WO2013144881A2 - Estrutura metálica leve e respectivo método de produção - Google Patents

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WO2013144881A2
WO2013144881A2 PCT/IB2013/052459 IB2013052459W WO2013144881A2 WO 2013144881 A2 WO2013144881 A2 WO 2013144881A2 IB 2013052459 W IB2013052459 W IB 2013052459W WO 2013144881 A2 WO2013144881 A2 WO 2013144881A2
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Filipe Samuel CORREIA PEREIRA DA SILVA
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Universidade Do Minho
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D25/00—Special casting characterised by the nature of the product
    • B22D25/005—Casting metal foams
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D13/00—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D18/00—Pressure casting; Vacuum casting
    • B22D18/04—Low pressure casting, i.e. making use of pressures up to a few bars to fill the mould
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D18/00—Pressure casting; Vacuum casting
    • B22D18/06—Vacuum casting, i.e. making use of vacuum to fill the mould

Definitions

  • the present invention discloses a structure and its method of producing a lightweight metal part, which is comprised of a hollow metallic inner core with cellular hollow structure and a dense outer wall around the inner core to limit it.
  • the process consists of a single casting casting, where the inner core as well as the outer wall is obtained simultaneously.
  • the inner part is composed of a cast metal frame and hollow areas between the frame and where hollow areas are obtained by casting, and the molding material is removed through holes in the outer wall of the part.
  • It is an object of the present invention to describe an integral lightweight metal structure comprising an internal cellular structure (2) with internal cavities (3) surrounded by an outer wall (1) containing at least one hole (4).
  • the frame includes an outer wall (1) having two holes.
  • the frame includes an outer wall (1) having a thickness between 0.1mm and 1mm.
  • the structure comprises a geometry and dimensions of the gradient shaped cellular internal structure.
  • the vibration acceleration level in the molding lowers to levels between 20 and 200 mm / s 2 ;
  • step b. of the method the casting is carried out in a vacuum chamber (6) and the molten metal mass in a crucible in another chamber (5) subjected to overpressure by an inert gas.
  • the method makes use of a chamber (5) which is connected to the chamber (6) by a hole in the crucible.
  • the method utilizes a hole that is plugged by a rod (8) which when lifted allows the molten metal to pass into the molding.
  • step d. of the method occurs by immersing the plaster cast in water that is in ultrasonic vibration at a speed between 20 and 200 mm / s 2 .
  • the materials obtained in step d. of the method are at an ultrasonic vibration whose vibration level should range from 5,000 to 40,000 mm / s 2 .
  • step b. of the method is alternatively carried out by centrifugal casting with vacuum and vibration.
  • the method utilizes a molding that is placed in a vertical axis centrifugal casting equipment and subjected to vibration and vacuum during casting.
  • light parts are used, for example, in various functions and in building or machine elements. They are designed and designed to have mechanical, fatigue, or, if necessary, anti-vibration properties, as well as low weight and a mass or material distribution such that when the workpiece is loaded or subjected under stress, the mechanical stresses on the material should be as equal as possible throughout the component.
  • the fused structural components are either solid or composed of two parts, an inner hollow and an outer wall.
  • the internal part is a cellular structure, normally obtained by casting a metal foam, as indicated in WOO 6021082A1, US06998535, US06881241,
  • components can be obtained in a single casting process, internally structured and with outer wall as described in US22121157A1.
  • an agent that creates gaseous bubbles is introduced and which, after the metal is poured, gives rise to bubbles and creates a metallic foam.
  • the internal structure is not controllable in shape nor the porosity gradients are controllable.
  • the wall thickness is not controllable throughout the part and it is only stated that the wall thickness can be changed but homogeneously throughout the component.
  • US20100158741A1 discloses a solution in which hollow metal spheres are introduced into a bath of another metal. The spherical cavities are closed without external connection.
  • the bond between dissimilar materials (spheres and matrix) creates fragile zones reducing the properties of the new material, and has geometric limitations of the parts to be obtained because it is difficult to control a correct dispersion of hollow spheres inside the molten metal, in parts with geometry. complex.
  • a solution for making components with an internal cellular geometry is provided, allowing any external part geometry of the components to be obtained.
  • it allows obtaining an internal structure in which each point of the geometry is defined according to the loads / voltages to which this component location will be subjected.
  • the hollow part of the part is thus obtained from the molding or core material is removed from the inner part of the part through one or two holes in the outer wall of the component.
  • the advantage of this solution is that virtually any hollow part geometry can be obtained where the mesh or inner cell structure as well as the outer wall that delimits the cell structure are intentionally defined or designed according to the stresses / stresses to which it is located.
  • the part will be subject to local level. This can create any inner frame geometry, any inner frame geometry gradient, and any outer wall geometry, which varies from point to point.
  • the present invention relates to a light metal frame having a hollow cellular inner structure and an outer wall enclosing the inner structure. Both structures are developed according to the stresses / stresses to which the part is subjected locally and where the part is obtained by casting in a single component.
  • the internal metal structure as well as the outer wall form a single component obtained in a casting casting.
  • the internal structure forms the central core of the part and has a dense surface wall that covers part or almost all of the internal structure.
  • the outer wall has at least one hole, preferably two, in any opposite areas of the piece, which connects the inner cell structure to the outside, so that the molding material, usually plaster, can be removed from the inner cavities after the foundry.
  • the internal cellular structure is designed according to the local loads / stresses and may be of varying shape according to the type of shear or normal local stresses and stresses of a different nature, eg tensile or compressive, bending or twisting along the component.
  • the outer wall is also defined according to local stresses by level and type of stresses and its thickness and geometry may also vary from point to point according to local loads or stresses.
  • the advantage of this invention is that the final component has high specific strength, high strength and low weight, since it uses only the material that is required to withstand the local stresses that exist in the component.
  • the method of production of the component is further disclosed.
  • the geometry of the inner cell structure as well as the geometry of the outer wall are obtained first by obtaining a resin or polymer model with the shape of the component / structure and will then be used to obtain a molding through the process. of lost wax casting. Casting can be obtained essentially by two ways: vacuum casting, overpressure and vibration; or centrifugal casting with vacuum and vibration.
  • Another advantage of this invention is that the integral component, i.e. the inner cell structure and outer wall, is obtained in a single casting or casting step whereby the ultra thin walls in the inner cell structure and outer wall can reach a thickness between 0.1 mm and 1 mm.
  • the density of this new component when compared to the ordinary mass component, can be reduced to about 90%, leaving only 10% of the initial mass.
  • the molding material must be removed through the holes in the inner cell structure located in the outer wall. Removal is accomplished through the holes in the outer wall, the connection between the hollow spaces of the inner frame, and the ultrasonic vibration that must be applied to either the mold immersion water, components or parts.
  • the molding material retained in the internal cellular structure due to the casting process can be completely removed from the interior of the casting by a simple and efficient process immediately after casting.
  • the part has the ability to absorb or transfer locally high static and dynamic loads and also has a good damping effect.
  • Figure 1 shows an example of a lightweight part where (2) corresponds to the internal cellular structure; (3) the hollow areas, (1) the thin outer wall and (4) the holes in the wall through which the impression material (plaster) will be removed.
  • Figure 2 shows an example of an inner microstructure portion with a structure geometry that can intentionally change from point to point of the part.
  • Figure 3 shows an example of an inner microstructure portion with a structure geometry that can change as a gradient of the same intentional structural element from point to point of the part.
  • Figure 4 shows a schematic of the process of casting with vacuum, overpressure, and vibration where the chamber (5) with the air outlet (12) for the execution of the vacuum, where the liquid metal (7) is, will be subjected. to an overpressure (pl> p2) due to gas entering through a hole (11), the chamber (6) where the molding (9) is located and the air outlet (13) for the vacuum execution and the table (10) ) which causes vibration in the molding (9) wherein the leakage is made from the crucible (7) to the molding (9) through a hole between the chambers, which becomes free when a rod (8) is raised.
  • an overpressure pl> p2
  • Figure 5 is a schematic of the process of centrifugal vacuum and vibration casting, which shows the vertical axis (14), the horizontal axis (15), and the chamber (16) where the crucible, the molding and the vibration of the molding.
  • Figure 6 represents the process of removing the material from the molding inside the hollow part where the system is to be molding (17) immersed in water (19) within a tub (20) that causes vibration in the water and the component tree is connected to a device (18) that causes vibration in the tree.
  • the present invention relates to a lightweight component having a cellular internal structure and an outer wall wherein the cellular internal structure and the outer wall are produced by casting a single component according to the stresses to which it will be subjected. piece at the local level.
  • This invention further relates to a method for producing the component which includes removing the molding material remaining in the hollow cavities of the cellular internal structure of the component.
  • the component comprises an outer wall (1) and an inner area corresponding to the metallic cellular inner structure (2).
  • the internal cellular metal structure as well as the outer wall form a single component obtained in a casting casting.
  • the internal structure consists of the cellular structure (2) and has a dense outer surface wall (1) which covers part or almost all of the internal structure.
  • the outer wall has two holes (4) that connect the inner cavities (3) to the outer region so that the molding plaster is removed from the inner cavities after casting.
  • the internal cellular structure is defined according to local loads / stresses and may have a different shape according to the type of local stresses (shear or normal) and different stresses, eg tensile or compressive, flexural or twisting along the component.
  • the cellular internal structure may thus have in one zone a cellular structure of circular elements and in another zone of the part having elliptical elements, as shown in Fig. 2.
  • the internal structure may also have gradients of geometries and dimensions along the component. It may thus have in one area small circular elements and in another area of the part larger circular elements, as shown in Fig. 3.
  • the shape and size of the internal structure is defined in such a way as to minimize and standardize the internal stresses at local level for the different types of stresses or stresses.
  • the outer wall is also defined according to local stresses by level and type of stresses and its thickness and geometry may also vary from point to point according to local loads or stresses.
  • the cellular internal structure can be made of very thin structure walls in order to improve the specific resistance.
  • the walls of the cellular interior or exterior structure may be very thin, for example 0.1 mm, but may also be thicker, for example 1 mm.
  • the geometry of the cellular interior structure as well as the geometry of the outer wall are firstly obtained by obtaining a resin or polymer model with the shape of the component / structure.
  • This model can be obtained, for example, by rapid prototyping from a computer 3D drawing of the component.
  • the resin model will then be used to obtain a molding, typically in plaster, through the lost wax casting process. It can also be used to obtain a male in plaster and he will be used as a male in a steel cup or male in a sand mold.
  • the integral component will then be obtained in a casting casting, requiring no welding between the inner structure and the outer wall.
  • Casting can be obtained essentially by two means:
  • the component is obtained by a casting process in a two chamber assisted equipment with overpressure in one chamber and vacuum in the other chamber and casting vibration during and after casting as illustrated in Fig. 4.
  • Vacuum improves the flowability of the material since the molding material, usually plaster, has a certain porosity and allows air from within the molding to be sucked in or sucked in, thus helping fluid metal to enter and flow through very thin cavities. . It also allows reducing any porosities of gaseous origin. Vacuum levels may range from atmospheric pressure to -0.1 MPa relative pressure.
  • the molten mass is in another chamber (5) which is watertight with respect to chamber (6) and is subjected to an overpressure between 0.1 (atmospheric pressure) and 0.5 MPa promoted by an inert gas, eg argon.
  • This overpressure will push the material into the molding in the chamber (6).
  • the chamber (5), where the melted crucible is located is connected to the chamber (6), where the molding is located, through a small hole in the bottom of the crucible. This hole is covered by a graphite rod (8). When the rod is lifted the molten metal passes through the crucible hole towards the molding.
  • the overpressure in the chamber (5) will increase the flowability of the material and hence the filling of the thin mold structure. This overpressure will also reduce casting defects.
  • the overpressure in chamber 5 may range from atmospheric pressure to about 0.5 MPa relative pressure.
  • Molding is subject to vibration during casting. This vibration of the molding increases the melt flowability and therefore the filling of the structure very slim.
  • the acceleration level due to vibration can range from 8,000-24,000 mm / s 2 , depending on material / alloy, melting temperature and molding / plaster temperature. Once the metal has completely filled the molding, the acceleration level due to vibration should fall to levels between 20 and 100 mm / s 2 . This level of vibration after molding is completed is intended to increase the properties of the molten material by reducing the grain. This level of vibration does not increase flowability but improves the properties of the cast product.
  • a 0.4 mm thick inner structure and outer wall component with a dimension of 40mm * 40mm * 40mm can be obtained for example from an aluminum alloy (Al-Si) of the 4000 series, when the vacuum in chamber (2) is -1 bar, the overpressure in chamber 1 is 1 bar, the alloy overheat is 50 ° C, the vibration during casting accelerates to 1000 mm / s 2 , and the temperature of the casting plaster is 350 ° C.
  • Al-Si aluminum alloy
  • the molding can also be placed on a vertical axis centrifugal casting equipment (Fig.5), and must be subject to vibration and vacuum during casting.
  • the vibration and vacuum levels are identical to those of the previous process.
  • the level of pressure and velocity with which the material enters the molding depends on several variables such as distance to the center of rotation, molding rotation speed and should be equivalent to those of the previous process.
  • a 0.4mm thick inner structure and outer wall component with a 40mm * 40mm * 40mm dimension can be obtained for example in a 4000 series aluminum alloy (Al-Si) when the vacuum in chamber 2 is -0.1 MPa, the rotational speed is 300 rpm, the distance from the component to the center of rotation is 40 cm, the melt is 400g, the alloy overheat is 50 ° C, the vibration during casting has an acceleration of 1000 mm / s 2 , and the casting plaster temperature is 350 ° C.
  • Al-Si aluminum alloy
  • the integral component i.e. the cellular inner structure and outer wall
  • the ultra-thin walls of both the inner structure and the outer wall can be perfectly filled.
  • the molding material should be removed from the hollow spaces of the internal cellular structure. This will be done based on the following 5 main aspects:
  • the outer wall must have at least one hole, preferably two holes, as shown in Fig. 3, through which the molding material will be removed from the hollow spaces of the internal cellular structure to the exterior of the part;
  • the hollow spaces of the internal cellular structure are interconnected to form an open cell cellular structure to allow all molding material to be removed from all internal cavities outside the component;
  • Plaster casting should be immersed in water or other cold fluid at approximately room temperature, while the casting is still at a high temperature (> 300 ° C) to aid in the disintegration of the plaster;
  • the water in which the impression is immersed must be under ultrasonic vibration to help disintegrate the impression material.
  • the vibration level should vary between 20 and 200 mm / s 2 , depending on the type of molding material / plaster and the dimensions of the walls of the internal structure.
  • Vibration level should range from 5,000-40,000 mm / s 2 , depending on molding / plaster material, molding temperature and cast material.
  • a 0.4 mm thick inner frame and outer wall component with a dimension of 40mm * 40mm * 40mm in a fully coated, two-series, 4,000-series aluminum alloy (Al-Si) holes 5 mm in diameter, placed on opposite sides of the cube, can be completely removed from the cavity casts if the water vibration has an acceleration of 20mm / s 2 , the component acceleration is 5,000 mm / s 2 , and the temperatures of the water and the casting plaster at the time of immersion are respectively 20 ° C and 350 ° C.
  • Al-Si aluminum alloy

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

A presente invenção divulga uma estrutura e respetivo método de produção de uma peça metálica leve, que é composta por uma estrutura interna celular e uma parede exterior densa em torno do núcleo interior de forma a limitá-lo. Ambas as estruturas são desenvolvidas de acordo com os esforços/tensões a que está sujeita a peça, a nível local, e em que a peça é obtida por fundição, num único componente. O método de produção da estrutura compreende a prototipagem a partir de um desenho 3D; a fundição de gesso por cera perdida por vácuo, sobrepressão a uma pressão atmosférica a 0,5 MPa e vibração ou fundição centrífuga com vácuo e vibração e por fim a remoção do excesso de material. Estas peças podem ser utilizadas em várias funções e em elementos de construção ou de máquinas.

Description

DESCRIÇÃO
"ESTRUTURA METÁLICA LEVE E RESPECTIVO MÉTODO DE PRODUÇÃO" Domínio da Invenção
A presente invenção divulga uma estrutura e respetivo método de produção de uma peça metálica leve, que é composta por um núcleo interior metálico com estrutura oca celular e uma parede exterior densa em torno do núcleo interior de forma a limitá-lo. 0 processo consiste num só vazamento de fundição, onde o núcleo interior, bem como a parede exterior é obtida simultaneamente. A parte interna é composta por uma estrutura metálica fundida e áreas ocas entre a estrutura e onde as áreas ocas são obtidas por fundição, sendo removido o material da moldação através de furos na parede exterior da peça.
Sumário da invenção
É objectivo da presente invenção descrever uma estrutura metálica leve integral e que compreende uma estrutura interna celular (2) com cavidades internas (3) envolta por uma parede externa (1) que contém pelo menos um orifício (4) .
Numa forma de realização preferencial, a estrutura inclui uma parede externa (1) que apresenta dois orifícios.
Numa outra forma de realização preferencial, a estrutura inclui uma parede externa (1) que apresenta uma espessura entre 0,1mm e lmm. Ainda numa outra forma de realização preferencial, a estrutura compreende uma geometria e dimensões da estrutura interna celular em forma de gradiente.
É ainda objectivo desta invenção descrever um método de produção da estrutura metálica, o qual compreende os seguintes passos:
a. A partir de um desenho 3D prototipar um modelo de resina;
b. Fundição de gesso pelo método de cera perdida utilizando vácuo, uma sobrepressão entre 0,1 e 0,5 MPa e vibração entre 8000 a 24000 mm/s2;
c. Após o metal ter preenchido completamente a moldação, o nivel de aceleração da vibração na moldação baixa para niveis entre 20 e 200 mm/s2;
d. Remoção do excesso de material com utilização de vibração .
Numa forma de realização preferencial, no passo b. do método, a moldação é efectuada numa câmara (6) sujeita a vácuo e a massa de metal fundida num cadinho numa outra câmara (5) sujeita a uma sobrepressão por um gás inerte.
Numa outra forma de realização preferencial, o método faz uso de uma câmara (5) que está conectada com a câmara (6) por um orifício no cadinho.
Ainda numa outra forma de realização preferencial, o método utiliza um orifício que está tapado por uma haste (8) que quando é levantada permite a passagem do metal fundido para a moldação. Numa forma de realização preferencial, o passo d. do método ocorre através da imersão da moldação de gesso em água que está em vibração ultrassónica a uma velocidade entre 20 e 200 mm/s2.
Numa outra forma de realização preferencial, os materiais obtidos no passo d. do método estão a uma vibração ultra- sónica cujo nivel de vibração deve variar de 5,000 a 40,000 mm/s2.
Ainda numa outra forma de realização preferencial, o passo b. do método é alternativamente efectuado por fundição centrífuga com vácuo e vibração.
Numa forma de realização preferencial, o método utiliza uma moldação que é colocada num equipamento de fundição centrífuga de eixo vertical e sujeita a vibração e vácuo durante o vazamento.
Antecedentes da invenção
Como regra, as peças leves são utilizadas, por exemplo, em várias funções e em elementos de construção ou de máquinas. São projetadas e concebidas para terem resistência mecânica, de fadiga, ou, se necessário, propriedades anti- vibrações, devendo ainda compreender, baixo peso e uma distribuição de massa, ou de material, de tal forma que, quando a peça está carregada ou sujeita a esforços, as tensões mecânicas no material devam ser tão iguais quanto possível, ao longo de todo o componente. Atualmente, os componentes estruturais fundidos ou são maciços ou são compostos por duas partes, uma oca interna e uma parede externa.
No caso dos componentes obtidos em partes separadas, a parte interna é uma estrutura celular, obtida normalmente por fundição de uma espuma metálica, conforme indicado nos documentos WOO 6021082A1 , US06998535, US06881241,
US24079198A1. Todavia o componente interno referido nos documentos não possui parede externa, o que lhe retira grande parte da resistência mecânica. Esta parede externa é normalmente brazada ou ligada de alguma forma à estrutura interna conforme indicado no documento de patente US20063056/A1. Neste documento são obtidas duas partes separadas, uma interna e outra externa, ambas obtidas por fundição, e são posteriormente ligadas por um processo de união. Contudo, o tipo de soluções apresentadas anteriormente são muito limitadas quanto às geometrias das peças que permitem obter. Apenas peças que entrem na parede externa são possíveis de fabricar o que limita muito a geometria das peças a obter. Para além disto existe a necessidade de realizar um processo de união entre as partes externa e interna, o que torna o processo limitado pois existe a necessidade de um ajuste com tolerâncias muito apertadas entre as peças. Para além disto a zona de soldadura ou união será um ponto fraco da peça final.
Alternativamente, podem ser obtidos componentes num processo de fundição único, estruturados internamente e com parede externa, conforme descrito no pedido de patente US22121157A1. Neste caso, é introduzido um agente que cria bolhas gasosas e que, depois do metal ser vazado, dá origem a bolhas e cria uma espuma metálica. Mais acrescenta que é possível, através de certos parâmetros de processamento garantir que é formada uma parede externa sem porosidades. Obtém-se assim componentes com uma parede fina exterior e uma estrutura oca interna com aspeto de uma espuma metálica. Todavia no documento de patente referido, a estrutura interna não é controlável quanto à forma nem os gradientes de porosidades são controláveis. Também a espessura da parede não é controlável ao longo da peça sendo apenas referido que se pode mudar a espessura da parede mas de forma homogénea por todo o componente.
0 documento de patente US20100158741A1 apresenta uma solução em que esferas metálicas ocas são introduzidas num banho de outro metal. As cavidades esféricas são fechadas, sem ligação ao exterior. Nesta solução a ligação entre materiais dissimilares (esferas e matriz) cria zonas frágeis reduzindo as propriedades do novo material, e apresenta limitações geométricas das peças a obter pois é difícil controlar uma correta dispersão das esferas ocas no interior do metal fundido, em peças com geometria complexa.
Na invenção agora desenvolvida, apresenta-se uma solução para efetuar componentes com uma geometria interna celular, permitindo a obtenção de qualquer geometria de peça exterior dos componentes. Acrescenta-se ainda que permite a obtenção de uma estrutura interna em que cada ponto da geometria é definido de acordo com as cargas/tensões a que esse local do componente estará sujeito. A parte oca da peça obtém-se pois o material da moldação ou dos machos é removido da parte interna da peça através de um ou dois orifícios na parede exterior do componente. A vantagem desta solução consiste na possibilidade de obtenção de praticamente qualquer geometria de peça oca em que a malha ou estrutura celular interna assim como a parede externa que delimita a estrutura celular, são intencionalmente definidas ou projetadas de acordo com os esforços/tensões a que esta a peça estará sujeita a nivel local. Pode assim criar-se qualquer geometria de estrutura interna, qualquer gradiente de geometria da estrutura interna e qualquer geometria da parede externa, variável de ponto para ponto.
Descrição Geral
A presente invenção diz respeito a uma estrutura metálica leve com uma estrutura interna celular oca e uma parede externa que delimita a estrutura interna. Ambas as estruturas são desenvolvidas de acordo com os esforços/tensões a que está sujeita a peça, a nivel local, e em que a peça é obtida por fundição, num único componente .
A estrutura interna de metal, bem como a parede exterior, formam um único componente obtido num vazamento de fundição. A estrutura interna forma o núcleo central da peça e possui uma parede superficial densa, que reveste em parte ou em quase toda a totalidade, a estrutura interna. A parede exterior tem pelo menos um orifício tipo furo, de preferência dois, em quaisquer zonas opostas da peça, que liga a estrutura celular interna ao exterior, a fim de que o material da moldação, normalmente gesso, possa ser removido das cavidades internas após a fundição. A estrutura celular interna é projetada de acordo com as cargas locais / tensões e pode ter uma forma variável de acordo com o tipo de tensões locais de corte ou normais, e esforços de diferente natureza, por exemplo de tração ou de compressão, de flexão ou de torção, ao longo do componente. A parede exterior também é definida de acordo com as tensões locais por nivel e tipo de tensões e a sua espessura e geometria também pode variar de ponto a ponto de acordo com as cargas ou tensões locais.
A vantagem desta invenção é que o componente final tem uma resistência especifica elevada, alta resistência e baixo peso, uma vez que utiliza apenas o material que é necessário para suportar as tensões locais que existem no componente .
É ainda divulgado o método de produção do componente. A geometria da estrutura celular interna, bem como a geometria da parede exterior são obtidas em primeiro lugar, através da obtenção de um modelo de resina ou polímero com a forma do componente / estrutura e irá então ser usado para obtenção de uma moldação através do processo de fundição por cera perdida. A fundição pode ser obtida essencialmente com recurso a duas vias: fundição com vácuo, sobrepressão e vibração; ou fundição centrífuga com vácuo e vibração .
Outra vantagem desta invenção é que o componente integral, isto é a estrutura interna celular e parede externa, é obtido num único vazamento ou etapa de fundição podendo as paredes ultra-finas na estrutura interna celular e parede externa atingir uma espessura entre 0,1 mm e 1 mm. A densidade deste novo componente, quando comparado com o componente maciço comum, pode reduzir até cerca de 90%, ficando com apenas 10% da massa inicial.
É ainda divulgado um processo de remoção de material da moldação que fica nas cavidades ocas internas do componente. De acordo com a presente invenção, o material da moldação deve ser removido pelos orifícios da estrutura celular interna que se encontram localizados na parede externa. A remoção é realizada com recurso aos orifícios na parede externa, à ligação entre os espaços ocos da estrutura interna e à vibração ultrassónica que deve ser aplicada quer à água de imersão da moldação, quer aos componentes ou peças. Assim, com este método o material da moldação retido na estrutura celular interna devido ao processo de fundição pode ser completamente removido do interior da peça fundida através de um processo simples e eficiente e imediatamente após o vazamento. Acrescenta-se ainda que com este método, a peça tem a capacidade de absorver ou transferir, a nível local, elevadas cargas estáticas, dinâmicas e também possui um bom efeito de amortecimento .
Breve descrição das figuras
Para uma mais fácil compreensão da invenção juntam-se em anexo as figuras, as quais, representam realizações preferenciais do invento que, contudo, não pretendem limitar o objecto da presente invenção.
A figura 1 apresenta um exemplo de uma peça leve em que (2) corresponde à estrutura interna celular; (3) às zonas ocas, (1) à parede externa fina e (4) aos orifícios presentes na parede por onde será removido o material da moldação (gesso) .
A Figura 2 apresenta um exemplo de uma porção de micro- estrutura interna com uma geometria da estrutura que pode mudar, intencionalmente, de ponto para ponto da peça.
A figura 3 apresenta um exemplo de uma porção de micro- estrutura interna com uma geometria da estrutura que pode mudar, sob a forma de gradiente de um mesmo elemento estrutural, intencional, de ponto para ponto da peça.
A figura 4 apresenta um esquema do processo de fundição com vácuo, sobrepressão, e vibração onde consta a câmara (5) com a saida de ar (12) para execução do vácuo, onde está o metal liquido (7), e que ficará sujeita a uma sobrepressão (pl>p2) devido a gás que entra por um orifício (11), a câmara (6) onde está a moldação (9) e apresenta a saída de ar (13) para execução do vácuo e a mesa (10) que provoca a vibração na moldação (9) em que o vazamento faz-se do cadinho (7) para a moldação (9) através de um orifício, entre as câmaras, que fica livre quando se levanta uma vareta ( 8 ) .
A figura 5 apresenta um esquema do processo de Fundição centrífuga com vácuo e vibração onde consta o eixo vertical (14), o eixo horizontal (15), e a câmara (16) onde se encontram o cadinho, a moldação, e o sistema de vibração da moldação .
A Figura 6 representa o processo de remoção do material da moldação, de dentro da peça oca onde consta o sistema a moldação (17) imerso em água (19) dentro de uma tina (20) que provoca vibração na água e a árvore de componentes está ligada a um dispositivo (18) que provoca vibração na árvore .
Descrição detalhada da invenção
A presente invenção diz respeito a um componente leve com uma estrutura interna celular e uma parede externa em que a estrutura interna celular e a parede externa são produzidas por fundição de um único componente, de acordo com os esforços/tensões a que irá estar sujeita a peça, a nivel local .
Esta invenção diz respeito ainda a um método para produzir o componente que inclui a remoção do material da moldação que fica nas cavidades ocas da estrutura interna celular do componente .
Conforme a Fig. 1, o componente compreende uma parede exterior (1) e uma área interna que corresponde a estrutura interna celular metálica (2) . A estrutura interna celular de metal, bem como a parede exterior, formam um único componente obtido num vazamento de fundição. A estrutura interna consiste na estrutura celular (2) e possui uma parede superficial densa externa (1), que reveste em parte ou em quase toda a totalidade, a estrutura interna.
A parede exterior tem dois furos (4) que ligam as cavidades interiores (3) à região exterior, a fim de que o gesso da moldação seja removido das cavidades internas após a fundição . A estrutura interna celular é definida de acordo com as cargas locais / tensões e pode ter uma forma diferente de acordo com o tipo de tensões locais (de corte ou normais) e esforços de diferente natureza, por exemplo de tração ou de compressão, de flexão ou de torção, ao longo do componente. A estrutura interna celular pode assim ter, numa zona uma estrutura celular de elementos circulares e noutra zona da peça ter elementos elípticos, conforme demonstra a Fig. 2. A estrutura interna pode também ter gradientes de geometrias e dimensões ao longo do componente. Pode assim ter numa determinada zona elementos circulares de pequena dimensão e noutra zona da peça elementos circulares de maior dimensão, conforme demonstra a Fig.3. A forma e a dimensão da estrutura interna é definida de modo a minimizar e uniformizar as tensões internas, a nível local, para os diferentes tipos de esforços ou tensões.
A parede exterior também é definida de acordo com as tensões locais por nível e tipo de tensões e a sua espessura e geometria também pode variar de ponto a ponto de acordo com as cargas ou tensões locais.
A estrutura interna celular pode ser constituída por paredes de estrutura muito fina, a fim de melhorar a resistência específica. As paredes da estrutura interior celular ou da exterior podem ser muito finas, por exemplo 0,1 mm, mas podem também ser mais espessas, por exemplo 1 mm. Processo de obtenção:
A geometria da estrutura interior celular, bem como a geometria da parede exterior são obtidas, em primeiro lugar, através da obtenção de um modelo de resina ou polímero com a forma do componente / estrutura. Este modelo pode ser obtido, por exemplo, por prototipagem rápida a partir de um desenho 3D de computador do componente.
0 modelo de resina irá então ser usado para obtenção de uma moldação, tipicamente em gesso, através do processo de fundição por cera perdida. Pode ainda ser usado para obter um macho em gesso e este ser usado como macho numa coquilha de aço ou macho numa moldação de areia.
De acordo com a presente invenção, o componente integral será então obtido num vazamento de fundição, não requerendo qualquer soldadura entre a estrutura interna e a parede externa. A fundição pode ser obtida essencialmente com recurso a duas vias:
1. Fundição com vácuo, sobrepressão e vibração; e
2. Fundição centrífuga com vácuo e vibração.
Fundição com vácuo, sobrepressão, e vibração.
0 componente é obtido através de um processo de fundição num equipamento de duas câmaras assistida com sobrepressão numa câmara e vácuo na outra câmara e vibração da moldação, durante e após a fundição, conforme ilustrado na Fig.4.
0 processo de fundição tem as seguintes três características principais, a fim de permitir que a estrutura obtida tenha elevada resistência especifica, apresentando paredes da estrutura muito finas:
• A moldação é efectuada numa câmara (6) sujeita a vácuo. O vácuo melhora a fluidez do material uma vez que o material da moldação, geralmente gesso, tem uma determinada porosidade e permite que o ar do interior da moldação seja aspirado ou sugado ajudando assim o metal fluido a entrar e fluir por entre as cavidades muito finas. Permite ainda reduzir eventuais porosidades de origem gasosa. Os níveis de vácuo podem variar desde a pressão atmosférica até -0,1 MPa de pressão relativa.
• A massa fundida está numa outra câmara (5) estanque em relação à câmara (6) e sujeita a uma sobrepressão, entre 0,1 (pressão atmosférica) e 0,5 MPa, promovida por um gás inerte, por exemplo, árgon. Esta sobrepressão vai empurrar o material para dentro da moldação que se encontra na câmara (6) . A câmara (5), onde está o cadinho com a massa fundida, está conectada com a câmara (6), onde se encontra a moldação, através de um pequeno orifício no fundo do cadinho. Este orifício está tapado por uma haste de grafite (8) . Quando a haste é levantada o metal fundido passa através do furo do cadinho em direção à moldação. A sobrepressão existente na câmara (5) irá aumentar a fluidez do material e consequentemente o enchimento da estrutura fina do molde. Esta sobrepressão também irá reduzir os defeitos de fundição. A sobrepressão na câmara (5) pode variar desde a pressão atmosférica até cerca de 0,5 MPa de pressão relativa.
• A moldação está sujeita a vibração durante o vazamento. Esta vibração da moldação aumenta a fluidez da massa fundida e consequentemente o enchimento da estrutura muito fina. O nível de aceleração devido à vibração pode variar de 8.000-24,000 mm/s2, dependendo do material / liga, da temperatura de fusão e da temperatura da moldação /gesso. Depois do metal ter preenchido completamente a moldação, o nível de aceleração devida à vibração deve baixar para níveis entre 20 e 100 mm/s2. Este nível de vibração, após a moldação estar preenchida destina-se a aumentar as propriedades do material fundido através de uma redução do grão. Este nível de vibração não aumenta a fluidez mas melhora as propriedades do produto vazado.
Por exemplo, um componente com paredes da estrutura interna e da parede externa, de 0,4 mm de espessura, com uma dimensão de 40mm*40mm*40mm pode ser obtido por exemplo numa liga de alumínio (Al-Si) da série 4.000, quando o vácuo na câmara (2) for de -1 bar, a sobrepressão na câmara 1 for de 1 bar, o sobreaquecimento da liga for de 50°C, a vibração durante o vazamento tiver uma aceleração de 1000 mm/s2, e a temperatura do gesso da moldação for de 350°C.
Fundição centrífuga com vácuo e vibração.
• A moldação pode ainda ser colocada num equipamento de fundição centrífuga de eixo vertical (Fig.5), e deve estar sujeita a vibração e vácuo durante o vazamento. Os níveis de vibração e de vácuo são idênticos aos do processo anterior. O nível de pressão e de velocidade com que o material entra na moldação depende de várias variáveis como distância ao centro de rotação, velocidade de rotação da moldação e devem ser equivalentes aos do processo anterior. Por exemplo um componente com paredes da estrutura interna e da parede externa, de 0,4mm de espessura, com uma dimensão de 40mm* 40mm* 40mm pode ser obtido por exemplo numa liga de alumínio (Al-Si) da série 4.000, quando o vácuo na câmara 2 for de -0,1 MPa, a velocidade de rotação for de 300 r.p.m., a distância do componente ao centro de rotação for de 40 cm, a massa fundida for de 400g, o sobreaquecimento da liga for de 50°C, a vibração durante o vazamento tiver uma aceleração de 1000 mm/s2, e a temperatura do gesso da moldação for de 350°C.
Verifica-se portanto que o componente integral, ou seja, a estrutura interna celular e parede externa, é obtido num único vazamento ou etapa de fundição podendo as paredes ultra-finas quer da estrutura interna quer da parede externa, serem perfeitamente preenchidas.
Método de remoção:
De acordo com a presente invenção, o material da moldação deve ser removido dos espaços ocos da estrutura interna celular. Isto será realizado com base nos seguintes 5 aspetos principais:
• A parede externa deve ter pelo menos um furo, de preferência dois furos, como ilustrado na Fig. 3, através do qual o material da moldação será removido dos espaços ocos da estrutura interna celular para o exterior da peça;
• Os espaços ocos da estrutura interna celular estão interligados uns aos outros formando uma estrutura celular de célula aberta para permitir que todo o material da moldação seja removido de todas as cavidades internas para fora do componente;
• A moldação de gesso deve ser imersa em água ou outro fluido frio, aproximadamente à temperatura ambiente, enquanto a moldação está ainda com uma temperatura elevada (> 300°C) por forma a ajudar na desintegração do gesso;
• A água em que a moldação é imersa deve estar sob vibração ultra-sónica para ajudar na desintegração do material da moldação. 0 nivel de vibração deve variar entre 20 e 200 mm/s2, de acordo com o tipo de material da moldação / gesso e as dimensões das paredes da estrutura interna.
• Os componentes devem ser sujeitos a vibração ultra- sónica. Isto é conseguido pela ligação mecânica dos componentes ao sonotrodo de um dispositivo de vibração ultra-sónica. Isto ajudará na desintegração do material da moldação. O nivel de vibração deve variar de 5,000-40,000 mm/s2, de acordo com o material da moldação/gesso, temperatura da moldação e material fundido.
Por exemplo um componente com paredes da estrutura interna e da parede externa, de 0,4 mm de espessura, com uma dimensão de 40mm*40mm*40mm, numa liga de alumínio (Al-Si) da série 4.000, completamente revestida e com dois furos de 5 mm de diâmetro, colocados em faces opostas do cubo, pode ser-lhe completamente removido o gesso das cavidades se a vibração da água tiver uma aceleração de 20mm/s2, a aceleração do componente for de 5.000 mm/s2, e as temperaturas da água e do gesso da moldação, na altura da imersão, forem respetivamente de 20°C e de 350°C.
Verifica-se que o material da moldação retido na estrutura interna devido ao processo de fundição, pode ser completamente removido do interior da peça fundida através de um processo simples e eficiente, e imediatamente após o vazamento . A presente invenção não é, naturalmente, de modo algum restrita às realizações descritas neste documento e uma pessoa com conhecimentos médios da área poderá prever muitas possibilidades de modificação da mesma, tal como definido nas reivindicações.
As realizações preferenciais acima descritas são obviamente combináveis entre si. As seguintes reivindicações dependentes definem adicionalmente realizações preferenciais da presente invenção.

Claims

REIVINDICAÇÕES
Estrutura metálica leve caracterizada por ser integral e compreender uma estrutura interna celular
(2) com cavidades internas
(3) envolta por uma parede externa (1) que contém pelo menos um orifício
(4) .
Estrutura de acordo com a reivindicação anterior, em que a parede externa (1) apresenta dois orifícios.
Estrutura de acordo com a reivindicação anterior, em que a parede externa (1) apresenta uma espessura entre 0 , lmm e lmm.
Estrutura de acordo com as reivindicações anteriores, em que a estrutura compreende uma geometria e dimensões da estrutura interna celular em forma de gradiente .
Método de produção da estrutura metálica conforme descrita nas reivindicações 1 a 4, o qual compreende os seguintes passos:
a. A partir de um desenho 3D prototipar um modelo de resina;
b. Fundição de gesso pelo método de cera perdida utilizando vácuo, uma sobrepressão entre 0,1 e 0,
5 MPa e vibração entre 8000 a 24000 mm/s2;
c. Após o metal ter preenchido completamente a moldação, o nível de aceleração da vibração na moldação baixa para níveis entre 20 e 200 mm/s2; d. Remoção do excesso de material com utilização de vibração .
6. Método, de acordo com a reivindicação anterior, em que no passo b. a moldação é efectuada numa câmara (6) sujeita a vácuo e a massa de metal fundida num cadinho numa outra câmara (5) sujeita a uma sobrepressão por um gás inerte.
7. Método de acordo com a reivindicação anterior, em que a câmara (5) está conectada com a câmara (6) por um orifício no cadinho.
8. Método de acordo com a reivindicação anterior, em que o orifício está tapado por uma haste (8) que quando é levantada permite a passagem do metal fundido para a moldação .
9. Método de acordo com a reivindicação 5, em que o passo d. ocorre através da imersão da moldação de gesso em água que está em vibração ultrassónica a uma velocidade entre 20 e 200 mm/s2.
10. Método de acordo com a reivindicação anterior, em que os materiais obtidos no passo d. estão a uma vibração ultra-sónica cujo nível de vibração deve variar de 5, 000 a 40, 000 mm/s2.
11. Método de acordo com a reivindicação 5, em que o passo b. é alternativamente efectuado por fundição centrífuga com vácuo e vibração.
12. Método de acordo com a reivindicação anterior em que a moldação é colocada num equipamento de fundição centrífuga de eixo vertical e sujeita a vibração vácuo durante o vazamento.
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