O grupo BMW, da Alemanha, possui uma fundição de metais leves na cidade de Landshut, onde todos os componentes produzidos são fundidos em larga escala em moldes permanentes (coquilha), utilizando machos de areia inorgânica, ou seja, aglomerada com materiais inorgânicos. Isso significa que ao invés de aglomerantes orgânicos convencionais, é utilizado o aglomerante inorgânico lnotec, da ASK Chemicals GmbH, também da Alemanha.

Este aglomerante, que praticamente não libera emissões nocivas ao meio ambiente, permite a confecção de machos de areia complexos, indicados para a fabricação de peças destinadas a motores a gasolina e diesel, para automóveis de passeio.

A fabricação de machos de areia inorgânica é atualmente um dos maiores desafios enfrentados na indústria de fundição. Além dos seus efeitos positivos sobre a qualidade, merecem destaque as questões de custo, propriedades do componente e, especialmente, a fabricação sustentável e amigável ao meio ambiente, que requerem a adaptação da fabricação de machos de areia para a fundição em moldes permanentes.

Desde o início do século 19, os aglomerantes inorgânicos têm sido

Fig. 1 - Machos de areia para componentes do motor, os quais foram produzidos com aglomerante inorgânico

utilizados em algumas fundições sob a denominação “processo do silicato de sódio”. Devido aos curtos tempos de ciclo necessários e às dificuldades da fabricação de componentes complexos, estes aglomerantes foram substituídos quase completamente pelos sistemas orgânicos cold-box, no começo dos anos 1970.

Desde então, em razão dos aperfeiçoamentos da química de silicatos, novas variações deste processo foram desenvolvidas e adotadas.

Em 2004, o grupo BMW começou a desenvolver machos de areia inorgânica, com o objetivo de introduzi-los na produção seriada. Em 2005, a ASK Chemicals ^[1] foi escolhida como parceira da BMW depois de uma análise abrangente dos potenciais oferecedores. Esta decisão aumentou a velocidade de desenvolvimento em ambas as empresas, tanto no que diz respeito à parte química dos aglomerantes e aos métodos de simulação, como à tecnologia do ferramental.

Com o objetivo de compensar eventuais picos de produção de curto prazo, em razão da movimentação dos componentes, a fundição trabalhou em colaboração com a empresa WD Giessereitechnik.

A produção de peças fundidas com machos de areia inorgânica é uma contribuição importante do grupo BMW para a estratégia de sustentabilidade. Devido à dinâmica eficiente de seus veículos e à eficiência ambiental de sua produção, a empresa assume um papel pioneiro neste campo ^[2].

Vantagens dos aglomerantes inorgânicos

A figura 2 apresenta o vazamento de um cabeçote

Fig. 2 – Gases queimados provenientes do vazamento de um cabeçote de cilindro produzido com machos de areia inorgânica

de cilindro com machos de areia orgânica. A ocorrência de fumaça e o odor típico de fundição foram causados pela combustão dos aglomerantes orgânicos.

O desenvolvimento de fumaça e do condensado orgânico exercem efeitos negativos sobre:

• as condições de trabalho dos colaboradores
• a resistência do componente
• o tempo de ciclo a disponibilidade da instalação e do ferramental
• a limpeza do ar de exaustão e o consumo de energia resultante

Até o momento, a cura dos machos de areia com aglomerantes orgânicos

Fig. 3 – Formação de condensado orgânico (à esquerda) e inorgânico (à direita) provenientes das misturas da areia de macho por aquecimento

comerciais é baseada em reações de ligações cruzadas induzidas de modo catalítico (cold-box por aminas, EGH por SO2 ) ou térmico (caixa morna,hot-box).

Na fabricação de machos, os grãos de areia de quartzo cobertos com resina são interligados por pontes de aglomerante, que fazem a união. O contato com o banho fundido quente, que ocorre durante o vazamento, resulta na decomposição dos componentes orgânicos do aglomerante, de modo similar a uma combustão.

A estrutura química dos novos aglomerantes com base no silicato de sódio é muito parecida com a areia de quartzo. A cura do macho é efetuada por meio de uma reação de policondensação, em que há a ocorrência da separação de água.

Desta forma, a areia de macho só precisa ser secada pela ferramenta quente de soprar machos e pela lavagem com ar quente. Para assegurar esta reação, é utilizado um catalisador. Este aditivo garante que os machos de areia obtenham a resistência, temperatura e estabilidade a úmido necessárias.

As diferentes propriedades destes aglomerantes sob a influência de calor puderam ser reveladas em teste, utilizando um tubo de ensaio. A figura 3 mostra o aglomerante orgânico no tubo de ensaio (à esquerda) e o novo aglomerante inorgânico (à direita).

As misturas de areias e aglomerante foram aquecidas no tudo de ensaio até a temperatura de vazamento, com o auxílio de um bico de Bunsen. A fumaça do aglomerante orgânico condensou na parede do tubo de ensaio, adquirindo uma descoloração visível. O tubo de ensaio com o aglomerante inorgânico, por sua vez, ficou livre de depósitos de condensado, mesmo depois do aquecimento até a temperatura de vazamento.

Fig. 4 – Propriedades dos materiais para utilização em machos de areia com aglomerante orgânico (motor anterior) e inorgânico (motor novo)

Vantagens para o empregado

Devido à eliminação da fumaça durante o vazamento, a poluição na área de vazamento em razão de odores perturbadores diminui.

No vazamento com machos de areia orgânicos ocorrem depósitos de condensados nas ferramentas de fundição, que devem ser removidos em intervalos regulares, via jateamento com gelo seco de dióxido de carbono (CO₂). Com isso, os empregados são submetidos a uma carga física, além da poluição sonora.

No vazamento com machos inorgânicos, por outro lado, esta etapa de limpeza dispendiosa e intensiva é reduzida em mais de 75%. Desta forma, a poluição sonora também diminui, além de ser possível eliminar a limpeza do sistema de exaustão, cujo custo de operação é alto. Adicionalmente, o emprego de materiais perigosos nas instalações de limpeza do ar de exaustão (por exemplo, de peróxido) torna-se desnecessário.

Fig. 5 – Avaliação qualitativa dos custos para a conversão de machos de areia com aglomerante orgânico em inorgânico

Vantagens da resistência e potencial para a construção leve

A forte precipitação de condensados nas ferramentas de fundição, a qual ocorre quando são utilizados aglomerantes orgânicos, dificulta a transmissão de calor do alumínio para a coquilha refrigerada, prejudicando a estabilidade dimensional da peça fundida. Por este motivo, é necessário evitar o depósito excessivo de condensados na ferramenta, utilizando temperaturas superiores a 200°C.

No entanto, é preciso levar em consideração que a velocidade de resfriamento é um parâmetro essencial para a resistência do fundido, no caso de um controle da solidificação bem dimensionado.

O princípio básico para a mesma liga de alumínio é o seguinte: quanto maior for a velocidade de resfriamento, maior será a resistência do componente, a qual é medida pelo espaço entre os braços dendríticos.

Ao utilizar machos de areia com aglomerantes inorgânicos, é possível trabalhar com ferramentas de fundição mais frias (temperatura inferior a 100°C, ao invés de superior a 200°C).

As velocidades de solidificação resultantes, que são até 20% mais altas, aumentam a resistência do componente, com um espaçamento entre os braços dendríticos reduzido. Neste caso, o tempo de ciclo necessário também diminui, uma vez que o banho fundido solidifica mais rapidamente. Assim, o processo de fabricação fica mais barato.

A figura 4 compara as resistências do novo cabeçote de cilindro do modelo BMW 730d com o do motor anterior, fabricado com machos orgânicos ^[3].

Resistências maiores são necessárias para produzir motores com pressões de combustão mais elevadas e potências específicas mais altas, com peso igual ou inferior.

O emprego deste processo de fabricação inovador na produção seriada contribui para a produção de componentes altamente solicitados, destinados especialmente às novas gerações de turbomotores superalimentados e de baixo consumo.

Vantagens energéticas e econômicas

Quando se deve avaliar a utilização de aglomerantes inorgânicos em uma fundição e compará-los com os sistemas existentes, é indispensável fazer uma consideração a respeito de toda a cadeia de processo.

As maiores despesas que recaem sobre a fabricação dos machos devido à utilização de ferramentas aquecidas e às ampliações necessárias são compensadas na cadeia de processo.

Fig. 6 – Bloco de motor correspondente ao BMW 730d e machos de areia inorgânica

Fig. 7 – Cabeçote de cilindro correspondente ao BMW 730d e machos de areia inorgânica

Deste modo, ao comparar a fabricação dos machos de areia inorgânica e os atualmente utilizados, como o processo EGH e o cold-box, nota-se que os seus custos operacionais e de manutenção são semelhantes (figura 5) ^[4]. Na fundição, ainda é possível de se obter uma rentabilidade claramente maior com o uso de machos inorgânicos.

A ausência de elementos orgânicos acarreta em duas vantagens decisivas para a fundição e o resfriamento dos componentes. Primeiramente, os intervalos de limpeza podem ser claramente aumentados, tendo em vista a ocorrência de poucos depósitos, em razão de um resto mínimo de produtos de combustão nas ferramentas de fundição. Isso exerce um efeito direto sobre os custos de manutenção existentes, além de possibilitar um aumento da sua vida útil.

Devido à redução mencionada da temperatura da coquilha, é possível aumentar a velocidade de resfriamento do banho fundido líquido e encurtar o tempo de ciclo. Adicionalmente, tem-se uma melhora das propriedades mecânicas das peças. As otimizações dos processos de vazamento e resfriamento compensam as despesas adicionais com a fabricação dos machos.

Desta forma, é possível alcançar uma rentabilidade claramente maior, quando se considera todo o processo de fabricação. No caso da montagem de novas linhas de fabricação, a economia de custos é ainda maior, uma vez que não é necessário realizar investimentos nos sistemas de exaustão.

Além dos potencias de economia na fundição, também é reduzido o consumo de energia da pós-combustão térmica, de modo que o pós-tratamento do ar de exaustão passa a ser especialmente importante.

A introdução deste processo na produção seriada

Para o projeto piloto, foi escolhido um componente novo, com altas solicitações tecnológicas (de fundição) e que requeria poucos machos. A peça escolhida foi um bloco de motor de alumínio para motores diesel com seis cilindros, os quais são montados em série desde 2005 na BMW.

A produção de machos de areia inorgânica nesta fundição foi iniciada em 2006 e desde então foram produzidos mais de 550 mil componentes ^[5].

A decisão de substituir os machos orgânicos pelos inorgânicos em toda a produção desta fundição foi tomada levando-se em conta a variedade de peças fundidas e a viabilidade técnica de aquisição de ferramentas.

Desde 2009, toda a fabricação de blocos de motor da BMW utiliza machos inorgânicos. Desde o início da produção do BMW 730d, em 2008, os componentes principais do motor (bloco e cabeçote do cilindro) são produzidos por este processo (figuras 6 e 7).

Em 2010, a empresa concluiu a conversão da fabricação de cabeçotes de cilindro com o uso machos inorgânicos, em substituição aos orgânicos.

Referências Bibliográficas

1] Giesserei 95 (2008), nº 1, S. 44-48.

2] BMW Sustainable Value Report 2008.

3] Weissenbek, E., Blümlhuber, W., u. a.: Anorganische Kernfertigung für hochbelastete Zylinderköpfe am Beispiel des neuen BMW Sechszulinder Dieselmotors, Magdeburger Symposium Giesstechnik im Motorenbau 2009.

4] Giesserei 96 (2009), nº 9, S. 52-56.

5] Giesserei 95 (2008), nº 6, S. 30-33.