Servomotores e robôs estão transformando as aplicações da manufatura aditiva. Aprenda as dicas e aplicações mais recentes para implementar automação robótica e controle de movimento avançado em manufatura aditiva e subtrativa, além de descobrir o futuro: pense em métodos híbridos aditivos/subtrativos.
AVANÇANDO A AUTOMAÇÃO
Por Sarah Mellish e RoseMary Burns
A adoção de dispositivos de conversão de energia, tecnologia de controle de movimento, robôs extremamente flexíveis e uma combinação eclética de outras tecnologias avançadas são fatores que impulsionam o rápido crescimento de novos processos de fabricação em todo o cenário industrial. Revolucionando a forma como protótipos, peças e produtos são fabricados, a manufatura aditiva e subtrativa são dois exemplos primordiais que proporcionaram a eficiência e a redução de custos que os fabricantes buscam para se manterem competitivos.
Conhecida como impressão 3D, a manufatura aditiva (MA) é um método não tradicional que geralmente utiliza dados de projeto digital para criar objetos tridimensionais sólidos, fundindo materiais camada por camada de baixo para cima. Frequentemente produzindo peças com formato próximo ao final (NNS, na sigla em inglês) sem desperdício, o uso da MA para projetos de produtos básicos e complexos continua a se disseminar em setores como o automotivo, aeroespacial, energético, médico, de transporte e de bens de consumo. Em contrapartida, o processo subtrativo envolve a remoção de seções de um bloco de material por meio de corte ou usinagem de alta precisão para criar um produto 3D.
Apesar das diferenças fundamentais, os processos aditivos e subtrativos nem sempre são mutuamente exclusivos, podendo complementar-se em diversas etapas do desenvolvimento de produtos. Um modelo conceitual inicial ou protótipo é frequentemente criado pelo processo aditivo. Uma vez finalizado o produto, lotes maiores podem ser necessários, abrindo caminho para a manufatura subtrativa. Mais recentemente, em contextos onde o tempo é essencial, métodos híbridos aditivos/subtrativos têm sido aplicados para tarefas como o reparo de peças danificadas ou desgastadas ou a criação de peças de qualidade com prazos de entrega reduzidos.
AUTOMATIZAR ENCAMINHAMENTO
Para atender às exigências rigorosas dos clientes, os fabricantes estão integrando uma variedade de materiais de fio, como aço inoxidável, níquel, cobalto, cromo, titânio, alumínio e outros metais diferentes, na construção de suas peças, começando com um substrato macio, porém resistente, e finalizando com um componente duro e resistente ao desgaste. Em parte, isso revelou a necessidade de soluções de alto desempenho para maior produtividade e qualidade em ambientes de manufatura aditiva e subtrativa, especialmente em processos como manufatura aditiva por arco de arame (WAAM), WAAM subtrativa, revestimento a laser subtrativo ou decoração. Os destaques incluem:
- Tecnologia Servo Avançada:Para melhor atender às metas de tempo de lançamento no mercado e às especificações de design do cliente, no que diz respeito à precisão dimensional e à qualidade do acabamento, os usuários finais estão recorrendo a impressoras 3D avançadas com sistemas servo (em vez de motores de passo) para um controle de movimento ideal. Os benefícios dos servomotores, como o Sigma-7 da Yaskawa, revolucionam o processo de manufatura aditiva, ajudando os fabricantes a superar problemas comuns por meio de recursos que aprimoram a impressora:
- Supressão de vibração: os robustos servomotores possuem filtros de supressão de vibração, bem como filtros antirressonância e de rejeição de banda, proporcionando um movimento extremamente suave que pode eliminar as linhas escalonadas visualmente desagradáveis causadas pela ondulação do torque do motor de passo.
- Aprimoramento de velocidade: uma velocidade de impressão de 350 mm/s agora é realidade, mais que dobrando a velocidade média de impressão de uma impressora 3D com motor de passo. Da mesma forma, uma velocidade de deslocamento de até 1.500 mm/s pode ser alcançada com servomotores rotativos ou até 5 metros/s com servomotores lineares. A capacidade de aceleração extremamente rápida proporcionada pelos servomotores de alto desempenho permite que os cabeçotes de impressão 3D sejam posicionados corretamente com mais rapidez. Isso contribui significativamente para eliminar a necessidade de reduzir a velocidade de todo o sistema para atingir a qualidade de acabamento desejada. Consequentemente, essa melhoria no controle de movimento também significa que os usuários finais podem fabricar mais peças por hora sem sacrificar a qualidade.
- Ajuste automático: os sistemas servo podem realizar ajustes personalizados de forma independente, o que possibilita a adaptação a mudanças na mecânica da impressora ou variações no processo de impressão. Os motores de passo 3D não utilizam feedback de posição, tornando praticamente impossível compensar mudanças nos processos ou discrepâncias na mecânica.
- Feedback do encoder: sistemas servo robustos que oferecem feedback absoluto do encoder precisam executar uma rotina de nivelamento apenas uma vez, resultando em maior tempo de atividade e economia de custos. Impressoras 3D que usam tecnologia de motor de passo não possuem esse recurso e precisam ser niveladas sempre que são ligadas.
- Sensoriamento de feedback: a extrusora de uma impressora 3D pode ser um gargalo no processo de impressão, e um motor de passo não possui a capacidade de detectar um entupimento na extrusora — uma deficiência que pode arruinar toda a impressão. Pensando nisso, os sistemas servo podem detectar entupimentos na extrusora e evitar o rompimento do filamento. A chave para um desempenho de impressão superior é ter um sistema de circuito fechado centrado em um encoder óptico de alta resolução. Servomotores com um encoder absoluto de 24 bits de alta resolução podem fornecer 16.777.216 bits de resolução de feedback em circuito fechado para maior precisão nos eixos e na extrusora, além de sincronização e proteção contra entupimentos.
- Robôs de Alto Desempenho:Assim como os robustos servomotores estão transformando as aplicações de manufatura aditiva, o mesmo acontece com os robôs. Seu excelente desempenho de trajetória, estrutura mecânica rígida e altos índices de proteção contra poeira (IP) — combinados com controle antivibração avançado e capacidade multieixos — tornam os robôs de seis eixos altamente flexíveis uma opção ideal para os processos exigentes que envolvem a utilização de impressoras 3D, bem como para ações essenciais na manufatura subtrativa e em métodos híbridos aditivos/subtrativos.
A automação robótica complementar às máquinas de impressão 3D abrange amplamente o manuseio de peças impressas em instalações com múltiplas máquinas. Desde a descarga de peças individuais da impressora até a separação das peças após um ciclo de impressão com múltiplas partes, robôs altamente flexíveis e eficientes otimizam as operações para maior rendimento e ganhos de produtividade.
Na impressão 3D tradicional, os robôs auxiliam no gerenciamento do pó, reabastecendo o pó da impressora quando necessário e removendo-o das peças finalizadas. Da mesma forma, outras tarefas de acabamento de peças comuns na fabricação de metal, como retificação, polimento, rebarbação ou corte, são facilmente realizadas. A inspeção de qualidade, bem como as necessidades de embalagem e logística, também estão sendo atendidas diretamente com a tecnologia robótica, liberando os fabricantes para concentrarem seu tempo em trabalhos de maior valor agregado, como a fabricação personalizada.
Para peças maiores, robôs industriais de longo alcance estão sendo equipados para movimentar diretamente a cabeça de extrusão de uma impressora 3D. Isso, em conjunto com ferramentas periféricas como bases rotativas, posicionadores, trilhos lineares, pórticos e outros, proporciona o espaço de trabalho necessário para criar estruturas espaciais de forma livre. Além da prototipagem rápida clássica, os robôs estão sendo usados na fabricação de peças de grande volume com formas livres, moldes, estruturas treliçadas em 3D e peças híbridas de grande formato. - Controladores de máquinas multieixos:Tecnologia inovadora para conectar até 62 eixos de movimento em um único ambiente agora possibilita a multissincronização de uma ampla gama de robôs industriais, sistemas servo e inversores de frequência usados em processos aditivos, subtrativos e híbridos. Toda uma família de dispositivos pode agora operar em perfeita harmonia sob o controle e monitoramento completos de um CLP (Controlador Lógico Programável) ou controlador de máquina IEC, como o MP3300iec. Frequentemente programadas com um pacote de software IEC 61131 dinâmico, como o MotionWorks IEC, plataformas profissionais como esta utilizam ferramentas familiares (por exemplo, códigos G RepRap, diagrama de blocos de função, texto estruturado, diagrama de contatos, etc.). Para facilitar a integração e otimizar o tempo de atividade da máquina, ferramentas prontas para uso, como compensação de nivelamento da mesa, controle de avanço da pressão da extrusora e controle de múltiplos fusos e extrusoras, estão incluídas.
- Interfaces de usuário avançadas para manufatura:Altamente benéficos para aplicações em impressão 3D, corte de formas, máquinas-ferramenta e robótica, diversos pacotes de software podem fornecer rapidamente uma interface gráfica de máquina fácil de personalizar, oferecendo um caminho para maior versatilidade. Projetadas com criatividade e otimização em mente, plataformas intuitivas, como o Yaskawa Compass, permitem que os fabricantes criem e personalizem telas com facilidade. Desde a inclusão de atributos essenciais da máquina até o atendimento às necessidades do cliente, pouca programação é necessária — já que essas ferramentas fornecem uma extensa biblioteca de plug-ins C# pré-construídos ou permitem a importação de plug-ins personalizados.
ELEVE-SE ACIMA
Embora os processos aditivos e subtrativos simples continuem populares, uma mudança significativa para o método híbrido aditivo/subtrativo ocorrerá nos próximos anos. A expectativa é de que esse método cresça a uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de 14,8% até 2027.1O mercado de máquinas híbridas de manufatura aditiva está preparado para atender ao aumento das demandas dos clientes. Para se destacar da concorrência, os fabricantes devem avaliar os prós e os contras do método híbrido para suas operações. Com a capacidade de produzir peças conforme a necessidade e uma redução significativa na pegada de carbono, o processo híbrido aditivo/subtrativo oferece benefícios bastante atraentes. Independentemente disso, as tecnologias avançadas para esses processos não devem ser negligenciadas e precisam ser implementadas nas linhas de produção para facilitar maior produtividade e qualidade do produto.
Data da publicação: 13 de agosto de 2021
