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| 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?
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
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.
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