Fundições eletromecânicas de alumínio são componentes de alumínio de precisão - carcaças de motores, carcaças de conectores, caixas de terminais e gabinetes - produzidos forçando a liga de alumínio fundido em uma matriz de aço endurecido sob alta pressão, escolhida especificamente porque o alumínio fundido combina condutividade elétrica para blindagem EMI/RFI com alta condutividade térmica para dissipação de calor em uma única peça sem costura.
Se uma peça precisar alojar ou proteger um conjunto elétrico ou eletromecânico – um motor, um conector, um módulo de potência, um sensor – ao mesmo tempo que a protege de interferências e retira calor dela, o alumínio fundido é quase sempre a escolha padrão de engenharia em vez do plástico, chapa metálica ou tarugo usinado. A razão é estrutural: um único invólucro fundido conduz eletricidade (bloqueando EMI/RFI) e conduz calor (atuando como um dissipador de calor passivo) ao mesmo tempo, algo que um invólucro de plástico moldado só pode se aproximar com revestimentos ou enchimentos adicionados.
As seções abaixo abordam como essas peças são realmente produzidas, quais ligas são especificadas para cada tarefa e o que verificar na documentação de qualidade do fornecedor antes de se comprometer com o ferramental.
Nem toda fundição de alumínio é eletromecânica – o termo descreve especificamente peças fundidas projetadas para ficarem na fronteira entre uma estrutura mecânica e um sistema elétrico ou eletrônico. Essa distinção é importante porque altera quais propriedades são realmente especificadas no desenho.
Um suporte puramente estrutural é classificado principalmente quanto à resistência e precisão dimensional. Uma fundição eletromecânica é classificada com base nisso, além de duas propriedades adicionais que vêm do próprio alumínio:
As peças típicas nesta categoria incluem blindagens finais do motor e peças fundidas da estrutura, caixas de terminais, gabinetes de inversores e VFD, gabinetes de conectores com flanges de montagem integrados, gabinetes de driver de LED e gabinetes de PDU (unidade de distribuição de energia). O que eles compartilham é uma descrição de trabalho: manter uma forma, afastar o calor dela e protegê-la eletricamente – tudo a partir de uma peça fundida.
A fundição sob pressão de alta pressão (HPDC) é o que torna as fundições eletromecânicas econômicas em volume: uma matriz de aço endurecido é reutilizada por dezenas de milhares de ciclos, e cada injeção produz uma peça com formato quase final que precisa apenas de usinagem direcionada posteriormente. O processo passa por cinco etapas distintas.
O lingote de liga de alumínio é aquecido além do seu ponto de fusão em um forno de retenção e mantido a uma temperatura controlada.
Um pistão força o metal fundido para dentro da cavidade fechada da matriz de aço em alta pressão e velocidade, preenchendo paredes finas antes que o metal possa congelar no meio do fluxo.
A liga esfria e solidifica dentro da matriz em segundos, com a própria matriz atuando como dissipador de calor que define a estrutura final do grão da peça.
A matriz se abre e a peça fundida solidificada é empurrada para fora pelos pinos ejetores, pronta para o corte do canal de entrada e qualquer rebarba da linha de partição.
A usinagem CNC traz superfícies críticas — faces de flanges, inserções roscadas, furos de rolamentos, aberturas de conectores — à tolerância de desenho; segue-se anodização ou revestimento em pó.
Como a matriz é de aço projetado com precisão, a precisão dimensional e a repetibilidade são dois dos argumentos mais fortes para a fundição sob pressão em vez da fundição em areia: a mesma cavidade produz a mesma peça, tiro após tiro, que é exatamente o que um componente destinado à montagem automatizada em uma linha de produção precisa. A fundição sob pressão assistida a vácuo é cada vez mais especificada para peças eletromecânicas, especificamente porque evacua o ar da cavidade da matriz antes da injeção, reduzindo a porosidade do gás que, de outra forma, criaria pontos fracos ou caminhos de vazamento em um invólucro que precisa manter uma classificação IP.
A seleção da liga é a decisão única com maior impacto posterior no custo, na moldabilidade e no desempenho da peça depois de instalada. Quatro ligas são responsáveis pela grande maioria dos trabalhos de fundição eletromecânica e cada uma é escolhida por um motivo diferente.
| Liga | Propriedade mais forte | Uso eletromecânico típico |
| A380 | Melhor equilíbrio geral entre fundibilidade, resistência e custo | Carcaças de uso geral, caixas de caixas de câmbio, chassis para equipamentos eletrônicos |
| ADC12 | Excelente condutividade térmica, forte fluidez | Gabinetes de telecomunicações/5G, gabinetes de PDU, gabinetes de módulos de RF |
| A360 | Excelente estanqueidade à pressão, resistência à corrosão | Carcaças de conectores, carcaças de controladores automotivos, gabinetes selados |
| A356/A357 | Tratável termicamente para maior resistência ao peso | Suportes estruturais de motor, suportes automotivos e aeroespaciais de alta carga |
A força e a condutividade muitas vezes puxam em direções opostas. O A356 pode atingir um limite de escoamento acima de 175 MPa, mas conduz apenas cerca de 40% IACS , enquanto uma liga de alta condutividade pode exceder 48% IACS com limite de escoamento inferior a 50 MPa . Para uma peça como a carcaça do rotor do motor ou a carcaça do inversor que realmente precisa de ambas as propriedades ao mesmo tempo, é exatamente por isso que ligas especializadas de fundição sob pressão de alta condutividade térmica foram desenvolvidas, em vez de simplesmente usar o A380 como padrão para cada aplicação.
Como regra inicial: A380 é o padrão correto, a menos que um requisito específico puxe a peça em direção a um dos outros - aplicações pesadas de RF/EMI em direção a ADC12, caixas seladas herméticas em direção a A360 ou peças estruturais de suporte de carga em direção a A356 com tratamento térmico pós-fundição.
Esta é a combinação de propriedades que justifica a escolha do alumínio fundido em vez do plástico moldado por injeção para qualquer coisa que aloje um motor, PCB, módulo sem fio ou fonte de alimentação - e vale a pena entender por que o plástico tem dificuldade para combiná-lo, mesmo com engenharia adicional.
O plástico é fundamentalmente um isolante elétrico. Para fornecer qualquer blindagem EMI a uma caixa de plástico, os fabricantes precisam adicionar enchimentos condutores, revestimentos metálicos ou revestimentos condutores – e como esses enchimentos raramente são distribuídos de maneira perfeitamente uniforme durante o processo de moldagem, a distribuição desigual pode deixar pequenas lacunas na blindagem, às vezes chamadas de orifícios EMI, que permitem a passagem de interferência. Um invólucro de alumínio fundido é condutor por natureza, formando uma barreira contínua sem necessidade de etapa de montagem para protegê-lo.
A mesma lógica se aplica ao calor. Existem plásticos termicamente condutores, mas normalmente aumentam o custo do material e podem alterar o comportamento do fluxo, a resistência ou o acabamento superficial do plástico – compensações que devem ser testadas cuidadosamente para cada aplicação. O alumínio, por outro lado, dissipa o calor como uma propriedade básica do material, e é por isso que as aletas de resfriamento e as nervuras internas podem ser fundidas diretamente em uma parede da caixa do driver VFD ou LED, em vez de serem coladas como um dissipador de calor separado após o fato.
Para gabinetes com um requisito de aterramento genuíno, os projetistas também moldaram antecipadamente áreas de contato usinadas e ranhuras para juntas condutoras, de modo que o caminho de blindagem seja incorporado ao ferramental, em vez de ser adicionado posteriormente durante a montagem.
Como as peças fundidas eletromecânicas suportam carga, dissipam calor e funcionam eletricamente ao mesmo tempo, verificar a qualidade significa verificar mais do que a aparência da superfície. Os padrões e testes abaixo são os que devem aparecer na documentação de inspeção do fornecedor.
| Padrão/teste | O que verifica |
|---|---|
| ASTM B85/B85M | Composição da liga e requisitos dimensionais/de tolerância para peças fundidas de alumínio |
| Padrões de produto NADCA | Tolerâncias lineares, ângulos de inclinação, tolerâncias de linhas de partição, tolerâncias de furos tubulares |
| Inspeção radiográfica/radiográfica | Gás interno e porosidade de retração que não é visível da superfície |
| Teste de pressão/vazamento | Estanqueidade à pressão para gabinetes selados e gabinetes com classificação IP |
| Teste de corante penetrante | Defeitos conectados à superfície após anodização ou revestimento em pó |
| IATF16949 | Certificação do sistema de gestão de qualidade de nível automotivo para o fornecedor |
A porosidade é o defeito que vale a pena entender com mais detalhes, porque é praticamente invisível até ser testado e afeta diretamente a integridade estrutural e a estanqueidade à pressão. Dois tipos distintos ocorrem durante a fundição: porosidade de gás , causado pelo vapor de ar e lubrificante preso durante a injeção em alta velocidade, e porosidade de contração , que se forma à medida que o metal se contrai enquanto se solidifica em seções mais espessas. Ambos são amplamente evitáveis por meio de ventilação adequada, fundição assistida por vácuo e projeto de portão/corredor elaborado antes do corte da ferramenta – e é por isso que revisar o processo de projeto para fabricação (DFM) de um fornecedor é tão importante quanto revisar seus relatórios de inspeção de peças acabadas.
As ferramentas para fundição sob pressão são um verdadeiro investimento inicial, por isso vale a pena confirmar esses pontos com um fornecedor antes de uma matriz de aço ser cortada.
A fundição sob pressão ganha em custo unitário em volume, uma vez que uma matriz pode estampar milhares de peças com formato quase perfeito antes que qualquer usinagem específica da peça seja necessária. A usinagem a partir de tarugos sólidos faz mais sentido para volumes ou protótipos muito baixos, onde o corte de uma matriz de aço endurecido ainda não é justificado pelo tamanho do pedido.
Sim, mas os pontos de contato da blindagem precisam ser planejados no final. A anodização cria uma fina camada de óxido que é em si um isolante elétrico, de modo que os projetistas normalmente mascaram ou usinam superfícies específicas de aterramento e contato com gaxetas para permanecerem metálicas enquanto o resto da caixa é anodizado para resistência à corrosão.
As ligas de magnésio são escolhidas quando a redução de peso é mais importante do que qualquer outra coisa, uma vez que o magnésio é mais leve que o alumínio para uma espessura de parede semelhante. Ela aparece com mais frequência em instrumentos portáteis e equipamentos móveis de peso crítico, onde a densidade ligeiramente mais alta do alumínio se torna uma verdadeira restrição de projeto.
A fundição sob pressão requer um investimento inicial em um molde de aço endurecido, que só compensa uma vez que a economia por peça da produção rápida e repetível compensa o custo do ferramental. Abaixo de um determinado volume de pedidos, essa matemática não funciona, e é por isso que a fundição sob pressão é normalmente recomendada quando um projeto passa da prototipagem para uma execução de produção.
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