O uso de tecnologias de fabricação aditiva não se limita mais à área de aplicação inicial de "prototipagem rápida"
Embora agora sejam aplicadas em funções de produção limitadas, as técnicas aditivas ainda estão sendo usadas de maneiras inovadoras como ferramentas de desenvolvimento de produtos. Um exemplo é o Centro de Impressão 3D em Plástico no Centro de Pré-Séries da Audi em Ingolstadt, Alemanha. Esta instalação testou o potencial da máquina J750 da Stratasys, especificamente para a prototipagem de capas de lanternas traseiras e, como resultado de sua exploração do potencial da máquina, a Audi decidiu adicionar mais uma à sua lista de tecnologias aditivas. “Testamos e usamos com sucesso o J750, especialmente no que diz respeito à impressão de tampas de luzes traseiras em colaboração com a Stratasys e fornecedores”, confirma Tim Spiering, diretor do 3D Printing Center.
Reduzindo tempo de espera
No caso da tampa de luz traseira, a empresa espera que o principal benefício seja o tempo de desenvolvimento reduzido. “Esperamos uma redução no prazo de entrega de capas de lanterna traseira de até 50% em comparação com métodos tradicionais como fresagem ou fundição”, confirma Dr. Spiering.
A máquina também oferece a capacidade de experimentar com cores diferentes e a Audi pretende aproveitar ao máximo essa oportunidade. “Nossa primeira área de aplicação será a produção de protótipos para modelos leves em várias cores”, afirma Dr. Spiering. "Combinaremos especificamente tons de vermelho e amarelo, pois são as cores comumente usadas para aplicações de iluminação."
Como Dr. Spiering explica, um dos principais desafios das técnicas de prototipagem anteriores era a realização de um compromisso viável entre o desejo de experimentar combinações de cores diferentes e os procedimentos de montagem intensivos para mão-de-obra. As peças individualmente coloridas tinham que ser montadas conjuntamente para criar as unidades completas, pois não podiam ser produzidas em uma só peça. Em contraste, a nova máquina J750 possibilitará a produção de capas de lanternas traseiras totalmente transparentes e multicoloridas em uma única impressão, eliminando a necessidade do processo anterior de estágios múltiplos. Também não haverá nenhuma limitação efetiva na capacidade da empresa de experimentar, já que cerca de 500.000 combinações de cores diferentes estarão disponíveis para a equipe da Audi. O Dr. Spiering observa que “devido à alta resolução de impressão da máquina, esperamos que peças especialmente granuladas no interior apresentem um nível de detalhe persuasivo."
Quão grande impacto esse aplicativo específico terá nos cronogramas globais de desenvolvimento da empresa é, no entanto, uma questão sobre a qual Dr. Spiering permanece cauteloso. “Em geral, a redução no prazo de entrega nos permitirá criar mais alternativas de projeto em um determinado período de tempo”, observa ele. "Mas como produzir capas traseiras é apenas um passo em todo o processo de projeto de iluminação, teremos que avaliar o impacto sobre este processo após um período de tempo mais longo."
No entanto, outras propriedades do material, tanto em termos de aparência visual como características de manuseio, também serão exploradas. Dr. Spiering acrescenta que "uma vez que pretendemos usar a máquina para outras áreas de aplicação, materiais de modelagem padrão e materiais especialmente flexíveis serão usados na máquina para novas aplicações de prototipagem, além de capas de lanternas traseiras".
Capacidade de cores em processo de desenvolvimento
Curiosamente, a máquina é um exemplo do que a tecnologia Poly-Jet de termos da Stratasys é derivada de técnicas comuns de impressão a jato de tinta e que foi adicionada ao seu portfólio quando adquiriu a empresa israelense Objet há vários anos. No caso da Audi, a nova máquina complementará outras do mesmo tipo. “Esperamos que o J750 seja um complemento útil para outras máquinas Poly-Jet em nosso portfólio, o que nos permite tomar decisões de design sobre elementos internos e externos”, afirma o Dr. Spiering. Mas, a Audi acredita que a capacidade de várias cores apoiará não somente a tomada de decisões relacionadas ao estilo, mas também questões "mais difíceis" relacionadas à engenharia. “Isso possibilitará a produção de modelos coloridos de componentes automotivos, como motores, elementos de controle ou eletrônicos, para facilitar a discussão produtiva no processo de desenvolvimento”, observa Dr. Spiering.
A importância de fatores como cor, textura e detalhes visuais de peças fabricadas aditivamente como verdadeiras ferramentas de engenharia é reiterada por Scott Sevcik - vice-presidente de soluções de fabricação para a Stratasys. Sevcik diz que as origens do Poly-Jet como uma tecnologia relativamente de baixo custo não devem diminuir a sofisticação de suas capacidades. Como tal, ele complementa a outra tecnologia de aditivos da lista da Stratasys - a de "modelagem de deposição por fusão" (FDM), essencialmente uma tecnologia de extrusão direcionada - que a empresa desenvolveu originalmente. O atributo essencial do FDM em comparação ao Poly-Jet, afirma ele, é simplesmente a robustez das peças que ele pode produzir, o que o torna adequado para aplicações como a produção de ferramentas de moldes compósitos e até mesmo algumas peças de uso final. “Há pouca sobreposição entre elas”, observa ele.
Antero 800NA é um novo material termoplástico que entrou no mercado em abril deste ano. A nova versão é, afirma Sevcik, baseada em material PEKK (poliéter cetona) e, em aplicações automotivas, sua capacidade mais interessante pode ser a resistência química muito alta a hidrocarbonetos, como combustíveis e lubrificantes. É também reivindicado possuir resistência ao calor suficiente para ser adequada para aplicações sob o capô. Além disso, como a técnica de FDM é de extrusão contínua, as peças feitas dessa maneira também devem ser mais duráveis do que aquelas feitas usando processos aditivos alternativos à base de pó que usam materiais PEKK.
Enquanto isso, outras técnicas aditivas entraram nas fábricas de automóveis, mas não necessariamente como tecnologias de fabricação direta. Em vez disso, eles descobriram um uso na fabricação de ferramentas para trabalhadores de montagem para ajudá-los nas operações de manuseio e elevação de peças, onde os benefícios que eles proporcionam podem incluir economias de custo consideráveis, tempos de preparação maciçamente compactados para a produção de ferramentas, bem como correspondência precisa de equipamentos quanto a geometria, tanto para as peças envolvidas como para a fisiologia dos trabalhadores individuais.
Fabricação de ferramentas internas
Uma fábrica automotiva que explorou o potencial dessa abordagem e agora está relatando benefícios consideráveis é a operação da Volkswagen Autoeuropa em Palmela, Portugal, onde a empresa emprega 5.700 pessoas na produção dos veículos Volkswagen Sharan, T-Roc e SEAT Alhambra. A produção atual é de 860 veículos por dia. Em meados desta década, a empresa decidiu que tanto os prazos de entrega quanto os custos das ferramentas que seus funcionários usavam, adquiridos externamente, eram proibitivos. A empresa descobriu que trabalhar dessa maneira significava que tempos de espera de várias semanas poderiam estar envolvidos, especialmente quando vários projetos ou montagens eram necessários. Fundamentalmente, a abordagem era baseada em tentativa e erro, e não em um conjunto de procedimentos direcionado destinado a satisfazer objetivos bem definidos. Por isso, começou a procurar uma solução interna com o objetivo imediato de capacitá-la a criar mais protótipos, medidores, ferramentas e peças de reposição internamente e assim reduzir os tempos de desenvolvimento e os procedimentos de teste de aceitação envolvidos.
Após uma busca no mercado eventualmente decidiu usar máquinas de impressão 3D da Ultimaker, com sede na Holanda, que usam o que o fornecedor de tecnologia descreve como uma técnica de "fabricação de filamentos fundidos" para peças de uma variedade de materiais poliméricos. A fábrica de Portugal tem agora sete máquinas Ultimaker3 em operação e reporta que os custos de compra foram reduzidos em 91% quando comparados ao trabalho com fornecedores externos e tempos de implementação reduzidos em 95% juntamente com ergonomia associada, processos de montagem e melhorias de qualidade.
De acordo com Luis Reis, engenheiro de planta piloto da fábrica, a empresa agora integrou o uso de ferramentas fabricadas aditivamente em seus processos de produção. “Existe uma vasta gama de ferramentas impressas em 3D sendo desenvolvidas, impressas, testadas e implementadas na Volkswagen Autoeuropa”, confirma ele. “Elas vão desde os modelos e ferramentas manuais mais simples até medidores mais complexos, como os usados para posicionar logotipos e crachás, até instalações de alta complexidade usadas para montar peças. Ferramentas impressas 3D estão sendo usadas para todas estas aplicações pelos operadores nas linhas de produção. Como tal, não se trata apenas do grande número de ferramentas fabricadas aditivamente que a empresa utiliza agora, mas também da variedade de materiais envolvidos. Em ambos os casos, Reis fornece alguns detalhes.
Aditivo agora parte das operações de produção
No que diz respeito aos números, “existe uma aceitação positiva quanto a esses tipos de ferramentas e certamente podemos dizer que a quantidade de ferramentas atualmente em uso é muito ampla”, afirma Reis. “É razoável dizer que até 300 ferramentas impressas em 3D estão sendo usadas diariamente nas linhas de produção, com peças de reposição e componentes para as ferramentas atualmente existentes sendo produzidos continuamente”. Ele acrescenta que cerca de três ferramentas completamente novas são produzidas a cada semana.
No que diz respeito aos materiais, Reis diz explicitamente que “o sucesso da impressão 3D depende significativamente dos materiais utilizados. Relata que, dentro da Volkswagen Autoeuropa, os materiais mais utilizados são os baseados em PLA (ácido poliláctico), TPU (poliuretano termoplástico), PET (polietileno tereptalato) e nylon. “Estamos continuamente à procura de novos materiais no mercado, por isso nosso portfólio de materiais disponíveis é muito amplo”, acrescenta.
Mas em um nível mais geral, Reis diz que vários outros benefícios menos quantificáveis, mas ainda identificáveis, advêm do uso das máquinas aditivas. O primeiro envolve sua eficiência ergonômica direta - “o design e o peso leve das ferramentas impressas em 3D fornecem um valor agregado em qualquer linha de produção”, afirma ele. Um fator importante é que as ferramentas podem ser projetadas e fabricadas para atender às necessidades de cada trabalhador. Outro recurso muito simples, mas muito eficaz, é que as ferramentas impressas podem ser codificadas por cores. “Estabelecer códigos de cores simples é um complemento muito positivo”, observa ele. “Na nossa fábrica, todos os medidores à esquerda são verdes e todos os medidores à direita são vermelhos. É uma característica muito positiva ter esses medidores construídos em cores claramente distintas, simplificando assim o processo de tomada de decisão e evitando possíveis erros."
No entanto, os benefícios específicos quantificáveis continuam sendo a principal justificativa da política. Um que a empresa identifica é o relativo a custos, e os cronogramas de produção para a produção de ferramenta para permitir o posicionamento preciso e repetível da insígnia do bagageira. Anteriormente, cada unidade custava € 400 com um prazo de entrega de 35 dias. Agora os números correspondentes são € 10 e quatro dias. Em geral, a empresa calcula que, usando ferramentas, gabaritos e gabaritos impressos em 3D, não apenas reduz os tempos de ciclo, os requisitos de mão-de-obra e a necessidade de retrabalho, mas aumenta a ergonomia da ferramenta a um décimo do custo anterior. Estima-se que a economia total durante 2017 foi da ordem de € 325.000.
Reis confirma que o uso de fabricação aditiva da Volkswagen Autoeuropa se estende muito além da área de aplicação original da tecnologia de "prototipagem rápida". No entanto, existe, ele admite uso da tecnologia para aplicações de prototipagem mais convencionais na empresa. “Utilizamos a impressão 3D para testar antecipadamente qualquer peça proveniente de uma alteração de engenharia”, afirma. Mas Reis acrescenta que a mesma abordagem é usada para testar elementos de novos equipamentos de produção destinados ao uso na fábrica. “Apoiamos colegas do departamento de planejamento de impressão 3D de componentes críticos de equipamentos a serem instalados na linha de produção”, explica ele. Como tal, ele finalmente considera que uma avaliação adequada sobre o potencial das técnicas aditivas em um ambiente de manufatura exige que essa terminologia inicial seja agora considerada efetivamente redundante. Dizendo de forma simples, atualmente "a palavra 'protótipo' é uma propaganda ruim para a impressão 3D."
