A consolidação de pós cerâmicos para produzir um corpo verde é comumente referida como conformação (RAHAMAN, 2005; FORTULAN, 2012 informação verbal1). Os
processos cerâmicos mais usados são a colagem de barbotina, a prensagem, a injeção e extrusão em molde (SATO, BESSHI e MATSUI, 1998; BOCH e NIÈPCE, 2007; FORTULAN, 2012 informação verbal1). Boch e Nièpce (2007) também afirmam que métodos
de deposição, por exemplo, a deposição à vapor e a pulverização à plasma, podem ser considerados como processos cerâmicos de consolidação.
De acordo com Rahaman (2005) e Bukvic et al. (2012) grandes avanços feitos na área se devem a atenção dada a microestrutura do corpo verde antes da fase de sinterização. A presença de gradientes de densidade na peça verde promove heterogeneidade de empacotamento. Em condições convencionais de sinterização, o corpo apresentará uma microestrutura heterogênea e sofrerá distorções, limitando as propriedades de engenharia e, portanto, sua confiabilidade e aplicabilidade.
As características físicas e químicas dos pós devem obrigatoriamente ser adaptadas para cada processo de conformação, principalmente no que diz respeito ao seu fluxo durante a moldagem e o arranjo das partículas no corpo verde (BOCH e NIÈPCE, 2007).
1 Informação fornecida por Fortulan em reunião técnica no Laboratório de Tribologia e Compósitos (LTC) da
A escolha do processo de moldagem depende de vários parâmetros relacionados com a peça, tais como o tamanho e forma, a qualidade da superfície, as tolerâncias dimensionais e características microestruturais, mas também de razões econômicas, como a produtividade e o custo do equipamento (LANGE, 2001; YANG, YU e HUANG, 2011).
A maioria dos processos de manufatura cerâmica requer uma fase líquida (água, solventes orgânicos) e/ou aditivos orgânicos (dispersantes, ligantes, plastificantes, lubrificantes etc.), a fim de conferir ao pó cerâmico as desejadas propriedades reológicas e coesão durante a moldagem. Estes componentes devem necessariamente ser eliminados antes da sinterização durante uma fase crítica de secagem ou remoção do ligante (debinding), preservando a integridade e homogeneidade da peça.
Figura 2.20 – Fluxograma geral da manufatura de uma peça cerâmica (Adaptado de BOCH e NIÈPCE, 2007).
Independentemente do processo, a produção de uma peça cerâmica implica uma sequência de operações que modificam as características químicas e físicas do sistema (BOCH e NIÈPCE, 2007).
Aprimorar as propriedades do objeto final e a sua reprodutibilidade (confiabilidade) exige, portanto, a identificação de tais características em cada fase do processo. Neste contexto, a ciência dos processos cerâmicos procura compreender os mecanismos que governam a conformação e, naturalmente, integra a pesquisa da ciência dos materiais com a engenharia de processos (BOCH e NIÈPCE, 2007).
Pó cerâmico
Adaptação do sistema ao processo de moldagem (moagem, mistura, dispersão, granulação etc.)
Moldagem
Secagem, eliminação dos aditivos orgânicos
Sinterização
2.1.2.3.1 Conformação Coloidal
Os métodos mais comuns de conformação coloidal são a colagem de barbotina (drain casting, slip casting, solid casting, vacum casting, pressure casting, centrifugal casting, fugitive-mold casting, gel casting e electrephretic deposition) e o tape casting (doctor blade e waterfall) (RICHERSON, 1992; FORTULAN, 1999; BOCH e NIÈPCE, 2007; FORTULAN, 2010 informação verbal1). Na colagem de barbotina a consolidação das partículas é realizada com o fluxo do solvente através de um meio poroso (molde de gesso) sob gradiente de pressão com posterior evaporação do solvente, geralmente em temperatura ambiente (RICHERSON, 1992; FORTULAN, 1999; BOCH e NIÈPCE, 2007; FORTULAN, 2010 informação verbal1).
Embora a colagem em molde de gesso seja de fácil fabricação, a técnica possui algumas desvantagens, dentre elas, destacam-se a considerável variação dimensional (molde e peça), baixa qualidade do acabamento da peça colada (elevada rugosidade do molde), elevada distorção dimensional (evaporação heterogênea do solvente), gradiente de densidade na peça (partículas maiores são arrastadas primeiro em direção à parede do molde) e difícil controle de espessura (FORTULAN, 1997; FORTULAN, 2010 informação verbal1).
A colagem de barbotina oferece um caminho para a execução de geometrias complexas sendo amplamente empregado na indústria cerâmica tradicional como, por exemplo, na manufatura de louça sanitária (COLOMBO, 1993; MOORE, 1993; HAUSWURZ, 1994; BOCH e NIÈPCE, 2007; FORTULAN, 2010 informação verbal1).
Uma importante característica que afeta a processabilidade de uma barbotina é a sua concentração de sólidos. O processamento coloidal necessita da máxima concentração de sólidos possível com fluidez adequada para que a barbotina possa escoar. Estas necessidades são conflitantes e, consequentemente, a química do coloide deve ser adaptada para se obter a máxima fluidez possível em uma dada concentração de sólidos. (RAMAKRISHNAN, PRADIP e MALGHAN, 1996; FORTULAN, 1999; BOCH e NIÈPCE, 2007; FORTULAN, 2010 informação verbal1).
A indústria cerâmica de componentes eletrônicos utiliza largamente o tape casting para produção de chapas finas, substratos e componentes multi-camadas (BOCH e NIÈPCE, 2007; FORTULAN, 2010 informação verbal1).
Entretanto, quando a técnica promove distorção dimensional e deterioração do acabamento, compromete o desempenho do componente. Nesses casos, faz-se uso da usinagem para correção de forma e rugosidade, que pode ser aplicada no compactado verde (usinagem a verde) e/ou no sinterizado. Para obtenção de superfícies planas em cerâmicas sinterizadas, a indústria nacional faz uso do moroso, trabalhoso e limitado processo abrasivo de lapidação (FORTULAN, 2010 informação verbal1; CERAUTO, 2012 informação verbal2).
2.1.2.3.2 Prensagem
A prensagem consiste na compressão do pó ou grânulos em uma matriz ou molde rígido, no caso da prensagem uniaxial, ou em um molde flexível para a prensagem isostática. A conformação por prensagem é sem dúvida a mais utilizada na indústria cerâmica, pois possibilita a fabricação de peças relativamente complexas com tolerâncias dimensionais estreitas e alta produtividade (BOCH e NIÈPCE, 2007; FORTULAN, 2010 informação verbal1), principalmente devido ao custo relativamente baixo da prensagem uniaxial (ZIPSE, 1997).
Além disso, o advento da prensagem favorece que algumas das fases posteriores, por exemplo, a secagem e a remoção de ligante, crucial em outros processos de formação como a injeção e a extrusão, sejam, pelo menos, simplificadas. Uma ampla gama de peças de cerâmica é produzida graças às técnicas de prensagem, dentre outros, azulejos, placas, materiais refratários, abrasivos, ferramentas de corte e eletrocerâmicas (FORTULAN, 1997; FORTULAN 1999; BOCH e NIÈPCE, 2007; FORTULAN, 2010 informação verbal1).
A prensagem uniaxial em uma matriz metálica, com um (simples ação) ou dois pistões (dupla ação), é usada para a produção de peças cuja espessura é maior que 0,5 mm e detalhes apenas na direção da prensagem e relação L/D ~1 (Figura 2.24).
A prensagem isostática, em contra partida, faz uso de um molde flexível, o qual permite a manufatura de geometrias complexas com detalhes nas três direções, bem como formas alongadas, por exemplo, tubos (FORTULAN, 1997; BOCH e NIÈPCE, 2007).
A prensagem requer um bom fluxo do pó e um preenchimento homogêneo da matriz ou do molde a fim de atingir densidades uniformes de um modo reprodutível (SEIDEL, CLAUSSEN e RÖDEL, 1996; SATO, BESSHI e MATSUI, 1998). Aglomerados esféricos com diâmetro superior a 50 µm exibem boa fluidez e atendem ao requisito.
1 Informação fornecida por Fortulan na disciplina Materiais de Engenharia (SEM 5908), em agosto de 2010. 2 Informação fornecida por Líbero e Stevan da Cerauto Indústria e Comércio LTDA em reunião técnica, em
Prensagem uniaxial
German (1987) sugere que durante a prensagem uniaxial de pós secos por pulverização ocorrem três estágios distintos, como ilustrado nas Figuras 2.21 e 2.22.
Figura 2.21 – Evolução da porosidade intergranular e intragranular durante a prensagem de pós secos por pulverização (Adaptado de RAHAMAN, 2005).
No início, ocorre o rearranjo dos grânulos, seguido pela deformação ou fragmentação dos grânulos e a eliminação da porosidade entre os grãos (macroporosidade intergranular). Por último, o rearranjo ou fragmentação das partículas elimina a microporosidade inicialmente presente dentro dos grânulos (microporosidade intragranular).
Figura 2.22 – Os três estágios da prensagem (Adaptado de REED, 1995).
Porosidade intragranular Porosidade intergranular Pressão Estágio I – Arranjo de