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Escolhendo um processo

Como escolher um processo de fabricação para uma peça real: material, forma, tamanho, precisão e quantas você precisa.

Engenheiros escolhem um processo de fabricação pesando seis coisas: o material, a quantidade, a forma, o tamanho, a precisão necessária e o custo. Nenhum processo vence nas seis, então toda escolha é uma troca. Esta página ajuda a afunilar as opções e depois indica as lições para ler.

As seis perguntas

  1. Material. Cada processo funciona só com alguns materiais, porque precisa derretê-los, fazê-los fluir, dobrá-los ou cortá-los do seu jeito.
  2. Quantidade. Quantas peças você precisa decide se um molde ou matriz caro vai se pagar.
  3. Forma. Paredes finas, interiores ocos, bolsões profundos e furos finos são fáceis para alguns processos e impossíveis para outros.
  4. Tamanho. Toda máquina e todo molde tem limites, então uma peça do tamanho de um grão de arroz e outra do tamanho de uma porta de carro pedem processos diferentes.
  5. Precisão. Tolerâncias justas (o erro de tamanho permitido) e superfícies lisas muitas vezes exigem usinagem ou retificação depois da primeira etapa de conformação.
  6. Custo. O objetivo é o menor custo total para a sua quantidade: ferramental (os moldes, matrizes e dispositivos feitos para a sua peça), tempo de máquina, material e acabamento.

Guia de decisão

Quantidade e material afunilam as opções mais rápido, então este guia começa por eles.

Quanto mais peças você precisa, mais compensa um molde ou matriz caroPrimeiras escolhas típicas com os números das lições: ache sua coluna de quantidade, depois sua linha de materialQuantas peças?1 a 10 peçasprotótipos, peças únicas, reparosDe centenas a milhareslotes pequenos e médiosDezenas de milhares ou maisprodução em massaMetalUsinagem 5.1–5.3ou impressão 3D de metal 8.4Fundição por cera perdida 1.2ou fundição em areia 1.1Fundição sob pressão 1.4ou estampagem 4.2, forjaria 3.1PlásticoImpressão 3D 8.1–8.3ou usinagem 5.1–5.3Termoformagem 2.4ou impressão 3D SLS 8.3Moldagem por injeção 2.1ou moldagem por sopro 2.3, se for ocaCompósitoLaminação manual 10.1ou infusão a vácuo 10.2Moldagem por transferência de resina 10.2ou enrolamento de filamento 10.4Moldagem por compressão 2.6ou pultrusão 10.3Da esquerda para a direita: ferramental mais caro, mas peças mais baratas quando você faz muitasPergunta e respostasFamília de materialProcesso a observar, com os números das lições
Guia de decisão de processos · 3 faixas de quantidade × 3 famílias de materiaisCada caixa indica uma primeira escolha típica e uma alternativa comum, com os números das lições. Forma, tamanho e precisão ainda podem mudar a resposta, então trate cada caixa como uma primeira ideia a conferir, não como um veredito.

Escolhas rápidas

A maioria dos objetos do dia a dia passa por uma cadeia de processos, listados aqui em ordem.

Quero fazer…Geralmente feito porLições
Garrafa plástica de bebidaUma pequena forma de tubo de ensaio (a pré-forma) é moldada por injeção, depois reaquecida e soprada até virar a garrafa2.1, 2.3
Capa de celularPlástico moldado por injeção; capas com casca dura e borda macia são sobremoldadas2.1, 2.2
Mangueira de jardimPVC macio ou borracha empurrado por uma matriz em forma de anel, muitas vezes em camadas em volta de uma malha tecida3.3
Painel de carroceria de carroEstampado de chapa de aço ou alumínio, soldado por pontos na carroceria e depois pintado4.2, 7.2, 11.1
Lata de bebidaUm disco de chapa de alumínio é estampado em um copo, sua parede é esticada até ficar fina e alta e depois é impresso6.1, 4.2
Pia de cozinhaEstampada em profundidade de uma só chapa de aço inoxidável, depois aparada e escovada ou polida4.2, 5.9
Esquadria de alumínioPerfis de alumínio são extrudados, cortados e unidos nos cantos, depois anodizados ou pintados a pó3.3, 11.6, 11.2
Quadro de bicicleta (alumínio ou aço)Tubos trefilados ou extrudados, muitas vezes conformados por hidroconformação e depois soldados com TIG; os quadros de alumínio depois passam por tratamento térmico3.3, 4.5, 7.1, 12.1
ParafusoO fio de aço passa por recalque a frio para formar a cabeça, depois a rosca é laminada; muitas vezes temperado e zincado3.5, 3.6, 12.1, 11.5
VirabrequimAço forjado (às vezes ferro fundido), depois torneado, retificado e com a superfície endurecida3.1, 5.1, 5.7, 12.2
EngrenagemDentes cortados por fresa-mãe (hobbing), depois cementados e retificados; engrenagens pequenas também são sinterizadas ou moldadas5.5, 12.2, 5.7, 9.1, 2.1
Bloco de motorFerro ou alumínio fundido em moldes de areia, ou alumínio fundido sob pressão, depois usinado e brunido1.1, 1.4, 5.2, 5.8
Pá de turbina de motor a jatoFundida por cera perdida como um monocristal de superliga de níquel, furos de resfriamento feitos por EDM ou laser, depois revestida1.2, 1.8, 6.6, 11.10
Implante de quadril de titânioLiga de titânio forjada e usinada; superfícies porosas são muitas vezes impressas em 3D ou aspergidas com plasma3.1, 5.2, 8.4, 11.10
Roda de bicicleta de carbonoPrepreg de carbono (tecido de fibra embebido em resina) laminado em um molde de aro, depois curado sob calor e pressão10.1
Placa de circuito impresso (PCB)Folha de cobre sobre uma placa de fibra de vidro é padronizada com luz e atacada quimicamente; os furos são feitos e metalizados; as peças são soldadas13.2, 6.8, 5.3, 11.5, 7.3
Chip de silícioUm cristal de silício é crescido e fatiado em lâminas, depois construído por centenas de etapas de padronização, deposição e ataque químico13.1, 13.2, 13.4, 11.9

Custo versus quantidade

Todo processo tem dois tipos de custo. O custo de ferramental é pago uma vez, antes da primeira peça boa: o molde, a matriz ou o dispositivo feito só para a sua peça. O custo de operação é pago de novo a cada peça: material, tempo de máquina, energia e mão de obra.

Custo por peça = custo de ferramental ÷ número de peças + custo de operação por peça

Quanto mais peças dividem o ferramental, menos cada uma carrega: em 10 peças, cada uma paga um décimo; em 100.000 peças, quase nada. Então um processo com ferramental caro, como a moldagem por injeção, é muito caro para poucas peças e muito barato para muitas. Um processo com pouco ferramental, como a usinagem ou a impressão 3D, custa aproximadamente o mesmo por peça, qualquer que seja a quantidade.

Acima da quantidade de equilíbrio, o molde ou a matriz caro venceEsquema, fora de escala: o ferramental é pago uma vez, depois dividido por todas as peças feitascusto por peçanúmero de peçasMolde ou matriz carofundição sob pressão, moldagem por injeção, estampagemPouco ou nenhum ferramentalusinagem, impressão 3Dquantidade de equilíbrio (break-even)← menos peças: pouco ferramental sai mais baratomais peças: o molde ou a matriz sai mais barato →
Custo por peça versus número de peças · esquema, fora de escalaOnde as duas linhas se cruzam fica a quantidade de equilíbrio (break-even): abaixo dela, o processo de pouco ferramental é mais barato; acima dela, o molde ou a matriz vence. O ponto de cruzamento é diferente para cada peça, então engenheiros comparam orçamentos em várias quantidades antes de decidir.

Regras práticas

  • Conte primeiro. Para um punhado de peças, escolha um processo sem ferramental sob medida, como usinagem ou impressão 3D; para dezenas de milhares, pague por um molde ou matriz.
  • Chegue perto, depois acabe. Funda, forje ou molde a peça perto da forma final (near-net shape) e usine só as superfícies que precisam ser precisas.
  • Peça precisão só onde importa. Cada tolerância mais justa acrescenta usinagem, inspeção e custo, então reserve-a para superfícies que encaixam, vedam ou deslizam.
  • Mantenha as paredes uniformes. Na moldagem e na fundição, as partes grossas esfriam por último e podem afundar, empenar ou prender vazios; nervuras dão rigidez sem paredes grossas.
  • Use ângulo de saída, evite reentrâncias. Uma leve conicidade e nenhum detalhe em gancho deixam a peça sair reta do molde, então o molde continua simples e barato.
  • Precisa de resistência sob cargas repetidas? Considere a forjaria. A forjaria faz o grão do metal acompanhar a forma da peça, então ela resiste melhor à fadiga que uma peça fundida.
  • Formas ocas e longas têm seus próprios processos. Garrafas e tanques: moldagem por sopro ou rotomoldagem (2.3, 2.5). Perfis longos e constantes: extrusão (3.3) ou pultrusão (10.3).
  • Planeje a cadeia inteira. A maioria das peças é conformada, depois usinada, tratada termicamente e acabada, e cada etapa acrescenta custo e tempo.

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