O design da ferramenta impressa em 3D imita formas orgânicas encontradas na natureza
(29/01/2023) – Após o bem-sucedido desenvolvimento de uma ferramenta para furação impressa em 3D para usinar componentes de veículos elétricos, lançada no início de 2022, a Kennametal projetou uma ferramenta inovadora para usinar caixas de transmissão também por impressão 3D. A ferramenta para mandrilar (stator bore tool), desenvolvida para a Voith, tem peso 45% menor e reduz o tempo de usinagem em aproximadamente 50%.
De acordo com a Kennametal, à medida que os componentes para o setor de transportes se tornam cada vez mais sofisticados e os requisitos mais rigorosos, os fabricantes precisam de soluções de ferramentas complexas para usinar essas peças. “Isto representa um desafio, porque essas ferramentas tendem a se tornar muito pesadas para uma operação eficiente em centros de usinagem, trocadores de ferramentas e magazines de ferramentas. Os operadores de máquinas também podem ter dificuldade em manusear a ferramenta”, explica a empresa.
Ainda segundo a empresa, a recente colaboração com a Voith, desenvolvedora de tecnologias de acionamento, demonstra como a impressão 3D, ou manufatura aditiva, oferece um caminho para novas soluções de ferramentas mais leves que superam esses desafios enquanto melhoram a produtividade e a eficiência.
Qual era o desafio? – Usinagem múltipla, tolerância estreita, furos de grande diâmetro com os centros de usinagem já existentes na fábrica do cliente.
A Voith queria uma solução inovadora para otimizar ainda mais seus processos de usinagem para carcaças de transmissão. Precisava de uma ferramenta multiestágio capaz de usinar vários furos em uma operação para atingir as tolerâncias exigidas. A ferramenta também precisava ter duas arestas de corte efetivas nos diâmetros principais para atingir o tempo de ciclo especificado. Por fim, a ferramenta tinha que pesar menos de 12 kg para atender aos requisitos de troca de ferramenta e momento de inclinação na corrente de ferramenta.
“A usinagem de acabamento de uma caixa de alumínio grande com furos múltiplos de até 350 mm e grau de tolerância IT7 é uma aplicação exigente”, disse Werner Penkert, gerente de engenharia de produto da Kennametal. “Para usinar esses furos grandes com tolerâncias tão apertadas, precisamos de ferramentas muito rígidas, o que normalmente significa ferramentas pesadas. Quando fabricada utilizando métodos convencionais, uma solução típica de ferramentas para este tipo de aplicação pode pesar até 25 kg, o que é muito elevado para as máquinas existentes ou para os operadores”.
Interessada na maneira como a Kennametal aproveitou a impressão 3D para produzir uma ferramenta de estator mais leve para usinagem de veículos elétricos, a equipe da Voith procurou a empresa em busca de uma solução. “A abordagem inovadora da Kennametal com a impressão 3D nos entusiasmou e nos inspirou a trilhar esse caminho juntos”, diz Friedrich Oberländer, diretor de Tecnologia de Produção da Voith.
Da mesma forma que com a ferramenta de furo do estator, a Kennametal aproveitou sua experiência em fabricação aditiva de metal – dentro do conceito de projeto generativo – para atender aos exigentes requisitos da Voith.
Com a fabricação subtrativa convencional, o peso é reduzido pela remoção do excesso de material. Mas, com a impressão 3D, os fabricantes podem começar do nada e colocar o material apenas onde for necessário, resultando em geometrias mais leves e complexas, impossíveis por meio de processos de fabricação convencionais.
DESIGN GENERATIVO – Para aproveitar totalmente a liberdade de design do processo aditivo, a Kennametal usou o design generativo – um processo iterativo que otimiza o design de peças impressas em 3D para atender a um conjunto específico de restrições da aplicação. O processo de design generativo geralmente resulta em formas orgânicas complexas que lembram estruturas encontradas na natureza.
No caso da ferramenta Voith, o projeto generativo abordou diretamente as forças de usinagem na ferramenta, permitindo que a Kennametal projetasse uma solução otimizada para estabilidade, rigidez, balanceamento e fornecimento de refrigerante – com um peso de apenas 11,5 kg.
A Kennametal aplicou sua experiência não apenas na manufatura aditiva, mas também na usinagem para produzir a ferramenta. Os bolsões da ferramenta são usinados com precisão e projetados para serem usados em combinação com a comprovada tecnologia de pastilhas RIQ da Kennametal.
“O processo aditivo é mais um em nossa “caixa de ferramentas”, já que também aplicamos nossa profunda experiência em usinagem de precisão para desenvolver a nova solução, permitindo abordar com eficiência os desafios de mandrilar furos profundos em conjunto com vários diâmetros grandes”, observa Penkert.
Redução de 50% no tempo de usinagem – Trabalhando em estreita colaboração com a Voith, a Kennametal fabricou um protótipo da ferramenta e o colocou em teste em seu centro de demonstração em Fürth, Alemanha – parte de uma rede global de centros de teste e demonstração onde a empresa trabalha com clientes para projetar, iterar e validar a usinagem soluções.
Essa solução foi particularmente desafiadora para atender aos requisitos de fabricação e qualidade das peças. Simulação de projeto, manufatura aditiva e testes práticos no centro de demonstração permitiram à equipe validar os resultados da usinagem. A Voith então conduziu os primeiros testes no local, seguidos por testes de longo prazo na produção em série. Outros requisitos do cliente foram implementados e a ferramenta foi aperfeiçoada e finalizada em conjunto.
“A ferramenta da Kennametal apresentou excelente qualidade e desempenho desde o primeiro uso, alcançando redução de 50% no tempo de usinagem, enquanto ainda atende aos requisitos de precisão e acabamento superficial. Além disso, o peso reduzido limita a carga no magazine, no trocador de ferramentas e no fuso, reduzindo efetivamente os custos de manutenção”, disse Oberländer. “Nossa colaboração com a Kennametal mostra claramente o enorme potencial de inovação da manufatura aditiva quando aplicada em tal parceria cooperativa.”