Embora a fabricação de aditivos não seja nova, as últimas técnicas estão oferecendo aos OEMs mais opções para seu usoAdditive manufacturingO uso de peças fabricadas de forma aditiva em veículos é agora excepcional, se ainda não penetrante, pelo menos no espectro mais elevado do mercado, caracterizado por baixo volume e alto preço de compra. Mas existem outros usos para técnicas aditivas, além da produção final parcial e sua área de aplicação original de prototipagem rápida. Algo que está em progresso há algum tempo é a fabricação de ferramentas de produção, tanto dispositivos portáteis para trabalhadores da oficina como acessórios para equipamentos como robôs.

Alissa Wild, gerente de engenharia de ferramentas de fabricação do fornecedor de sistemas de fabricação de aditivos Stratasys, com sede em Minneapolis, Minnesota, diz que esta área de aplicação é "subestimada", mas isso está começando a mudar. Wild identifica uma série de razões pelas quais materiais e técnicas aditivas são usadas para fabricação de ferramentas de produção. Uma delas é que os dispositivos fabricados por esses meios provavelmente serão menos caros do que aqueles feitos pelo método convencional de usinagem de controle numérico por computador (CNC). Mas outros benefícios, ela explica, são mais qualitativos - e, sem dúvida, mais valiosos em sua contribuição para a eficácia da fabricação.

O processo aditivo camada por camada em si é bastante lento, mas as vantagens de tempo podem ser obtidas de outras maneiras, por exemplo, através do uso de equipamentos aditivos internos que podem ser deixados sem vigilância para fazer peças da noite para o dia. Outro benefício é a facilidade de personalização para requisitos específicos, obviamente, se as peças forem montadas em um dispositivo manual para manipulação de componentes na oficina. Como afirma Wild, tais dispositivos podem ser feitos para se adequar às características físicas dos indivíduos, incluindo o tamanho da mão.

“O uso do FDM nos proporciona uma maior liberdade de design independentemente da complexidade da peça, permitindo-nos aperfeiçoar os projetos com antecedência e tem um impacto significativo em nosso tempo de resposta. No caso do bocal de lubrificação, reduzimos nosso tempo de entrega em 70%” – Carlo Cavallini, GKN Driveline

GKN

Em Florença, na Itália, a GKN usou a fabricação de aditivos para fabricar equipamentos, incluindo um dispensador de graxa, economizando tempo

Além disso, se um polímero aditivo for usado em vez de metal usinado, também pode haver oportunidades de economia significativa de peso no dispositivo final - de até 90%, de acordo com Wild. Um dispositivo portátil que, de outra forma, poderia pesar talvez 20 libras poderia ter apenas 2-3 libras se feito por uma técnica aditiva, levando a melhorias consideráveis na eficiência ergonômica, eficácia processual saúde e segurança. Uma qualidade adicional, aparentemente trivial, mas de fato bastante útil, é que os dispositivos impressos podem ser feitos em cores diferentes, ajudando um trabalhador da montagem a selecionar a ferramenta certa pela primeira vez.

GKN vê lindos resultados em Florença

Uma empresa que explora o potencial da fabricação de aditivos é a GKN Driveline, que usa a tecnologia em sua fábrica em Florença, Itália, onde produz componentes de arrastamento para juntas de velocidade constante para as operações italianas da Fiat Chrysler Automobiles, bem como montagem do sistema completo. Até recentemente, a planta produzia ferramentas próprias de seus próprios recursos internos de usinagem CNC ou de fornecedores externos, mas essa forma de trabalhar tornou-se cada vez mais perceptível como ineficiente e dispendiosa.

De acordo com Carlo Cavallini, especialista em fabricação de aditivos e líder de equipe em Florença, "um tempo de resposta de duas a três semanas" poderia ser necessário quando a fabricação de ferramentas for terceirizado. "Isso atrasaria nossa capacidade de realizar análise de viabilidade de uma nova ferramenta de produção, que é essencial para a operação de nossa linha de montagem", diz ele. As implicações não foram limitadas à própria planta. "Deveria ser necessária uma programação para a ferramenta, isso aumentaria ainda mais nossos tempos de entrega e causaria um efeito decisivo em toda a cadeia de suprimentos", afirma.

A empresa optou por fabricação de aditivos como solução no local e comprou uma impressora 3D de modelagem de deposição condensada Fortus 450mc (FDM) da Stratasys. Os resultados foram muito positivos e, em alguns casos, quantificáveis. Por exemplo, um dispensador de graxa era apenas um tubo flexível simples através do qual o óleo era forçado a um único ponto dentro de uma articulação do eixo de transmissão, um procedimento propenso a derramamentos que exigia uma limpeza manual demorada e poderia causar interrupções dispendiosas na produção. A solução envolveu imprimir um dispensador com múltiplas válvulas internas no material termoplástico Ultem 9085 da Stratasys, que melhorou a distribuição de graxa e os derramamentos foram erradicados.

"O uso do FDM nos proporciona uma maior liberdade de design independentemente da complexidade da peça, permitindo-nos aperfeiçoar os projetos com antecedência e tem um impacto significativo em nosso tempo de resposta", explica Cavallini. "No caso do bocal de lubrificação, reduzimos nosso tempo de entrega em 70%. Isso tem sido crucial para racionalizar o ciclo de produção do meio eixo, o que nos permite fornecer essas peças aos clientes mais rápido do que antes."

Correndo para peças de aditivos

McLaren MCL32 Honda; copyright Glenn Dunbar/McLaren O carro 2017 MCL32 F1 usava peças fabricadas aditivamente, incluindo um suporte de linha hidráulica e um arnês de rádio

A temporada de Fórmula 1 deste ano tem visto um uso altamente inovador de fabricação de aditivos: uma máquina de trilha para fazer componentes para carros de corrida nos dias imediatamente anteriores a um evento. A máquina era uma impressora uPrint SE Plus FDM 3D da Stratasys, que a equipe McLaren F1 usava para fabricar peças pequenas para atender às necessidades identificadas durante os testes pré-corrida - uma escala de tempo que, de outra forma, seria difícil de conseguir devido à distância entre muitas faixas de F1 e a base da equipe em Woking, no Reino Unido.

O outro elemento chave subjacente à capacidade foi a comunicação instantânea, uma vez que a máquina faz peças usando dados de design gerados em Woking que são transmitidos pela internet; a configuração é efetivamente uma implementação em miniatura da Indústria 4.0. A máquina usa um material plástico de tipo ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) para fazer peças como seções de perfil aerodinâmico que não são altamente carregadas.

Mas essa máquina peripatética é apenas parte da história. No Reino Unido, a McLaren F1 agora opera mais dez máquinas de aditivos Stratasys - oito FDM e duas usando a técnica PolyJet menos complexa - em parceria com o fornecedor de equipamentos que começou em janeiro deste ano.

De acordo com a McLaren, o seu carro 2017 MCL32 F1 usou várias peças de aditivos, incluindo um suporte de linha hidráulica feito de um material de nylon reforçado com fios de fibra de carbono e um arnês de rádio feito de um material semelhante a uma borracha. Esses exemplos ilustram as capacidades contrastantes das técnicas FDM e PolyJet; a capacidade de fazer, respectivamente, peças rígidas, resistentes e componentes altamente flexíveis. A McLaren também usou a técnica PolyJet para imprimir peças multicoloridas para produzir fac-símiles de volantes integrados e painéis de controle, permitindo que seus motoristas comentem fatores ergonômicos, como a facilidade com que podem acessar interruptores.

Outro uso da técnica FDM tem sido a produção de ferramentas de moldagem para a fabricação de componentes feitos de materiais compósitos reforçados com fibra de carbono em prateleiras altamente compactadas. Por exemplo, apenas três dias foram necessários para criar uma ferramenta de 900mm de largura capaz de suportar a temperatura da autoclave de 177°C, o que é necessário para produzir uma aba de asa traseira completa.

Amos Breyfogle, engenheiro principal da Europa, Oriente Médio e África para a Stratasys em Baden-Baden na Alemanha, diz que o que a McLaren está fazendo é "empurrar os limites" da tecnologia aditiva. A capacidade de fazer alças reforçadas com fibra de carbono diretamente por meio de aditivos, por exemplo, substitui totalmente a sequência anterior de usinagem de uma ferramenta de molde de metal, com o material sendo colocado manualmente, curando e depois cortado. Em vez disso, ele relata, o tempo de design na tela para peça em mãos agora é apenas "duas horas e meia".

A máquina de impressão também se mostrou útil quando percebeu que faltava um suporte de cabo de um robô recém-entregue. "Os suportes impedem que os cabos interfiram com o movimento do robô e, sem esse suporte, a funcionalidade da máquina não pode ser garantida", diz Cavallini. Assim, a máquina aditiva foi usada para imprimir uma substituição, e o que foi concebido como uma solução temporária mostrou-se surpreendentemente eficaz. "O suporte impresso em 3D excedeu nossas expectativas em termos de desempenho e praticidade", confirma Cavallini ."Nós poupamos pelo menos uma semana em comparação a espera de receber a peça do fornecedor". O serviço que a impressora 3D forneceu neste caso não era simplesmente uma peça de reposição, mas a continuidade do negócio.

Agora, a empresa está na fase de testes para novas soluções aditivas para problemas de fabricação, onde a facilidade de personalização é crucial. Isso inclui anexos robóticos robustos para lidar com componentes na linha de produção. Os efetores finais anteriores não eram apenas difíceis de processar, mas, devido às limitações da usinagem CNC, podiam até mesmo ser impróprios para tais fins. As técnicas aditivas permitem a produção de ferramentas personalizadas de fim de braço para caber diversas peças individuais.

Além das economias de tempo substanciais, Cavallini diz que o valor central da impressão FDM 3D é a sua capacidade de melhorar drasticamente o desempenho do negócio. Ele conclui: "A impressão 3D nos permite superar as barreiras tradicionalmente associadas à usinagem CNC, oferecendo-nos a capacidade de realizar nossos projetos mais complexos, bem como imprimir ferramentas sob demanda e sob medida. Esses recursos nos permitem aprimorar a flexibilidade do nosso workbench, otimizar o fluxo de trabalho e eliminar os custos baixos da linha de produção."

BMW Os protetores de polegares foram um exemplo precoce de ferramentas aditivamente fabricadas usadas na BMW

BMW acredita na tecnologia aditiva

Imaginando o fato de que as tecnologias aditivas têm sido usadas por algum tempo na indústria automotiva, há dois anos a BMW comemorou o 25º aniversário de sua primeira incursão na tecnologia. Agora, o foco das atividades do OEM é em Munique, onde opera um centro de fabricação de aditivos; uma instalação dedicada ao desenvolvimento de aplicativos, prototipagem e fabricação direta, bem como suporte para atividades relevantes em outros lugares dentro do grupo.

O chefe do centro é Jens Ertel, que confirma que essas atividades envolvem vários tipos diferentes de técnicas aditivas, incluindo FDM e derretimento seletivo por laser de pó metálico. Este último já foi usado para fazer um componente para um veículo de produção em estrada: uma roda de bomba de água de alumínio para uso no evento German Touring Car Masters e também em veículos de corrida personalizados. A produção dessas peças começou em 2010 e a unidade de número foi feita em 2015.

Caso contrário, o único uso regular de peças aditivas em veículos rodoviários em qualquer parte do Grupo ocorre na marca Rolls-Royce. Desde 2012, os veículos Phantom II utilizou várias peças pequenas fabricadas aditivamente, incluindo os suportes para botões de bloqueio central e luzes de aviso de perigo; mais de 10 000 dessas peças foram feitas em meados de 2016. Os suportes de montagem para cabos de fibra óptica no Rolls-Royce Dawn foram adicionados a esta lista no mesmo ano. Esses dois veículos foram escolhidos como pioneiros, explica Ertel, principalmente porque seus pequenos volumes de produção tornaram o uso de fabricação de aditivos economicamente viável.

No entanto, a produção de peças fabricadas de forma aditiva do centro de Munique, que emprega cerca de 50 indivíduos, é bastante considerável: cerca de 100 mil peças por ano. Ertel diz que eles são usados predominantemente para a aplicação aditiva tradicional de prototipagem rápida, mas também para a produção de outros itens para suportar operações de fabricação, incluindo gabaritos e acessórios, além de dispositivos para uso do pessoal de oficina.

Uma localização do Grupo BMW que possui uma instalação significativa de equipamentos aditivos, principalmente FDM, é Regensburg, na Alemanha, onde a ênfase está na produção de gabaritos e acessórios para uso tanto na planta quanto em outros lugares. Outra é a fábrica em Spartanburg, Carolina do Sul. Ambas as instalações são conectadas ao centro de Munique para que possam atuar como recursos de fabricação suplementares se o equipamento em Munique estiver em capacidade.

O uso da BMW de auxiliares fabricados aditivamente para o pessoal da oficina agora está bastante difundido, de acordo com Ertel. Um dos primeiros exemplos foi um protetor de polegar fabricado precisamente para atender a cada trabalhador da montagem, cujos detalhes físicos foram registrados por um scanner 3D. Os dispositivos suportam uma operação de montagem na qual os tampões de borracha são pressionados manualmente, por exemplo, para vedar orifícios de drenagem para a pintura. O material utilizado é um pó de poliuretano termoplástico, que é seletivamente fundido por um laser de CO2.

Rumo a um plano mais alto

Ertel indica que a expansão adicional de aplicações de aditivos em carros provavelmente dependerá da introdução de técnicas mais rápidas que tornem mais viáveis as taxas de produção. Tais técnicas já estão, ele acrescenta, sendo exploradas; a BMW está investigando o potencial de uma nova geração de tecnologias "planares", que são caracterizadas pela sua capacidade de curar a superfície completa de uma camada de pó ou resina simultaneamente em vez de sequencialmente pelo rastreamento de um único raio laser.

Para esta abordagem planar, a BMW trabalhou com dois fornecedores de tecnologia, embora de maneiras bastante diferentes. Um deles é o gigante da tecnologia Hewlett-Packard (HP) e o outro um recém-chegado muito menor chamado Carbon, com sede nos EUA. No processo Multi-Jet Fusion da HP, os materiais em pó de poliamida são pulverizados com agentes de fusão e detalhamento antes de serem submetidos a radiação infravermelha. A técnica de Carbono, conhecida como CLIP (produção contínua de interface líquida), inverte essa abordagem, expondo a parte inferior completa de um tanque de material de poliuretano líquido a um feixe para que as camadas sucessivas sejam curadas.

Mini BMW usou tecnologia de carbono para fazer indicadores laterais individualizados para 100 Minis em uma frota de aluguel de carros

Ertel diz que a BMW vem investigando essas novas técnicas nos últimos anos e que a tecnologia Carbon já foi implantada em uma aplicação de cosméticos de curta duração. No ano passado, foi usado para produzir indicadores laterais individualizados para 100 BMW Minis, em uma frota alemã de aluguel de carros após uma campanha nacional de mídia social na qual pessoas sugeriram nomes para eles.

Na BMW, o potencial a longo prazo da abordagem planar é tido como considerável. Ertel diz que, dependendo do tamanho da peça e da complexidade geométrica, uma técnica adequada poderia aumentar a produtividade por um fator de cinco a dez em comparação aos exemplos de hoje, bem como diminuir o custo, embora ele não tenha dado uma estimativa.

Ele confirma que a BMW está agora "na fase de qualificação", verificando fatores como a "qualidade e reprodutibilidade" que o método pode alcançar. Ertel diz que, como com técnicas aditivas mais estabelecidas, "queremos trazê-las em nossas atividades de prototipagem primeiro". Ele não sugerirá uma escala de tempo para a introdução da tecnologia nos processos de fabricação da BMW, além de dizer que, para um volume de produção significativo, "não será antes da próxima década."

Entretanto, a Ertel diz que outro tipo de nova tecnologia aditiva agora nas vistas da BMW é "desktop metal", no qual uma pasta é aplicada a um pó de metal e a parte resultante é curada em um forno de micro ondas. Uma cooperação com a empresa com sede nos EUA, da qual a tecnologia se chama, Desktop Metal, já está em andamento. Em suma, a atitude da BMW em relação às tecnologias aditivas é ampla. "Nós acreditamos na fabricação aditiva desde o início e continuamos empenhados em trazer os benefícios para aplicações de clientes", afirma Ertel.

Topics