Forte, rígida e leve, estas propriedades tornam o ferramental para peças compostas uma proposição atraente como apoio de fabricação e de produção
Para formação de chapa de metal, matrizes de resina epóxi foram utilizadas pela primeira vez na década de 1950. Estas eram muitas vezes preenchidas com pó de aço ou areia para aumentar a sua resistência ao desgaste e propriedades mecânicas. O enchimento com poliuretano (PU) começou a ser utilizado na década de 1970. Mais recentemente, poliamidas de alto desempenho (APPs) foram empregados. Estes termoplásticos reforçados com fibras de vidro e vários agentes de preenchimento melhoram a resistência ao desgaste, resistência mecânica e de lubrificação. Essas matrizes são produzidas de forma mais rápida e mais barata do que os seus homólogos metálicos. Apesar destas vantagens, matrizes de polímero compostas apresentam menos força em comparação aos materiais de matrizes convencionais. Além disso, devido ao fato de que os mecanismos pelos quais elas falham não são completamente compreendidas, matrizes são ainda concebidas com base na experiência e intuição, muitas vezes utilizando as regras de design estabelecidas para as matrizes de metal. Tudo isto significa que a utilização de moldes de formação composta esteve em sua maior parte restrito à produção de pequenos lotes e a fabricação de peças de protótipo.
Tomando uma abordagem composta
No entanto, a "abordagem composta" para a construção de ferramentas de metal de modelagem - utilizando o material certo no lugar certo - está ganhando força e dando frutos consideráveis para aqueles que optam por adotá-lo.
Na sua oficina de prensa em Ingolstadt, Alemanha, a Audi tem usado métodos de construção de multi-materiais para produzir ferramentas que alega que são até 20% mais leves e 10% mais estáveis do que as alternativas convencionais.
As ferramentas de prensa convencionais são feitas de ferro fundido e podem pesar até 45t. Através do uso seletivo de ferro fundido, alumínio e plásticos - e técnicas, tais como fabricação aditiva - a Audi reduziu o peso dessas ferramentas em até 8t.
Além disso, o fabricante de automóveis melhorou a estabilidade das ferramentas, alterando a sua concepção fundamentalmente em comparação a de seus antecessores. Na prensa, a ferramenta é sujeita a forças de até 2,500t. Esse estresse é aumentado pela repetição constante de formação ou operações de corte. A fim de ser capaz de suportar, ferramentas convencionais apresentam ferro fundido cruzado com nervuras, cuja configuração está adaptada às peças de chapa de metal a serem produzidas.
Nas ferramentas leves da Audi, formas arqueadas na sua estrutura de base conferem um elevado nível de estabilidade e, portanto, melhoram a transmissão de forças. Algumas destas formas são derivadas da natureza e assemelham-se a folhas ou ossos de um esqueleto humano, por exemplo. Isso garante uma boa rigidez e reduz a quantidade de material necessário para produzir as ferramentas em cerca de 20%.
Melhorando a eficiência de ferramentas
A Audi diz que as novas ferramentas permitem o processamento mais rápido e mais preciso da folha de metal e são sujeitas a menos desgaste. No total, a montadora afirma ter conseguido uma economia de energia de mais de 10% através da utilização destas ferramentas.
"A fibra de carbono é ideal porque melhora o desempenho de processo ao reduzir dramaticamente desvio, vibração e possui um peso leve" - Toni Roda, ABB Robotics
O chefe da ferramentaria da Audi, Michael Breme, diz: "Com esta construção leve e composta, estamos estabelecendo novos padrões para fabricação de ferramenta na Audi. Isso nos permite produzir ferramentas ainda mais flexíveis e mais eficientes com a mais alta qualidade e para otimizar ainda mais nossos processos de fabricação."
Compósitos poderiam ter um potencial significativo para a produção de gabaritos. Este potencial é ilustrado pelo primeiro guia de carbono reforçado com fibra (CFRP) a ser utilizado na América do Norte, que foi utilizado para instalar o capô do Ford Mustang a cerca de dez anos atrás.
O pesquisador chefe do projeto no Western Washington University Vehicle Research Institute (VRI), Eric Leonhardt diz: "Na época, nós construímos o nosso guia e eu estava ciente de uma outra aplicação no Reino Unido na qual uma ferramenta composta foi utilizada em montagem de automóveis."
No que era conhecido como a fábrica Auto Alliance International (AAI) em Flat Rock, Michigan, a equipe de lançamento Ford Mustang planejava usar um guia de de tubo quadrado soldado para apoiar o capô e alinhá-lo ao veículo.
Tornando as ferramentas mais leves
No entanto, este guia pesava 16,8kg e estava claro que um único operador o utilizando estaria levantando mais do que o limite de peso recomendado para um turno de oito horas. Um equilíbrio de sobrecarga poderia ser empregado para contornar este problema, mas isso exigiria capital adicional significativo para ser investido na estação de montagem e atrasaria a operação de instalação de capô - aumentando a chance de que o operador não o utilizaria.
Em resposta a estes problemas, a equipe VRI desenvolveu um guia leve que compreende uma seção de centro de carbono pré-fabricada com núcleo de aramida com em formato de favo de mel com duas peças finais de alumínio forjado ligadas uma a outra pela extremidade. Esta base inicial pesava apenas 3 kg. Características de localização de alumínio foram em seguida adaptadas a esta estrutura, aumentando o peso do guia para cerca de 5,4 kg - leve o suficiente para ser manipulado por um único operador, sem qualquer assistência.
Desde a sua introdução em 2006, centenas de milhares de veículos foram produzidos através deste guia de exaustor composto.
A empresa sueca TETRAFIX desenvolveu um sistema para construir quadros de fixação modulares complexos, de tubos de CFRP. O uso de um design de quadro reduz a quantidade de material necessário para fabricar o acessório - mantendo tanto o peso como os custos. A empresa alega que as estruturas resultantes são extremamente fortes e estáveis.
A baixa massa dos aparelhos significa que eles são fáceis de se movimentar; acessórios mais pesados da empresa - para a lateral completa de carroceria de carro - pesa apenas 40-60kg. A maioria destes acessórios são leves o suficiente para transportar e as partes maiores são todas equipadas com rodas - eliminando a necessidade de guindastes e outros equipamentos de trabalho pesado na sala de medição, e reduzindo o tempo necessário para mudá-los, em comparação às alternativas metálicos convencionais.
Redução da necessidade de calibração de dispositivo elétrico
Além disso, CFRP demonstra expansão térmica, o que significa que a geometria dos acessórios não se alteram em resposta ao clima - as dimensões dos tubos são constantes no chão da fábrica conforme elas estão em um ambiente de medição de temperatura controlada. Isto reduz o número de vezes que os acessórios necessitam ser calibrados.
Partes do TETRAFIX já estão em uso na Volvo e a empresa recebeu recentemente encomendas da Alemanha e da China. A TETRAFIX também lançou CFRP ferramental de fim-de-braço (EOAT) para aplicações de estamparia de metais e moldagem de plástico.
Carbon fibre-reinforced (CFRP) jig used to install the bonnet of the Ford Mustang
Composite tooling could be produced using additive manufacturing as this technology broadens in applicationA ABB começou a trabalhar com a CFRP EOAT em 2008. Toni Roda, gerente de portfólio - soluções de prensa de automação da ABB Robotics, diz: "A fibra de carbono é ideal porque melhora o desempenho do processo, reduzindo drasticamente a deflexão e vibração, e é leve. Suas propriedades mecânicas avançadas também permitem a concepção de ferramentas mais leves e mais duros de extremidade do braço que pode processar peças pesadas em altas velocidades.
Muitas aplicações robóticas, tais como automação de prensa, processamento de materiais e peças de montagem estão usando ferramentas de fibra de carbono. Isto é devido em grande parte ao fato de que os processos de fabricação são cada vez mais automatizados, simplificado e o custo da matéria-prima estão caindo."
Com um comprimento de 1,450 milímetros, o CFRP Boom da ABB é uma extensão do braço do robô e permanece preso ao pulso do robô durante trocas de produção. É capaz de produzir pesos de até 100kg. Braços CFRP da ABB podem ser usados com robôs de tanto 6 como 7 eixos. Componentes de alumínio podem ser ligados às ferramentas de CFRP usando sistemas de mudança rápida, permitindo-lhes ser adaptado para o tratamento das peças diferentes.
Roda diz: "As vantagens de ferramentas de fibra de carbono podem ser resumida em três palavras: leve, rígida e resistente. Além disso, geometrias complexas com excelentes propriedades mecânicas podem ser facilmente produzidas graças às mais recentes tecnologias de fabricação."
Essas ferramentas podem ser utilizadas como um substituto para ferramentas convencionais. Roda conclui: "O design do nosso ferramental de fibra de carbono considera a compatibilidade do equipamento instalado. A maior parte dos componentes podem ser reutilizadas. Na ocasião, alguns componentes estruturais podem precisar ser substituídos."
A fabricação aditiva desbloqueia potencial
Talvez o verdadeiro potencial de compósitos na fabricação de ferramentas poderia ser desbloqueado por aditivo de fabricação. Uma vez limitado à produção de itens relativamente pequenos, vários desenvolvimentos recentes apontam para a fabricação rápida e rentável de ferramentas grandes, ferramentas leves usando a tecnologia.
Por exemplo, um compósito tridimensional (3D) de ferramenta de guarnição e-broca recebeu o título de "maior pressa sólida 3D" pelo Guinness World Records. O comprimento de 5,3 com largura de 1,7m e altura de 0,5m foi impresso em 30 horas utilizando carvão acrilonitrilo butadieno estireno reforçado com fibra (ABS) pelo Oak Ridge National Laboratory (ORNL) e será testado pela Boeing na construção de seu avião 777X de passageiros.
A Stratasys, por sua vez, revelou o seu Infinite-Build 3D Demonstrator, que imprime em um plano vertical, permitindo tamanho praticamente ilimitado de peça no sentido de construção, a empresa alega.
A Ford avaliará essa nova tecnologia e disse que uma das aplicações imediatas que está explorando é a ferramental. A tecnologia poderia permitir reduções significativas nos prazos para ferramental grandes e complexas, o que permitiria mais tempo para a otimização de veículos no ciclo de desenvolvimento.
Além disso, a Stratasys diz que a capacidade de produzir equipamentos de inspeção e montagem grandes e complexa no local poderia melhorar a qualidade dos veículos e a segurança dos operários no chão de fábrica.
