Conformação por Explosão

Indústria Aeroespacial - Exaustor: exemplo de peça fabricada utilizando conformação por explosão. Fonte: 3D Metal forming BV.

Conformação por Explosão é um processo especial de fabricação que possui um nicho de mercado muito bem definido. Apesar do nome estranho é um processo que ainda é usado atualmente, principalmente por ser a alternativa mais economicamente viável para a conformação de peças muito grandes, fabricação de poucas peças com geometria complexa e obtenção de graus de encruamento excepcionais. 

A maior parte da literatura existente sobre conformação por explosão remonta aos anos 50, porém o processo é sabidamente mais antigo.

·       Munroe, 1888 – Patente de gravação por explosão.

·       Inglaterra, 1898 – Junção de tubos por expansão explosiva.

·       1900....dias atuais – Conformação por explosão é usada para algumas aplicações industriais, aeroespaciais e de defesa. 

E, nada mais apropriado, foi descoberto durante a guerra (assim como a soldagem por explosão). Notou-se que após uma explosão uma chapa que estivesse nos arredores da explosão ficava moldada a qualquer coisa que estivesse atrás dela. Caso a explosão fosse muito forte, ocorria inclusive a soldagem de uma peça de metal com outra. Após alguns testes descobriu-se que era possível conformar geometrias extremamente complexas sem a preocupação com o retorno elástico, além de propriedades mecânicas diferenciadas. 

Os maiores avanços no campo da conformação por explosão aconteceram na metade da década de 1950, junto com as demandas da indústria aeroespacial norte-americana. Na década de 1960 existiam pelo menos 80 programas de desenvolvimento financiados pelo governo americano. A necessidade de conformar peças muito grandes como domos de 10,5 m, para serem usados no motor secudário do Saturn 5, trouxe o desenvolvimento de processos à explosão para grandes componentes, em peças de alumínio e aço.

 

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Conformação por explosão

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Conformação a alta velocidade

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Em resumo o processo acontece assim:

1. Explosão

2. Onda de choque é gerada no meio (geralmente água)

3. Onda de choque se transforma em energia cinética no material

4. Deformação plástica

Conformação por explosão realiza-se normalmente dentro de uma câmara com água, no interior da qual se faz deflagrar uma carga explosiva. A explosão origina uma onda de pressão que, ao atingir a peça, lhe aplica um momento cinético que a projeta de encontro à matriz. A figura abaixo ilustra uma montagem típica para conformação por explosão.

A pressão máxima gerada pela explosão pode ser estimada pela equação abaixo:

Onde:

p = pressão

K = constante que depende do explosivo

W = peso de explosivo

R = distância do explosivo

a = constante do meio de propagação

Valores máximos de pressão de detonação: 13 a 28 Gpa.

Velocidades atingidas pelo material: 30 a 200 m/s.

O meio de propagação influencia fortemente na pressão exercida sobre a chapa, como mostra o diagrama:

Características de processos de conformação por explosão:

·       Altíssimas forças inerciais.

·       Forças de impacto.

·       Alterações no comportamento plástico do material.

·       Distribuição da aplicação da força.

Materiais típicos utilizados (indústria aeroespacial):

·       Ligas de titânio Ti6Al4V

·       Alumínio 2024, 6061 e 6082

·       Ligas de magnésio.

·       Ligas de níquel (ex.: Hastelloy)

A forma de preparação do processo pode variar em função da forma do blank a conformar ou da geometria final da peça, como mostram as figuras abaixo:

Mecanismos de modificação de propriedades 
Peças fabricadas com esse processo apresentam propriedades mecânicas excepcionais. Os principais mecanismos de modificação estrutural responsáveis por essas propriedades são:

·       As ondas de choque produzem nos metais diversas alterações estruturais como geração de defeitos pontuais, discordâncias e maclas, transformações de fase e precipitação.

·       As ondas de choque agem como uma ferramenta metalúrgica, produzindo microestrutura homogênea com elevada densidade de discordâncias sem que haja alteração na forma dos grãos.

O diagrama abaixo ilustra o aumento de resistência mecânica observadas em peças conformadas por explosão.

Aumento da ductilidade

·       Além de produzir peças com melhores propriedades mecânicas a conformação em alta velocidade permite obter um aumento da ductilidade, dentro de certos limites. A alta velocidade de propagação da onda de choque no material altera os mecanismos de formação da estricção (necking), sendo verificados inclusive mais de um ponto de estricção em corpos de prova tracionados em alta velocidade.
 

 

Porém o fenômeno é limitado a uma velocidade ideal, que depende da velocidade da propagação de uma onda mecânica no material, após a qual a ductilidade cai fortemente, como mostra o diagrama.

Os diagramas abaixo ilustram resultados de ensaios de tração realizados a diferentes velocidades. O aumento da ductilidade se verifica somente até uma certa velocidade, após a qual ela cai bruscamente.

Vantagens da conformação por explosão:

·       Adequado ao fabrico de poucas peças um únicas, evitando a necessidade de fabricação de ferramentas convencionais.

·       Permite fabricar peças com geometrias complexas que normalmente necessitariam de várias operações.

·       Baixo custo para poucas peças (1/10 para menos de 50 peças)

·       Só precisa de um lado da geometria

·       Permite fabricação de peças de grandes dimensões (potência e tamanho ilimitados).

·       A maioria dos metais conformam-se melhor a altas velocidades.

·       Melhor qualidade superficial.

·       Permite conformar materiais espessos e de alta resistência.

·       Permite conformar geometrias altamente complexas.

·       Melhora as propriedades mecânicas do material.

Desvantagens da conformação por explosão:

·       Problemas de repetibilidade.

·       Segurança de pessoas e bens.

·       Problemas ambientais (ruídos).

·       Ferramentas precisam ser muito resistentes.

·       Vida da ferramenta é imprevisível.

Explosivos mais utilizados:

·       Dinamite.

·       PETN (C5H8N12O4).

·       TNT (C7H5N3O8).

·       RDX (C3H6N6O6).

 

Exemplos de peças

Seção da fuselagem do foguete Saturn 5 conformada por explosão.

Bocal exaustor de um Space Shuttle (ônibus espacial)

Bocal exaustor de ônibus espacial. Pré-forma antes da conformação por explosão (esq.) e peça pronta após o processo (dir.).

Componente do pós-queimador do avião Blackbird, conformado por explosão.

Reator experimental de fusão nuclear tipo Tokamak, no ITER. O anel oco central é formado de partes conformadas por explosão.

Fontes:

• Glenn S. Daehn, High Velocity Metal Forming, Department of Materials Science and Engineering-The Ohio State University
• Taran, V.; Vovk, V.; Sabelkin, V.; Vovk, A.: Explosive Forming of Metal Blanks. Otto-von-Guericke-University Magdeburg, Magdeburg, Germany, IMP-Mexico
• 3-D Metal Forming. www.3dmetalforming.com
• G. Young: Explosion Welding, Technical Growth and Commercial History. Dynamic Materials Corporation, USA
• Pacific Aerospace & Electronics
• C.Wentzel: Explosive forming techniques. TNOPrins Maurits Laboratory
• R. Alipour, F. Najarian: Modeling and Investigation of Elongation in Free Explosive Forming of Aluminum Alloy Plate, World Academy of Science, Engineering and Technology 76 2011
• ·Victor GHIZDAVU, Niculae MARIN: EXPLOSIVE FORMING – ECONOMICAL TECHNOLOGY FOR AEROSPACE STRUCTURES. INCAS, COMOTI and Henri Coanda Association, 14 December 2010, Bucharest, Romania