegue-se este efeito com materiais de moldação usuais na fundição, que endurecem a temperaturas moderadas e elevadas, sendo levados, por meio de laser de forma pontual e selectiva, à reacção química irreversível, em que o material de moldação permanece quimicamente inerte, sendo possível fabricar machos e moldes complexos e adequados para fundição sem utilização de moldes de protótipos. Tem de se constatar, como vantagem particular, que todos os componentes do sistema de material de moldação são conhecidos e comprovados há muito tempo. O comportamento destes componentes na fundição é conhecido, de modo que não são esperados quaisquer riscos ou dificuldades adicionais neste processo, para a entrada no mercado. Vão ser ainda indicadas outras versões do invento. É, naturalmente, possível revestir ou misturar partículas de outros materiais, diferentes dos materiais 25 84 369 ΕΡ0 711 213/ΡΤ de moldação aqui indicados nas reivindicações 2 ou 3, com o sistema de aglutinante, de acordo com as reivindicações 4 ou 5, e levá-los ao endurecimento, como acima foi descrito. Podem também ser, por exemplo, partículas metálicas e cerâmicas, cujo aperfeiçoamento relativamente ao nível conhecido da tecnologia resulte do facto das partículas A (Figs. 1 ou 2), que permanecem quimicamente inertes, serem levadas à composição, que consiste nas partículas A e no aglutinante E irreversivelmente endurecido, de acordo com a Fig. 7, através de uma reacção química irreversível do sistema de aglutinante B (através de policondensação), e não por meio de sinterização e/ou reacção química das próprias partículas A. Os objectos fabricados desta maneira seriam, por exemplo, adequados para emprego em fundição, como moldes permanentes, mas não estão limitados a esta finalidade.

Para além disso, é possível expor toda a superfície dos materiais de moldação, aqui tratados, misturados, ou revestidos com o sistema de aglutinante, de acordo com o invento, descrito aqui, a um laser, por meio de uma máscara, e não pontualmente, ou de forma reticulada, sendo provocado o mesmo mecanismo de endurecimento. A máscara tem de ser preparada, antes do processo de irradiação, com o corte transversal que corresponde à coordenada da altura efectiva, através da peça a construir. A fonte de energia tem de ser escolhida, de forma adequada, em correspondência com a intensidade da radiação e com o seu comprimento de onda. Esta versão do invento é, especiaimente, adequada para uma produção em série limitada, se em cada vez a mesma camada do material de moldação for exposta, uma após a outra, à radiação em vários espaços de construção existentes na máquina, através da máscara preparada, antes de efectuada a preparação da referida máscara com o corte transversal seguinte.

Lisboa, 51 JUL 2QW.

Por EOS GmbH ELECTRO OPTICAL SYSTEMS - O AGENTE OFICIAL -

ENG.” ANTÓNIO JOAO DA CUNHA FERREIRA Âg. Of. Pr. Ind.

Rua das Flores, 74 - 4.·

ΌΠΟ LISBOA

Claims (18)

1. 84 369 ΕΡ Ο 711 213/ΡΤ 1/3 REIVINDICAÇÕES 1 - Processo para ο fabrico de um objecto tridimensional, sendo o objecto (6) um molde de fundição, construído por meio dos seguintes passos: produção de um modelo de computador do molde de fundição (6), aplicação e endurecimento de uma camada (6a) de um material de moldação pulverizado (3), o qual pode ser endurecido por meio de radiação electromagnética nos respectivos sítios, que correspondem à secção transversal do molde de fundição (6), pela actuação, controlada de acordo com o modelo de computador, da radiação electromagnética (8), e aplicação repetida e endurecimento de uma camada (6b, 6c, 6d) do material de moldação (3) nos respectivos sítios correspondentes à secção transversal do molde de fundição (6) por meio da radiação electromagnética na respectiva camada anteriormente endurecida (6a, 6b, 6c, 6d), caracterizado por, em primeiro sítio, ser produzido um modelo positivo por meio de um computador, e, em seguida, serem produzidos os dados do modelo de computador do molde de fundição a fabricar, pela inversão do modelo positivo, e o material de moldação (3) utilizado ser areia de moldação, o qual compreende areia misturada com um aglutinante de resina, que endurece por a temperaturas moderadas ou elevadas, sendo a duração de radiação e/ou a intensidade da radiação electromagnética serem escolhidas de tal maneira que a introdução de energia da radiação electromagnética na areia de moldação a endurecer, seja suficiente para a iniciação do processo de endurecimento químico do aglutinante de resina, enquanto a areia ainda não reage.
2. 2 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a areia de moldação utilizada ser areia de quartzo com um revestimento de resina de fenol. \
3. 3 - Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a areia de moldação compreender areia de quartzo, areia de zircónio, areia de olivina, areia de cromita, argila refractária, areia de corindo ou de carbono, ou material de quartzo, areia de moldação essa que pode ser, ou misturada, ou revestida com um

   84 369 ΕΡ Ο 711 213/ΡΤ 2/3 aglutinante de resina adequado para ser endurecido a temperaturas moderadas e elevadas.
4. 4 - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o aglutinante de resina, que pode ser endurecido a temperaturas moderadas e elevadas, compreender uma resina do grupo das resinas de furano, resinas de ureia ou de amino, resinas de ureia-formaldeído, resinas de álcool furfurílico-formaldeído-ureia, resinas de furano modificadas por fenol, resinas de fenol-formaldeído e resinas de álcool furfurílico-fenol-formaldeído, resinas de fenol modificadas por acrílico, resinas de acrílico, ou resinas de poliacrílico, e de todas as resinas poderem existir na forma fluida, sólida, granulada ou pulverizada.
5. 5 - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por aglutinante de resina utilizado ser uma resina de epóxi.
6. 6 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por ser produzido um molde de fundição com um macho integrado (20).
7. 7 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por o molde de fundição (6) ser produzido numa só peça.
8. 8 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por o molde de fundição (6) ser produzido com uma entrada de vazamento.
9. 9 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por, após o endurecimento, a areia de moldação não endurecida (3) poder ser removida através de aberturas previstas no molde de fundição.
10. 10 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por um macho ser produzido separadamente.
11. 11 - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por ser produzido um macho feito de uma só peça para um molde de fundição (6).
12. 12 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado por a radiação electromagnética aplicada ser radiação laser. 84 369 ΕΡ Ο 711 213/ΡΤ 3/3
13. 13 - Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por ser aplicada a radiação de um laser de infravermelhos (7).
14. 14 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado por o molde de fundição ser posteriormente endurecido por calor.
15. 15 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado por o molde de fundição ser posteriormente endurecido por meio de irradiação por microondas.
16. 16 - Processo de acordo com uma das reivindicações 9 a 15, caracterizado por as aberturas serem produzidas durante a produção do modelo de computador do molde de fundição (6).
17. 17 - Processo de acordo com uma das reivindicações 12 a 16, caracterizado por durante o endurecimento da areia de moldação, um processo de aglutinação químico iniciado por laser decorrer no aglutinante de resina e da areia não participar quimicamente na reacção.
18. 18 - Processo de acordo com a reivindicação 17, caracterizado por o controlo do processo de endurecimento químico ser realizado através da alteração da cor do material de moldação, e a duração e/ou a intensidade de radiação serem eventualmente ajustadas posteriormente. Lisboa, JUL 200! Por EOS GmbH ELECTRO OPTICAL SYSTEMS - O AGENTE OFICIAL -