Servomotores e robôs estão transformando as aplicações aditivas. Aprenda as dicas e aplicações mais recentes para implementar automação robótica e controle avançado de movimento para manufatura aditiva e subtrativa, além do que vem por aí: pense em métodos híbridos aditivos/subtrativos.
AVANÇANDO NA 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 mistura 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 importantes que proporcionaram a eficiência e a economia 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 design digital para criar objetos tridimensionais sólidos, fundindo materiais camada por camada, de baixo para cima. Muitas vezes, produzindo peças com formato próximo ao final (NNS) sem desperdício, o uso da MA para projetos de produtos básicos e complexos continua a permear setores como automotivo, aeroespacial, energia, médico, transporte e bens de consumo. Por outro lado, 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 principais diferenças, os processos aditivo e subtrativo nem sempre são mutuamente exclusivos — pois podem ser usados para complementar várias etapas do desenvolvimento do produto. Um modelo conceitual ou protótipo inicial é frequentemente criado pelo processo aditivo. Uma vez finalizado o produto, lotes maiores podem ser necessários, abrindo caminho para a fabricação subtrativa. Mais recentemente, onde o tempo é essencial, métodos híbridos aditivo/subtrativo estão sendo aplicados para tarefas como o reparo de peças danificadas/desgastadas ou a criação de peças de qualidade com menor tempo de entrega.
AUTOMATIZAR O AVANÇO
Para atender às rigorosas demandas dos clientes, os fabricantes estão integrando uma variedade de materiais de arame, 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 terminando com um componente rígido 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 quando se trata de processos como manufatura aditiva por arco elétrico (WAAM), WAAM-subtrativa, revestimento a laser-subtrativo ou decoração. Os destaques incluem:
- Tecnologia avançada de servo: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 servossistemas (em vez de motores de passo) para um controle de movimento otimizado. Os benefícios dos servomotores, como o Sigma-7 da Yaskawa, transformam o processo aditivo de ponta-cabeça, ajudando os fabricantes a superar problemas comuns por meio de recursos de otimização da impressora:
- Supressão de vibração: servomotores robustos contam com filtros de supressão de vibração, bem como filtros antirressonância e de entalhe, proporcionando um movimento extremamente suave que pode eliminar as linhas degrau visualmente desagradáveis causadas pela ondulação do torque do motor de passo.
- Aumento de velocidade: uma velocidade de impressão de 350 mm/seg agora é uma realidade, mais que o dobro da velocidade média de impressão de uma impressora 3D com motor de passo. Da mesma forma, é possível atingir uma velocidade de deslocamento de até 1.500 mm/seg usando tecnologia servo rotativa ou de até 5 metros/seg usando tecnologia servo linear. A capacidade de aceleração extremamente rápida proporcionada por servos de alto desempenho permite que as cabeças de impressão 3D sejam movidas para suas posições corretas com mais rapidez. Isso contribui significativamente para aliviar a necessidade de desacelerar 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 servossistemas podem realizar seus próprios ajustes personalizados de forma independente, o que possibilita a adaptação a mudanças na mecânica de uma impressora ou a variações em um processo de impressão. Os motores de passo 3D não utilizam feedback de posição, tornando quase impossível compensar mudanças nos processos ou discrepâncias na mecânica.
- Feedback do encoder: servossistemas robustos que oferecem feedback absoluto do encoder só precisam executar uma rotina de retorno ao ponto inicial 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 retornadas ao ponto inicial sempre que são ligadas.
- Detecção de feedback: a extrusora de uma impressora 3D pode frequentemente ser um gargalo no processo de impressão, e um motor de passo não possui a capacidade de detecção de feedback necessária para detectar um travamento da extrusora — uma deficiência que pode levar à ruína de todo um trabalho de impressão. Com isso em mente, os servossistemas podem detectar backups da extrusora e evitar a remoção do filamento. A chave para um desempenho de impressão superior é ter um sistema de malha fechada centralizado em um codificador óptico de alta resolução. Servomotores com um codificador de alta resolução absoluta de 24 bits podem fornecer 16.777.216 bits de resolução de feedback em malha fechada para maior precisão do eixo e da extrusora, bem como sincronização e proteção contra travamentos.
- Robôs de alto desempenho:Assim como servomotores robustos estão transformando as aplicações aditivas, os robôs também estão. Seu excelente desempenho de trajetória, estrutura mecânica rígida e altas classificações de proteção contra poeira (IP) — combinados com controle antivibração avançado e capacidade multieixo — tornam os robôs de seis eixos altamente flexíveis uma opção ideal para os processos exigentes que envolvem a utilização de impressoras 3D, bem como ações-chave para a manufatura subtrativa e 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 o descarregamento de peças individuais da impressora até a separação das peças após um ciclo de impressão com múltiplas peças, robôs altamente flexíveis e eficientes otimizam as operações para maior produtividade e ganhos de produtividade.
Com a impressão 3D tradicional, os robôs são úteis no gerenciamento de pó, reabastecendo o pó da impressora quando necessário e removendo o pó das peças acabadas. Da mesma forma, outras tarefas de acabamento de peças populares na fabricação de metais, 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 de perto pela tecnologia robótica, liberando os fabricantes para concentrar seu tempo em trabalhos de maior valor agregado, como a fabricação personalizada.
Para peças maiores, robôs industriais de longo alcance estão sendo equipados para mover diretamente uma cabeça de extrusão de impressora 3D. Isso, em conjunto com ferramentas periféricas como bases rotativas, posicionadores, trilhos lineares, pórticos e muito mais, fornece o espaço de trabalho necessário para criar estruturas espaciais de forma livre. Além da prototipagem rápida clássica, robôs estão sendo usados para a fabricação de peças de forma livre de grande volume, formas de molde, construções de treliças em formato 3D e peças híbridas de grande formato. - Controladores de máquinas multieixos:A tecnologia inovadora para conectar até 62 eixos de movimento em um único ambiente agora possibilita a sincronização múltipla de uma ampla gama de robôs industriais, servossistemas e acionamentos de frequência variável utilizados em processos aditivos, subtrativos e híbridos. Uma família inteira de dispositivos agora pode trabalhar perfeitamente em conjunto 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 dinâmico 61131, como o MotionWorks IEC, plataformas profissionais como esta utilizam ferramentas familiares (por exemplo, códigos G RepRap, diagramas de blocos funcionais, texto estruturado, diagramas Ladder, 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, controle de múltiplos fusos e extrusoras, estão incluídas.
- Interfaces de usuário de manufatura avançada: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, abrindo caminho para maior versatilidade. Projetadas com criatividade e otimização em mente, plataformas intuitivas, como o Yaskawa Compass, permitem que os fabricantes personalizem suas telas com facilidade. Da inclusão de atributos essenciais da máquina à adequação às necessidades do cliente, pouca programação é necessária — já que essas ferramentas oferecem uma extensa biblioteca de plug-ins C# pré-construídos ou permitem a importação de plug-ins personalizados.
ELEVE-SE ACIMA
Embora os processos aditivo e subtrativo simples continuem populares, uma mudança maior em direção ao método híbrido aditivo/subtrativo ocorrerá nos próximos anos. A expectativa é de que cresça a uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de 14,8% até 2027.1O mercado de máquinas híbridas de manufatura aditiva está pronto para atender à crescente demanda dos clientes. Para se destacar da concorrência, os fabricantes devem ponderar os prós e os contras do método híbrido para suas operações. Com a capacidade de produzir peças conforme a necessidade, com uma redução significativa na pegada de carbono, o processo híbrido aditivo/subtrativo oferece alguns benefícios atraentes. Independentemente disso, as tecnologias avançadas para esses processos não devem ser negligenciadas e devem ser implementadas nas fábricas para facilitar maior produtividade e qualidade do produto.
Data de publicação: 13 de agosto de 2021
