Webminar com P&D da ArcelorMittal: Exemplos do uso de aços avançados de alta resistência (AHSS) na revolução da mobilidade

Como aços para estampagem a quente como Usibor 2000 e Ductibor 1000 combinados com classes de aços martensíticos contribuem para o desempenho geral dos BEVs (carros totalmente elétricos).

Link para inscrição no webminar

"Ascenção da China" no documentário Netflix “História: Direto ao Assunto”

No século 21, a China se tornou uma potência econômica global. Por que o resto do mundo demorou tanto a perceber sua ascensão ao topo? O episódio mostra de forma muito clara a e rápida a ascensão da China, do comunismo ao chamado socialismo democrático, onde se tornou a segunda potência mundial em poderio econômico e aspirando ser a primeira em breve.

Bom para termos noção tamanho do milagre econômico chinês, e sabermos que é preciso estar preparados para um mundo sob liderança chinesa.

Episódio III do Documentário "História: Direto ao Assunto."

Veja o trailer do documentário:

UFRGS confirma treinamento em estampagem para setembro, em Porto Alegre

Mais informações em:

https://www.cbcm-metalforming.com/

Live - Ferramentarias no Rota 2030: Oportunidades e Desafios

Na próxima quarta-feira dia 17 de junho às 10h vamos ter um time de peso para debater o tema “Ferramentarias no Rota 2030 – Oportunidades e Desafios”. 

Nosso time contará com a participação da Ana Paola Braga do IPT, Dr. Carlos Sakuramoto da GM, Jefferson Gomes do IPT, Wellington Damasceno do Sindicato dos Metalúrgicos do ABC e nosso mediador Anderson Suzuki! 

Acesse nosso canal do Youtube e participe desse grande encontro:

AEA - Associação Brasileira de Engenharia Automotiva

Rapid Tooling na fabricação de componentes estampados: do conceito à peça em 5 dias (estudo de caso)

Este artigo está disponível no LinkedIn: https://www.linkedin.com/in/joaohcdesouzametalforming/

Fonte: AUDI

Componentes fabricados através da conformação de chapas metálicas ainda são a melhor opção para estruturas veiculares. É possível fabricar geometrias relativamente complexas, com baixa geração de sucata (em relação a peças usinadas p.ex.) e boa repetibilidade dimensional em altos volumes de produção. Permite também atender às inúmeras demandas do produto final, essas por vezes antagônicos: máxima resistência, capacidade de deformação residual, mínimo peso, soldabilidade, facilidade de produção em série, etc. Contudo, a fabricação do ferramental necessário ainda é demorado e dispendioso. O presente texto é um resgate de um artigo que publiquei em 2008 no Senafor. Rapid Tooling para a produção de componentes estampados ainda é raro no Brasil, e se mostra uma alternativa viável quando se busca desenvolvimento rápido e redução do time-to-market. A viabilidade do uso de polímeros avançados na estampagem já foi demonstrada, inclusive para a conformação de materiais de alta resistência. Com os volumes de produção em queda e modelos orientados a nichos de mercado será essa uma alternativa para reduzir os custos de produção em uma indústria automotiva em mutação?

Rapid Prototyping geralmente está associado à fabricação de peças de plástico, raramente a componentes estampados. Na conformação de chapas faz-se necessário, antes, o conceito de Rapid Tooling, ou seja, fabricação rápida da ferramenta, pois ainda é preciso uma ferramenta para a fabricação dos protótipos. O desenvolvimento de ferramentas de estampagem ainda hoje é feito em várias etapas que exigem mão de obra, investimento em máquinas especiais e diferentes formas de expertise técnico em etapas de projeto, usinagem, montagem e ajustagem como mostrado abaixo.

Hoje pode-se dizer que um bom prazo de desenvolvimento fica entre 20 e 40 semanas, dependendo do tamanho e complexidade da peça.

O mercado automotivo atual mostra faz algum tempo uma forte tendência a diversificação dos tipos de modelos disponíveis, acrescido ainda de um aumento das variantes existentes dentro de um único modelo. A tendência vem se acentuando ainda mais se considerarmos a chegada dos EVs (Electrical Vehicles). A evolução rápida dos modelos, a crescente modularização e as variações de geometria vêm diminuindo os volumes de produção para um dado componente de chapa, e isso exige uma maior velocidade no desenvolvimento de novos. Como consequência, o tempo disponível à disponibilização dos recursos produtivos é reduzido, ao mesmo tempo em que complexidade dos produtos e das técnicas de produção aumenta. Nas fases iniciais do desenvolvimento do produto, neste caso automóveis com baixo a médio volumes de produção, os protótipos e respectivo ferramental precisam estar disponíveis o mais rápido possível.

No âmbito deste trabalho foi mostrado que o uso combinado de engenharia simultânea, manufatura aditiva e uso de ferramentas de simulação pode reduzir o tempo necessário ao desenvolvimento de novos produtos estampados. As fases de projeto em CAD da geometria e simulação foram verificadas através de um modelo produzido em impressora 3D. Em seguida foi produzida uma pequena série de protótipos em chapa, utilizando-se um ferramental produzido através de polímeros avançados. Após, a qualidade da peça foi verificada. Durante o desenvolvimento do trabalho foi dada ênfase a um processo de desenvolvimento rápido porém robusto. Finalmente os tempos necessários para a realização de cada etapa foram contabilizados e comparados. Os métodos utilizados foram: 

• Simulação da conformação através de métodos de simulação One-step: Estes programas são usados comumente para avaliar a produtibilidade de peças durante o desenvolvimento de novos produtos de chapa. O processo de conformação é simulado de trás para adiante, em um único passo (one-step). Ou seja, ao contrário do processo real de conformação, onde tudo começa com uma chapa plana que é conformada em várias etapas até finalizar a peça. Comumente esses programas são usados somente para estimativas rápidas da conformabilidade da peça, já que não é possível conhecer a real exatidão dos resultados obtidos. Qualquer interpretação adicional vem então a situar-se no campo da mera especulação. As vantagens que justificam sua utilização são tempos de preparação do modelo e cálculo dos resultados muito curtos.

• Uso de métodos estatísticos em simulação convencional para automatizar a otimização de parâmetros do processo: Como forma de encontrar os parâmetros ótimos do processo é possível atualmente fazer uso de Análises de Sensibilidade. Para isso, primeiramente são definidas janelas de variação para os parâmetros do processo, e posteriormente são realizadas um certo número de simulações. O resultado sai em forma de janelas de processo, dentro das quais o processo de conformação pode ser realizado com sucesso. O usuário obtém assim um entendimento mais profundo dos fatores com mais influência sobre o processo em estudo e os parâmetros ótimos do processo podem ser determinados.

• Modelos visuais feitos por manufatura aditiva (impressão 3D): processos de prototipagem por deposição de camadas oferecem hoje grande variedade de aplicações. Essas possibilidades se estendem de simples amostras para verificação do design junto ao cliente até ferramentas de conformação inteiras.

• Materiais de ferramenta alternativos para fabricação de protótipos: materiais alternativos como polímeros compósitos oferecem vantagens, por exemplo rápida usinagem e facilidade de executar modificações na ferramenta. Principalmente no que se refere ao tempo de fabricação se torna claro o potencial dos materiais alternativos.

A aplicação dos métodos descritos acima modificam a cadeia convencional do processo de desenvolvimento de um novo produto. Cadeias convencional e otimizada são confrontadas na figura abaixo. Nela, setas horizontais significam processos de planejamento, enquanto setas verticais simbolizam processos de fabricação. A sobreposição de blocos origina-se de processos que correm paralela ou simultaneamente. A etapas do desenvolvimento são distribuídas no tempo e divididas em três regiões adjacentes: Definição de Objetivos, Planejamento/ Processos virtuais/ RP e Produção.

Estudo de caso: Suporte de Alumínio para um Display Multifuncional

Precisam ser produzidas 150 peças de um suporte de alumínio para abrigar um touchscreeen no console central. Objetivo: executar o cronograma mostrado acima o mais rápido possível. Por esse motivo, cada etapa do processo é descrita, acompanhando a ordem do cronograma. Situação inicial: o console central (já existente, vide figura seguinte) de um painel de automóvel precisa ser substituído por uma peça feita em alumínio, que serve de suporte para um display multifuncional. 

Todas as etapas, das especificações até o corte da peça pronta, são brevemente descritas a seguir. O primeiro passo consiste na definição das especificações.

Dia 1

Devido à inexistência de dados geométricos do componente, foi preciso primeiramente fazer uso de engenharia reversa para produzir o desenho CAD do componente a ser fabricado. Já nessa etapa foi possível avaliar a produtibilidade da peça por meio do método de simulação One-step. Devido à sua simplicidade esse estudo pôde ser realizado rapidamente pelo projetista. Com isso, raios considerados críticos à conformação puderam ser otimizados diretamente. Os resultados obtidos podem ser vistos abaixo. 

Após essa etapa, um modelo para visualização foi produzido em polímero para visualização espacial da geometria recém concebida.

Para isso foi usado um processo de prototipagem rápida do tipo impressão 3D. No equipamento usado são depositadas camadas finas (16μm) de um foto-polímero a partir de bloco com oito cabeçotes.

A camada depositada é posteriormente curada com luz ultravioleta. A produção do protótipo necessitou 8 horas. Como o equipamento é automático, foi possível realizar a produção à noite.

Dia 2

O protótipo de visualização foi avaliado, discutido e pequenas alterações foram realizadas. Baseado no modelo CAD agora disponível foi possível iniciar o projeto da ferramenta, o qual gerou as informações necessárias à simulação convencional do processo. De acordo com a análise anterior a geometria poderia ser conformada sem problemas. Entretanto, como não é possível obter resultados detalhados confiáveis com o programa One-step, a geometria precisou ser novamente simulada usando o método de simulação convencional. O programa utilizado foi o AutoForm Incremental. Problemas comuns na comparação dos dois métodos de simulação são o ajuste da força do prensa-chapas e a quantidade exata de material do blank inicial que escorrega para dentro da matriz (diferença entre perímetro inicial e final do blank).

Neste momento do trabalho de desenvolvimento foram utilizadas ferramentas estatísticas adicionais visando aumentar a segurança do processo de conformação. O uso desses métodos baseia-se na premissa que um processo só pode ser influenciado de forma direcionada quando se tem conhecimento de quais parâmetros são responsáveis por quais efeitos no processo. Por isso o primeiro passo desse tipo de análise é proceder uma consequente identificação e classificação desses parâmetros. Para isso é preciso conhecimento prático, expertizing é necessário. Disso depende a qualidade dos resultados da análise e otimização estatística do processo. Variando os parâmetros certos é possível conhecer os efeitos no processo de conformação e corrigir as ferramentas de acordo com os mesmos. Através do método é possível por um lado otimizar parâmetros da ferramenta e por outro lado aumentar a segurança (robustez) do processo. É preciso, porém, contabilizar um tempo adicional para esse tipo de análise, o qual dependerá da complexidade da peça e do processo. O número de ciclos de simulação necessários depende da qualidade da pré otimização já realizada previamente com o programa One-step e do nível de expertizing do especialista em simulação. O resultado obtido com AutoForm Incremental pode ser visto abaixo.

O resultado satisfatório da simulação permitiu a finalização do projeto da ferramenta. A mesma foi concebida para ser construída com um material polimérico compósito de alta resistência. As principais vantagens do uso deste material são:

·        Fabricação rápida: a usinagem ocorre em tempo recorde, não há necessidade de tratamentos térmicos nem de polimento.

·        Redução do tempo de ajuste ao mínimo. O menor módulo de elasticidade do polímero faz com que ele se ajuste naturalmente durante o processo de conformação, mantendo, porém, as dimensões esperadas para o produto.

Vale abrirmos um parêntesis para falar um pouco sobre esse material alternativo

Apesar de contrariar o senso comum, polímeros avançados permitem conformar chapas de alta resistência com detalhes refinados, pequenos raios e detalhes de superfície. A peça ao lado foi fabricada em um aço com limite de resistência de 700MPa e 1 mm de espessura. Essa classe de materiais permite uma rápida usinagem e a confecção de roscas, uso de pinos e outros elementos convencionais usados no projeto de ferramentas. Os insertos da ferramenta da imagem abaixo produziu 1200 componentes até começar a mostrar desgaste perceptível.

Voltando ao tema original do artigo, o projeto da ferramenta pode ser visto abaixo. Baseado nele foram feitos posteriormente os programas para usinagem CNC dos blocos de polímero.

Dias 3 e 4

Por meio dos desenhos 3D e programas de usinagem a ferramenta pôde finalmente ser fabricada. A duração desta etapa depende de vários fatores como número de centros de usinagem disponíveis, experiência dos operadores e tipo de material a ser trabalhado. Com o uso de material polimérico foi possível reduzir o tempo de fabricação das peças por um fator 3, o que mostra uma das vantagens desse tipo de material. As etapas para fabricação da ferramenta podem ser vistas a seguir.

Dias 4 e 5

Após a fabricação da ferramenta a mesma foi montada e ajustada na prensa. Com a obtenção da primeira peça boa foi iniciada a produção das 150 peças. Após foi feito o corte do contorno da peça e o componente montado no console central com o touchscreen. Estas etapas são mostradas abaixo.

O tempo necessário para um desenvolvimento como este depende não somente dos métodos utilizados, mas também das características próprias de cada empresa. O desenvolvimento de um produto de chapa como o apresentado neste trabalho pode ser realizado em 4-5 dias. Uma descrição dos tempos necessários para cada etapa pode ser vista na tabela a seguir. Por causa do uso de engenharia simultânea e da consequente paralelização de etapas do desenvolvimento não é possível simplesmente somar os tempos obtidos.

É importante destacar o uso de material polimérico neste projeto, o que possibilitou não só uma fabricação e ajuste rápidos da ferramenta, mas também peças com excelente qualidade dimensional e superficial. Também é importante salientar que para peças mais complexas em que se queira usar métodos estatísticos de otimização e/ou geometrias de usinagem mais trabalhosas devem ser contabilizados mais 2-3 dias no planejamento.

Considerações finais

Porque utilizamos aço nas ferramentas? Existem vários motivos que podem ser enumerados, porém o principal é a alta resistência ao desgaste, o que permite enormes volumes de produção. Mas, mesmo quando não precisamos de grandes volumes continuamos utilizando aços... simplesmente porque não conseguimos pensar de forma não convencional. O mercado de estampados continuará sendo de grandes volumes no futuro? Creio que o nicho de pequenos volumes tende a crescer muito, como já vem acontecendo a alguns anos.

Tribologicamente falando, na conformação de chapas por meio de polímeros o mecanismo de desgaste é abrasivo quando há contato entre as superfícies (sem lubrificação p.ex.). Porém, é possível alcançar um regime elasto-dinâmico com desgaste extremamente baixo. Já com ferramentas de aço o regime é misto, ou seja, sempre há contato metal-metal entre chapa e ferramenta. O principal mecanismo de desgaste é adesão, seguido de abrasão e desgaste tribo-químico, e todos são muito difíceis de serem controlados sem o uso de aços especiais, revestimentos cerâmicos e pré-tratamentos.

Tirando da jogada a característica "resistência ao desgaste", quais seriam as propriedades ideais de uma ferramenta? O aço, com seu altíssimo módulo de elasticidade, exige uma enorme finesse na fabricação dos componentes ativos da ferramenta. Tanto que as etapas de ajuste e tryout consomem muitas vezes mais da metade do tempo de desenvolvimento de uma ferramenta. Polímeros especiais, por sua vez, permitem a ferramenta se ajuste ao processo, ao mesmo tempo que controla o fluxo de material. Controlar a deformação é mais fácil do que tentar evitá-la.

Os avanços em Engenharia de Materiais não param. Polímeros avançados, fabricados através da adição de reforçadores na sua microestrutura permitem obter propriedades mecânicas muito interessantes, inclusive para o campo da fabricação de estampados.

Processos de manufatura aditiva de polímeros podem oferecer oportunidades não só na fabricação de componentes (peças), mas também na fabricação de meios de produção mais baratos e de forma mais rápida.