Fabrico aditivo viabiliza moldes HPDC de grande formato com refrigeração conformal

O Fraunhofer ILT e a MacLean-Fogg desenvolveram e validaram um processo escalável de fabrico aditivo para moldes de fundição injetada de grande formato, respondendo a um dos desafios mais exigentes da atual transformação da indústria automóvel. O projeto contou com a participação da Toyota como utilizador final e culminou na produção de um inserto complexo para a carcaça de transmissão do Yaris Hybrid.

A iniciativa demonstra, pela primeira vez, a viabilidade técnica e económica da produção de moldes HPDC (High Pressure Die Casting) de grande volume com refrigeração conformal próxima do contorno da peça, recorrendo à tecnologia Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB/M) e a um novo aço-ferramenta desenvolvido especificamente para este fim.

O setor automóvel atravessa uma reconfiguração profunda. A eletrificação, a redução de custos e a consolidação de componentes estruturais estão a levar os fabricantes a reduzir o número de peças prensadas e a apostar em componentes de alumínio de maiores dimensões e maior complexidade geométrica.

Esta estratégia — associada às tendências de ‘mega’ e ‘giga casting’ — transfere exigências acrescidas para os moldes de fundição: maior resistência térmica, capacidade de adaptação a variantes e tempos de desenvolvimento mais curtos.

Os moldes não têm apenas de crescer em dimensão; têm de suportar cargas mecânicas e térmicas extremas, garantindo simultaneamente estabilidade dimensional e elevada repetibilidade em ciclos produtivos intensivos.

Até agora, dois fatores limitavam a produção aditiva de moldes HPDC de grande formato. Por um lado, o volume útil das máquinas PBF-LB convencionais era insuficiente para fabricar insertos com dimensões superiores a 600 × 600 mm² numa única peça. Por outro, os aços-ferramenta tradicionalmente utilizados — como H11, H13 ou M300 — apresentavam risco elevado de fissuração, distorção térmica e propriedades mecânicas inconsistentes quando processados acima dos 20.000 cm³.

Os gradientes térmicos gerados durante a fusão seletiva por laser e no tratamento térmico subsequente intensificavam tensões internas, particularmente problemáticas em geometrias maciças.

“Para ultrapassar estas limitações, precisamos de uma nova geração de máquinas e materiais especificamente adaptados aos requisitos dos moldes HPDC de grande formato”, explica Niklas Prätzsch, responsável pelo grupo de Tecnologia de Processo LPBF no Fraunhofer ILT.

A resposta passou pelo desenvolvimento de uma máquina PBF-LB/M de arquitetura 'gantry' com cinco lasers e um volume atual de construção de 1.000 × 800 × 350 mm³. O sistema integra cabeça de processamento móvel e controlo local do fluxo de gás de proteção, permitindo escalar o volume ao longo dos eixos da máquina mantendo condições de processo constantes.

Adicionalmente, foi desenvolvido um módulo de substrato aquecido capaz de atingir 200 °C. Ao evitar que cada camada solidificada arrefeça até à temperatura ambiente, reduz-se significativamente o gradiente térmico e, consequentemente, as tensões internas e o risco de fissuração.

Em paralelo, a MacLean-Fogg desenvolveu o aço L-40, otimizado para processamento por PBF-LB/M. Este material apresenta menor suscetibilidade à formação de fissuras, tanto durante a construção como no tratamento térmico. Em estado ‘as-built’, alcança cerca de 48 HRC de dureza, resistência à tração de 1.420 MPa e resistência ao impacto entalhado superior a 60 J, mantendo elevada precisão dimensional.

Ensaios realizados em geometrias complexas — incluindo canais circulares e sobrepostos — validaram a robustez do conceito e a transferência de parâmetros para a nova arquitetura de máquina.

O principal avanço reside na possibilidade de integrar canais de refrigeração conformais livremente configuráveis. Ao adaptar os circuitos às zonas termicamente mais solicitadas do molde, é possível reduzir picos de temperatura, minimizar desgaste termo-mecânico e prolongar significativamente a vida útil.

Resultados preliminares obtidos com moldes de menor dimensão já utilizados em produção pela Toyota indicam aumentos substanciais de durabilidade face a moldes convencionais em H13 — em projetos anteriores, até quatro vezes superiores.

No projeto atual, foi produzido um inserto híbrido de grande volume (mais de 20.000 cm³) para uma carcaça de caixa de velocidades. A estratégia combinou um pré-formado convencional com canais verticais e estruturas aditivas nas zonas críticas, onde a maquinação tradicional não permite gerar geometrias internas complexas.

Esta abordagem híbrida reduz o tempo de fabrico e o custo global, utilizando o processo aditivo apenas nas áreas onde cria valor acrescentado. Após a construção, o inserto foi submetido a recozimento de alívio de tensões e as superfícies funcionais foram maquinadas de forma convencional, exigindo apenas acabamento final de precisão.

Além do aumento de durabilidade, o fabrico aditivo oferece reduções significativas de lead time. Em vez de produzir múltiplos componentes do molde e proceder à sua montagem, a estrutura pode ser fabricada de forma consolidada.

Para os OEM, isto traduz-se em ciclos de desenvolvimento mais curtos e aceleração do time-to-market de novas plataformas. A possibilidade de integrar interfaces definidas e otimizar zonas específicas sem reconstruir todo o molde aumenta ainda a flexibilidade para variantes de produto.

Harald Lemke, diretor de Product Management da MacLean-Fogg Component Solutions, sublinha: “Com o L-40, quisemos ultrapassar os limites do fabrico aditivo em ferramentas de conformação a quente e a frio, em particular moldes de fundição. Este projeto demonstra que é possível produzir insertos grandes, complexos e altamente duráveis em escala industrial. Para os OEM, isto significa prazos mais curtos, maior vida útil e flexibilidade no design de moldes.”

Embora o caso de aplicação se centre na fundição injetada de alumínio para o setor automóvel, o potencial estende-se a outras áreas. Ferramentas para processamento de plásticos, moldes de injeção ou aplicações em materiais compósitos poderão beneficiar da combinação entre sistema LPBF de grande formato, material otimizado e produção híbrida.

Num contexto industrial em que eficiência térmica, redução de custos e rapidez de desenvolvimento são fatores críticos de competitividade, a integração do fabrico aditivo na produção de moldes de grande dimensão deixa de ser experimental para se afirmar como solução viável em ambiente industrial real — inclusive no exigente domínio do ‘giga casting’.