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1- PRENSAGEM: A prensagem é a operação de conformação baseada na

compactação de um pó granulado (massa) contido no interior de uma matriz

rígida ou de um molde flexível, através da aplicação de pressão. A operação

compreende três etapas ou fases: (1) preenchimento da cavidade do molde, (2)

compactação da massa e (3) extração da peça. Este é o procedimento de

conformação mais utilizado pela indústria cerâmica devido à sua elevada

produtividade, facilidade de automação e capacidade de produzir peças de

tamanhos e formas variadas, sem contração de secagem e com baixa

tolerância dimensional. Distinguem-se duas grandes modalidades de

prensagem: a prensagem uniaxial e a prensagem isostática.

1.1- Prensagem Uniaxial: O processo de conformação de materiais

cerâmicos por prensagem uniaxial é um dos mais simples e mais utilizados. A

principal razão para a sua grande aplicação reside na sua habilidade de

conformar rapidamente com boa tolerância dimensional, utilizando

equipamentos altamente mecanizados e automáticos.

O pó cerâmico, com pequeno teor de umidade, e podendo conter um

ligante e/ou outros aditivos, é colocado no interior de um molde metálico no

qual é aplicada uma determinada pressão através de um punção, para a

conformação da peça a verde. Uma das etapas mais críticas da prensagem é o

preenchimento uniforme do molde. Para isso é necessário um pó com boa

fluidez. A fricção entre as partículas afeta a capacidade de fluir de um pó.

Quanto mais finas as partículas do pó, maior o número de contatos por unidade

de volume, e pior a capacidade de fluir do mesmo. Para solucionar este

problema, as partículas finas que constituem o pó são granuladas. Esses

granulos apresentam fluidez necessária para o enchimento uniforme do molde,

e são facilmente destruídos durante a compactação. O método apresenta outra

limitação: as forças de atrito entre o pó e as paredes do molde. Como

consequência do atrito, ocorrem normalmente gradientes de pressões, que

conduzem a gradientes de densidade a verde na peça conformada. A figura 1

mostra esquematicamente como funciona uma prensagem uniaxial:

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Figura 1- Representação esquemática da prensagem uniaxial:

Fonte: [1]

1.2- Prensagem Isotática: A prensagem isostática é um processo de

conformação de materiais no qual o pó, de características semelhantes ao

usado na prensagem uniaxial, é colocado em um molde flexível que, por sua

vez, é inserido em um vaso contendo líquido que é submetido a uma

determinada pressão, após o fechamento do vaso. A pressão aplicada é

transmitida ao molde flexível pelo líquido, de acordo com a lei de Pascal, a

pressão aplicada em um fluído confinado é transmitida igualmente pelo fluído

pressurizado, em todas as direções, e atua sobre todas as partes internas do

vaso, por um ângulo reto, sendo o pó prensado uniformemente em todas as

direções, conservando a forma do molde. Este processo permite a

conformação de peças simples e simétricas, ou com detalhes complexos e uma

alta razão comprimento - diâmetro. A grande vantagem deste processo sobre o

de prensagem uniaxial é a redução significativa do atrito entre o pó e as

paredes do molde. Assim, as peças obtidas apresentam uma maior

uniformidade de densidade, ou seja, mínimos gradientes de densidade,

contribuindo para uma densificação homogênea na sinterização. Com isso, a

presença de tensões internas é minimizada, promovendo a diminuição da

presença de defeitos no interior das peças. A figura 2 mostra

representativamente a prensagem isotática:

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Figura 2: Prensagem Isotática

Fonte: [1]

2- EXTRUSÃO: A extrusão é usada para o processamento de produtos

cerâmicos há mais de 150 anos, tendo a tecnologia sofrido pequenas

alterações a partir da década de 50 do século passado. No entanto este

processo de conformação industrial tem se revelado essencial nas indústrias

cerâmicas de barro vermelho (telhas e tijolos). É uma técnica de produção

associada a uma elevada produtividade, principalmente para produtos de

seção transversal constante (tijolo) e muito importante em termos de

homogeneização e retirada do ar da massa. A plasticidade das massas

interfere na qualidade final dos produtos extrudados. Para isso deve-se,

sempre que possível extrudar as massas na zona de máxima plasticidade

evitando situações desvantajosas em termos de extrusão. Nas massas com

elevados teores de umidade, perto do limite líquido (Ll), facilmente ocorre o

deslizamento entre partículas, pelo que a massa argilosa tenderá a agarrar-se

às hélices da extrusora e fluir pelo centro da fieira com maior velocidade. Algo

semelhante ocorrerá se diminuirmos o teor de umidade e trabalharmos abaixo

da zona de máxima plasticidade. O atrito nas paredes da extrusora aumenta e

a massa argilosa tenderá também a fluir com maior velocidade no centro,

enquanto que as forças de compressão desenvolvidas no interior da extrusora

e o desgaste dos diversos componentes metálicos aumentam. Quanto menos

plástica for a massa argilosa, maior sensibilidade terá a possíveis variações de

umidade. Uma variação de 1, 2 ou 3% de umidade numa massa plástica

poderá não se notar em termos de extrusão, mas numa massa magra

provocará uma alteração total da plasticidade a das condições de fluxo através

da boquilha, devido à menor força de coesão entre as partículas .De um modo

geral, pode-se afirmar que argilas gordas com elevada plasticidade, deslizam

melhor sobre a superfície da hélice, traduzindo-se numa maior pressão e,

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consequentemente, numa melhor homogeneização e submeti compactação da

massa argilosa na zona de saída (boquilha). Por outro lado, argilas magras, de

baixa plasticidade, grão áspero e elevado atrito, devem ser utilizadas no fabrico

de peças com grande seção de saída, o que pressupõe menor travamento no

molde e menor pressão de extrusão. A figura 3, mostra esquematicamente uma

extrusora cerâmica:

Figura 3- Representação esquemática de uma extrusora cerâmica

Fonte: [3]

3- COLAGEM DE BARBOTINA: A colagem de barbotina é um processo

muito antigo e largamente empregado na produção de peças cerâmicas devido

à sua relativa simplicidade e baixo custo de investimento. É normalmente

descrito como a consolidação de partículas cerâmicas de uma suspensão

coloidal, através da remoção da parte líquida, por um molde absorvente. Em

outras palavras, na suspensão (barbotina) a parte líquida, geralmente água, é

retirada por meio de um molde poroso, normalmente gesso. Quando a água é

absorvida pelo molde, ocorre a aproximação das partículas de pó, em

suspensão na água, na superfície do molde. Após a formação da parede com a

espessura desejada, o eventual excedente de barbotina pode ser drenado,

deixando-se o que resta de água na parede formada ser absorvido pelo molde,

quando então temos a peça a verde. Entre as vantagens deste método temos a

obtenção de formas relativamente complexas, com paredes finas e uniformes,

economia em pequenas produções e moldes mais baratos. Apesar da técnica

de colagem de barbotina ser antiga, é necessário o desenvolvimento de uma

formulação (pó cerâmico + aditivos de moldagem) adequada, de acordo com

as características de cada pó cerâmico. Se a barbotina não estiver bem

dispersa, as propriedades das peças podem ficar aquém do desejado, gerando

peças defeituosas, com paredes irregulares. Estas peças defeituosas terão

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suas propriedades mecânicas ou estruturais prejudicadas, após a sinterização,

por defeitos ocorridos no processo de conformação.

O processo de colagem de barbotina se assemelha à filtração. Em

ambos os casos existem diferenciais de pressão que provocam a difusão da

água através dos sólidos. O diferencial de pressão na colagem se deve às

ações capilares que transportam a água através do gesso. A taxa de

crescimento da espessura da camada depositada na parede do molde de

gesso diminui com o inverso da espessura da parede formada, de acordo com

a equação 1:

Equação 1

Após integração,

Equação 2

onde t é o tempo necessário para a formação de uma camada depositada de

espessura L1 e ΔP é a queda de pressão através da parede. A constante C

inclui a viscosidade do líquido, a quantidade de líquido na suspensão, o fator

de empacotamento das partículas e o coeficiente de permeabilidade. Estas

equações supõem um depósito não-compressível e, como isso não é

completamente verdadeiro, a espessura do depósito irá aumentar mais

lentamente do que o previsto. A velocidade de deposição varia com a

quantidade de água na suspensão: quanto mais água, mais vagaroso o

processo, pois a água deve ser filtrada através do depósito formado. Altos

valores de viscosidade são marcados por altas velocidades de deposição.

Velocidades de deposição mais lentas produzem melhor empacotamento das

partículas e melhor densidade a verde. Deste modo, uma barbotina deve ter

baixa viscosidade para que ocorra uma melhor formação de camada e para

evitar o aparecimento de bolhas de ar. Portanto, uma boa dispersão é

necessária também para assegurar a máxima fluidez com um mínimo de água.

Através da colagem de barbotina, se pode conseguir corpos a verde com

alta densidade, devido às grandes forças capilares envolvidas que atuam de

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modo a formar uma parede compacta de partículas sobrepostas,

principalmente em se tratando de um pó formado por partículas pequenas. A

figura 4, mostra as etapas da colagem de barbotina:

Figura 4: Etapas da colagem de barbotina

Fonte: [4]

4- INJEÇÃO: Os processos de moldagem de pós cerâmicos por injeção

envolvem a mistura de pós inorgânicos com ligantes orgânicos e agentes de

superfície. O grau e a forma de interação físico-química entre os componentes

da mistura influenciam o comportamento reológico da massa, e

consequentemente o empacotamento das partículas, formação de

aglomerados, processabilidade, extração dos ligantes, precisão dimensional e

também a origem dos defeitos nas peças finais sinterizadas. A metodologia de

mistura para formar uma massa homogênea para injeção, bem como a

natureza dos ligantes e agentes de superfície, varia dependendo do pó de

partida e do processo de moldagem a serem empregados. Na moldagem por

injeção em baixa pressão (MIBP), quando comparada com a moldagem em alta

pressão, a temperatura e a pressão de injeção são consideravelmente menores

(até ~150 °C e ~0,6 MPa), os ligantes são usualmente ceras naturais e

sintéticas, os moldes podem ser fabricados com materiais

alternativos, e.g. latão, resinas poliméricas e recobertos com filme antiaderente

e a mistura dos componentes é produzida na própria injetora. Estes fatores

tornam o processo economicamente atrativo para a fabricação de componentes

de geometria complexa. O tempo de mistura para o feedstock preparado para

MBIP geralmente compreende várias horas. As injetoras de baixa pressão

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possuem o inconveniente de ter uma única câmara compartilhada para mistura

e armazenagem do feedstock de injeção, o que impossibilita a moldagem de

componentes simultaneamente a realização de misturas. A câmara de mistura

das injetoras de baixa pressão é composta basicamente por um reservatório

aquecido com misturador integrado e conectada a uma bomba de vácuo. Essa

construção integrada das injetoras de baixa pressão abre à oportunidade de se

avaliar o emprego de outros tipos de misturador externo a injetora para

preparar uma mistura à parte e acelerar o processo de fabricação.

Figura 5- Representação esquemática de uma injetora de baixa pressão.

Fonte: [5]

5- COLAGEM POR FITA: O processo de colagem de fita é uma técnica de

conformação de baixo custo que permite obter corpos planos de área elevada e

espessuras variando entre 10 µm e pouco mais que 1 mm. Muito utilizada para

produção de substratos eletrônicos e dispositivos multicamadas, essa técnica

pode ser utilizada na conformação de sensores de oxigênio e, também, de

eletrólitos e anodos de pilhas a combustível de óxido sólido (PaCOS). A figura

6 é uma representação do processo de colagem de fitas e ilustra os princípios

básicos envolvidos:

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Figura 6- Processo de colagem de fitas cerâmicas

Fonte: [6]

A formação da fita tem início com o preenchimento do reservatório por

uma suspensão de viscosidade moderada (~2000 mPa.s). No fundo do

reservatório, existe uma abertura limitada pela altura da lâmina niveladora

(doctor blade), que pode ser ajustada com o auxílio de um micrômetro. Sob o

reservatório, uma superfície coletora (esteira) move-se com velocidade

constante, previamente estabelecida. A altura da lâmina niveladora, a

velocidade com que a superfície coletora passa sob o reservatório e a

viscosidade da suspensão são parâmetros decisivos na determinação da

espessura de fitas cerâmicas. Outras variáveis importantes no processo são

profundidade do reservatório e forma da base da lâmina niveladora. Para

acelerar a secagem, pode ser empregada uma câmara de secagem em que a

fita recém conformada é exposta a fluxo de ar com temperatura controlada.

Dentro dessa câmara há também a possibilidade de aquecer-se toda a base,

acelerando ainda mais a secagem.

Suspensões para colagem de fita são basicamente

constituídas de pó cerâmico, solvente, dispersante, ligante e plastificante. Anti-

espumantes e agentes de molhamento são também utilizados, principalmente,

em suspensões aquosas. O processo de obtenção de suspensões para

colagem de fita é composto por três etapas fundamentais: formulação, preparo

e caracterização reológica.

A etapa de formulação começa com a escolha dos componentes a

serem utilizados e termina com a determinação da concentração de cada

componente na suspensão. Essas concentrações devem ser fixadas visando

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características específicas das suspensões e dos corpos conformados,

conhecendo de que maneira os componentes da suspensão se relacionam.

A etapa com maior influência sobre as características da fita verde é a

de preparo das suspensões. Nesta etapa, os componentes da suspensão

devem ser distribuídos homogeneamente e, para isso, o preparo de

suspensões, mais comumente utilizado, ocorre em duas fases principais. Na

primeira, o pó cerâmico é disperso por meios mecânicos numa solução de

solvente e dispersante. Na segunda etapa são adicionados o ligante e o

plastificante. Em colagem de fita, é muito marcante a relação entre

processamento e microestrutura do produto final, por isso, é fundamental que

os componentes estejam homogeneamente distribuídos e as partículas

cerâmicas bem dispersas, possibilitando, dessa forma, a obtenção de peças

com elevada densidade a verde.

Para maior controle de todo o processo de colagem e reprodutibilidade

de resultados, as suspensões devem ser submetidas à caracterização de seu

comportamento reológico. Apesar da elevada carga de sólidos necessária, as

suspensões devem apresentar viscosidade suficiente para que possam fluir

durante o processo de colagem. É desejável o comportamento pseudoplástico

em que a viscosidade diminui quando submetida à tensão de cisalhamento que

ocorre quando a suspensão passa sob a lâmina niveladora. Após a colagem, a

fita não é mais exposta à força de cisalhamento e a viscosidade aumenta

novamente, preservando a uniformidade da fita.

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REFERENCIAS

[1] CAMARGO, A. C. Comparação das características de corpos de

alumina, a verde e após sinterização, obtidos pelos processos de

prensagem uniaxial, prensagem isostática e prensagem uniaxial e

isostática. 1993. 206 f. Dissertação de mestrado.

[2] RIBEIRO, M. et al. Aspectos fundamentais sobre a extrusão de massas de

cerâmicas vermelhas. Cerâmica Industrial. V8, n 1, p. 37- 42. 2003.

[3] REED, J.S., MARTIN, T.J., CARLSON, W.G. Mechanics of Extrusion.

Ohio: The American Ceramic Society, 1960.

[4] ASKELAND, D. R., PHULÉ, P.P. Ciência e Engenharia dos Materiais.

Nova Iorque: Thomson Brookc/ Cole, 2003.

[5] OURIQUE, P. A. et al. Efeito do processamento em misturas de

alumina/ligantes orgânicos usadas na moldagem por injeção em baixa pressão.

Cerâmica. V59, n 359, p. 25- 33. 2013.

[6] DIAS, T. Placas cerâmicas obtidas por colagem de fita. Matéria (Rio de

Janeiro). V13, n 3, p. 42- 45. Rio de Janeiro, 2008.

11

Cerâmica vol.59 no.349 São Paulo Jan./Mar. 2013

http://dx.doi.org/10.1590/S0366-69132013000100009

Efeito do processamento em misturas de alumina/ligantes orgânicos usadas na moldagem por injeção em baixa pressão

Effect of processing variables in alumina/organic binders mixtures used in low-pressure injection molding

P . A. Ourique; A. Susin Neto; S. G. Echeverrigaray; R. C. D. Cruz; J. E. Zorzi

Instituto de Materiais Cerâmicos, Universidade de Caxias do Sul, 95765-000, Bom

Princípio, RS, Brasil

rcdcruz@ucs.br

Matéria (Rio de Janeiro) On-line version ISSN 1517-7076

Matéria (Rio J.) vol.13 no.3 Rio de Janeiro Sept. 2008

12 http://dx.doi.org/10.1590/S1517-70762008000300005

Placas cerâmicas obtidas por colagem de fita

Ceramic sheets obtained by tape casting

Thiago Dias; Dulcina P. F. de Souza

Laboratório de Preparação e Caracterização Elétrica de Cerâmicas – LaPCEC –

DeMA/UFSCar Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais -

PPG-CEM / UFSCar CP: 676. Rod. Washington Luis, Km 235 – São Carlos – SP. e-mail: thiagodias@iris.ufscar.br, dulcina@power.ufscar.br