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O uso em automóveis de componentes de zinco fundidos sob pressão
Hoje em dia, as ligas de alumínio para fundição sob pressão, os aços e diversos tipos de plástico dominam quase exclusivamente a manufatura dos componentes que mais chamam a atenção nos automóveis, como por exemplo, os blocos de motor, caixas do virabrequim, carcaças da caixa de câmbio e componentes estruturais, do revestimento externo da carroceria e do acabamento interno dos carros.

Dificilmente alguém poderia responder de pronto quantos componentes de zinco fundidos sob pressão há em um automóvel e quais peças são fabricadas desta maneira. Isso acortece porque estes componentes agem de forma mais oculta e são quase imperceptíveis aos usuários. No entanto, as peças fundidas em zinco podem até salvar vidas, sendo altamente complexas e exigentes.

A empresa Adolf Fohl GmbH&CoKG, da Alemanha, atua na fundição sob pressão de zinco fabricando componentes para automóveis, além de peças para a indústria de ferragens, entre outras.

Este artigo trata das diferentes possibilidades de aplicação dos componentes de zinco fundidos sob pressão nos automóveis, abordando também os aspectos associados a esta técnica.

A empresa Adolf Fohl GmbH&CoKG

Com quatro unidades fabris na Alemanha e uma joint-ventute na China, 45% do faturamento desta empresa é proveniente da indústria automobilística.

Somente na Alemanha ela conta com 60 máquinas de fundição sob pressão de zinco da marca Frech (figura 1), a maioria altamente automatizada. Desta forma, a sua capacidade de produção aproximada é de 550 milhões de componentes em três turnos, o que corresponde a 12.500 t de fundidos.
Fig. 1 - Máquinas de fundição sob pressão da empresa Adolf Fohl GmbH&CoKG
Deste total, 120 milhões de peças são direcionados à indústria automotiva, o correspondente a 4.300 t ou 40% do seu faturamento.

A Adolf Fohl GmbH&CoKG atua ainda no segmento de injeção de plástico, destinando cerca de 80% da sua produção ao mercado automotivo.
Materiais e processos

O zinco é um dos elementos mais presentes na crosta terrestre, sendo extraído de minérios correspondentes. As principais regiões de extração estão localizadas na América do Norte, China, Austrália e África.

Ele é necessário no corpo humano como um oligoelemento. A sua escassez pode resultar, por exemplo, em cegueira noturna e, consequentemente, na inabilidade de conduzir veículos.

A maior parte da produção mundial de zinco é utilizada em proteções superficiais e medidas anticorrosivas na indústria de construção civil, além da zincagem (galvanização) de componentes da carroceria dos automóveis.

As ligas de zinco mais comuns para aplicações na fundição sob pressão são a ZL 400, a qual é utilizada especialmente na América do Norte e na Ásia, assim como as ligas ZL 410 (zamac 5) e ZL430 (zamac 10).Todas elas contêm 4% de alumínio sendo o teor de cobre de 1% na liga ZL 410 e de 3% na ZL 430.

Em junho de 2012, 1 kg da liga ZL 410 custava em torno de 2 euros. sendo a mais processada na Adolf Fohl GmbH&CoKG. Naquele período pelo menos, ela estava presente em mais de 90% dos fundidos da empresa. A liga ZL 410 oferece uma ótima relação entre preço, processabilidade e propriedades do material.

O desenvolvimento de outras ligas de zinco se torna difícil, porém isso não pode ser atribuído à demanda do material, mas sim às propriedades do zinco puro, que apresenta uma solubilidade extremamente limitada em outros materiais no estado sólido. Em compensação, é possível cobrir um largo espectro de aplicações com apenas algumas ligas, mesmo na construção de automóveis.

A tabela 2 reúne as propriedades mais importantes dos componentes de zinco fundidos sob pressão. A imagem do material pesado do zinco pode ser atribuída indubitavelmente ao seu peso específico relativamente alto, de 7,1 g/cm³ no estado sólido. Por este motivo, sua fundição sob pressão não está necessariamente associada às aplicações automotivas ou à construção leve.
A alta densidade do zinco, a sua suscetibilidade à formação de corrosão branca e a sua resistência ao calor reduzida acima de 100°C realmente limitam a atratividade deste material à primeira vista. No entanto, ao analisar o zinco em si e o seu processamento via fundição sob pressão, conclui-se que as peças produzidas desta forma apresentam diversas vantagens que tornam interessante o seu emprego nos automóveis.

Os componentes de zinco fundidos sob pressão podem ser acabados com grande exatidão, com dimensões finais dentro da faixa de tolerância de 0,01 mm, graças à excelente fluidez das ligas de zamac.

A usinagem mecânica dispendiosa geralmente pode ser dispensada nestas peças, o que associado à excelente resistência mecânica destas ligas torna possível produzir componentes com espessura de parede extremamente fina (até 0,3 mm) e alta resistência mecânica.

Desta maneira, normalmente é possível compensar a desvantagem do peso do zinco, de modo que a fundição sob pressão se torna o processo ideal para a produção de componentes complexos, menores e altamente solicitados, que não são instalados muito perto do motor.

As excelentes propriedades de compatibilidade eletromagnética do zinco permitem ainda o seu emprego em componentes eletrônicos, como por exemplo, da carcaça.

Também é possível revestir os fundidos de zinco sob pressão de modo simples e de diversas maneiras, motivo pelo qual a sua superfície pode ganhar um aspecto decorativo e mesmo valioso. Outra vantagem das peças fundidas em zinco é a possibilidade de reciclá-las 100%, sem problemas.

A própria técnica de fundição sob pressão deste metal oferece benefícios para os usuários. A câmara de injeção, por exemplo, encontra-se na área do banho fundido, tratando-se, portanto, de um processo de câmara quente. Isso simplifica e acelera a evolução desta técnica.

Para termos comparativos, na fundição sob pressão de alumínio com câmara fria, a câmara de injeção fica localizada longe do banho, ou seja, na parte "fria".

Voltando à fundição sob pressão de zinco, vale mencionar que neste caso o pistão de injeção se encontra dentro da câmara de injeção. Ele transporta a liga líquida lentamente até a bucha de injeção da matriz, até aproximadamente o canal de alimentação. Então, o pistão injeta o metal líquido em um movimento rápido na própria cavidade da matriz, com uma pressão de injeção específica de até 450 bar.

As forças de injeção resultantes, que tentam abrir a matriz novamente, podem ser dominadas com segurança em quase todos os casos, com forças de fechamento entre 200 e 2.000 kN. Naturalmente, é possível ajustar, monitorar e avaliar todos os parâmetros necessários nas máquinas. Isso vale inclusive para o controle da própria injeção, que pode ser feito em tempo real, levando cerca de 20 a 30 ms.

Além da excelente fluidez da liga líquida já mencionada e da precisão alcançável, a fundição sob pressão de zinco ainda é um processo extremamente econômico (tabela 3).
Com pressões de injeção específicas de até 450 bar e forças de fechamento de 200 a 2.000 kN, não se faz necessário utilizar máquinas com um modelo dimensional único. Deste modo, os investimentos em equipamentos ficam na faixa de 250 mil a 500 mil euros. aproximadamente, de acordo com o modelo e os acessórios periféricos.

Uma célula de fundição completa com robô, carrossel de resfriamento. equipamento de rebarbação, uma máquina de fundição com força de fechamento de 200 t e controle em tempo real. além da infraestrutura necessária, com equipamentos de exaustão e abastecimento de líquido desmoldante, requer um investimento em torno de 1 milhão de euros.

As ferramentas também contribuem significativamente para a rentabilidade do processo, uma vez que alcançam tempos de vida útil de um milhão de injeções ou mais, com tempos de ciclo curtos (de 10 até 20 segundos).
Aplicações no automóvel

Fig. 2 - Distribuição aproximada da utilização do zinco em um veículo de médio porte
A figura 2 mostra a distribuição aproximada do emprego de zinco em um veículo de médio porte. Os fundidos de zinco sob pressão representam cerca de 50% do total de zinco empregado em automóveis deste tipo, totalizando quase 5 kg de peças fundidas. Na figura 3, é indicado onde estes 5 kg do metal estão presentes no modelo GolF da Volkswagen.
Fig. 3 - Componentes de zinco fundidos sob pressão, que equipam o modelo Golf, da Volkswagen
As figuras 4 a 6 apresentam de modo mais detalhado os diversos campos de aplicação das peças fundidas de zinco em diversas partes do veículo, como por exemplo, na proximidade do compartimento do motor, na área interna, na direção e na coluna de direção.
Fig 4 - Componentes de zinco fundidos sob pressão presentes no compartimento do motor de um automóvel
Uma descrição detalhada dos diferentes componentes de zinco fundidos sob pressão está além dos limites deste artigo. A variedade de peças é muito grande e os motivos para a escolha da fundição sob pressão deste material são diversos.
Fig. 5 - Componentes de zinco fundidos sob pressão presentes no compartimento interno de um automóvel
Fig. 6 - Componentes de zinco fundidos sob pressão presentes na coluna de direção de um automóvel
A seguir, serão apresentados alguns exemplos de componentes fabricados na empresa Adolf Fohl GmbH&CoKG, que comprovam a eficácia desta técnica e o emprego automotivo destes fundidos.

As figuras 7 a 10 mostram um retrator do cinto de segurança completo e os seus componentes avulsos, que são fundidos sob pressão em zinco. Todo o conjunto deve ser capaz de absorver forças enormes, particularmente no caso de colisão. As questões peso e custos também são importantes neste caso.
Fig. 7 - Conjunto do retrator do cinto de segurança | Fig. 8 - Carretel para o aperto/desaperto do cinto de segurança, antes produzido em alumínio e agora fundido sob pressão em zinco | Fig 9 - Roda dentada de aperto/desaperto, mudança do componente sinterizado para o de zinco fundido sob pressão | Fig. 10 - Componente do sistema de aperto/desaperto, antes fabricado em alumínio e agora fundido sob pressão em zinco
Estes requisitos foram alcançados graças ao projeto do componente apoiado na técnica de simulação, o que possibilitou a substituição dos materiais originalmente utilizados pelos fundidos de zinco.

O sistema global do retrator do cinto de segurança também inclui o respectivo pré-tensionador. Os componentes principais deste sistema são o pistão (figura 11) e a carcaça do 10 pré-tensionador (figura 12).
Fig. 11 - Pistão do retrator do cinto de segurança | Fig. 12 - Carcaça do pré-tensionador do cinto de segurança
O pistão se encontra dentro do cano da carcaça em forma de pistola, acionando o processo de pré-tensionamento do cinto de segurança em caso de colisão. Estes componentes constituem os itens mais sofisticados atualmente, produzidos na Adolf Fohl GmbH&CoKG, sendo altamente exigidos em função da precisão necessária e também em relação aos requisitos de chupagem e porosidade, o que os torna aptos ao salvamento de vidas em caso de colisão.

As figuras 13 a 16 reúnem alguns outros exemplos, como a carcaça da transmissão para a regulagem elétrica do assento (figura 13), que originalmente era composta de diversas partes e diferentes materiais e agora está sendo executada como um componente único fundido sob pressão em zinco, o que contribui para a redução dos custos.
Fig. 13 - Carcaça de transmissão do acionador do posicionamento do assento | Fig. 14 - Gabinete do módulo de vídeo | Fig. 15 - Componente da coluna de direção | Fig. 16 - Parte da superfície da alavanca seletora
No gabinete do módulo de vídeo para aplicação automotiva apresentado na figura 14, as excelentes propriedades do zinco são aproveitadas, como a sua boa fluidez, que permite a fabricação de contornos muito finos e paredes delgadas.

A figura 15 ilustra um componente complexo da região da coluna de direção, que possibilita o travamento eletromecânico do volante, sendo parte do sistema antifurto. Outros componentes da direção também estão sendo produzidos em zinco por fundição sob pressão, devendo ajudar a evitar o aumento da folga de direção durante a vida útil, em conjunto com outros componentes.

A figura 16 apresenta uma alavanca seletora de funções, cuja produção foi descontinuada, mas serve para ilustrar uma outra aplicação do zinco. Ela está sendo substituída por outros componentes também fundidos em zinco sob pressão.

A placa base de uma antena de teto mostrada nas figuras 17 e 18 apresenta uma particularidade. Ela é fabricada em zinco fundido sob pressão e revestida com um elastômero termoplástico. Desta forma, é possível eliminar a vedação moldada.
Fig 17 - Placa base sem o revestimento termoplástico de acabamento | Fig. 18 - Placa base com o revestimento termoplástico de acabamento
Conforme mencionado, existe uma grande quantidade de outros componentes fundidos em zinco sob pressão, mas os exemplos mostrados transmitem uma boa visão do espectro de peças deste tipo presentes nos automóveis hoje em dia.

Pelo exposto, torna-se evidente que a fundição sob pressão de zinco permite a produção econômica de componentes com geometrias complexas, contornos delicados e alta resistência mecânica. Com um leiaute inteligente, é possível simplificar os componentes existentes, sem que o emprego das peças fundidas de zinco resultem necessariamente em um aumento de peso em relação aos outros materiais.

A fundição sob pressão deste metal oferece adicionalmente outras vantagens que tornam esta técnica viável para outras aplicações do zinco, assegurando o emprego futuro destes componentes nos automóveis. A tabela 4 resume alguns argumentos e as vantagens essenciais desta técnica.
Fonte: ICZ
Data de publicação: 23/04/2013