Impressão 3D de peças, acessórios e outras ferramentas

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Impressão 3D de peças, acessórios e
outras ferramentas de manufatura
Como conseguir uma extrema redução de tempo e custo, tornando suas
ferramentas de manufatura personalizadas através da fabricação aditiva.
Por Joe Hiemenz, Stratasys, Inc.
Os objetivos fundamentais da fabricação —
melhorar a qualidade, diminuir o tempo de produção
e reduzir os custos — são os principais motivos por
que as peças e acessórios são tão abundantes. Não
importa se a operação é totalmente automatizada
ou inteiramente manual; as peças e os acessórios
são implantados ao longo de operações de
manufatura com o objetivo de reduzir custos,
enquanto os processos de produção são
acelerados.
Quando expandida para além de peças e acessórios
para incluir todas as ferramentas de manufatura que
servem como auxílio operacional, esses processos
são ainda mais difundidos. Eles variam de
escaninhos e porta-ferramentas para 5S (uma
metodologia de organização no local de trabalho) até
modelos, moldes e medidores. Incluem sofisticados
terminais robóticos (garras) e bandejas rudimentares,
escaninhos e classificadores para organização e
transporte. Não importa o nome, a descrição ou a
finalidade da aplicação, as ferramentas de
manufatura aumentam os lucros e a eficiência,
mantendo a qualidade.
Apesar de as ferramentas de manufatura estarem
bastante difundidas, muitas fábricas não usam essas
ferramentas em todo o seu potencial. Fabricá-las
leva tempo, dá trabalho e custa dinheiro. Para
aproveitar melhor os recursos limitados, há uma
opção: a fabricação aditiva. Ela é simples e
automatizada, rápida e barata. Isso permite que você
implemente mais peças e acessórios, ao mesmo
tempo em que ganha a capacidade de otimizar seu
desempenho.
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SUPERANDO OBSTÁCULOS
Ao simplesmente substituir seus métodos atuais
pela fabricação aditiva para produzir peças e
acessórios, você pode reduzir seus custos e
acelerar a entrega. Somente por esses fatores, os
sistemas de fabricação aditiva justificam-se
facilmente, com curto prazo de retorno. Porém,
este não é o maior impacto sobre os resultados. A
fabricação aditiva reduz o limiar para que se
justifique a produção de uma nova ferramenta, o
que lhe permite lidar com necessidades não
satisfeitas durante todo o processo de produção.
Se você olhar ao redor do chão de fábrica, na área
de montagem e no laboratório de controle de
qualidade, quantas novas oportunidades
encontraria para uma peça ou acessório? Qual
seria o seu valor? Poderia ser:
• reduzir desperdícios e retrabalho?
• diminuir o tempo de mão de obra direta?
• melhorar a produtividade do processo?
• melhorar o controle do processo e a
repetitividade?
E em relação aos resultados, quanto lucro a mais a
empresa obteria?
E o que é mais importante: por que essas peças ou
acessórios não estão sendo usados nessas
operações, atualmente, se têm valor?
Provavelmente, elas não eram justificáveis.
Embora haja uma vantagem em se ter uma peça
ou acessórios, o retorno sobre o investimento não
era grande o suficiente para justificar o esforço.
Você poderia achar que seu tempo e dinheiro eram
mais bem gastos em outros lugares.
Uma vez que nunca há tempo suficiente ou
dinheiro no orçamento para fazer tudo o que você
gostaria de fazer, a fim de tomar a decisão de
produzir uma ferramenta de manufatura, deve-se
estabelecer prioridades para:
• os processos que não são possíveis sem
uma peça ou acessórios
• as necessidades mais óbvias e urgentes
• as maiores ameaças e os problemas mais
prováveis
• aquilo que for mais rápido para implementar
e produzir resultados
• aquilo que for mais fácil de ser implementado
Decidir onde e quando usar uma peça ou
acessório não é diferente de qualquer outra
decisão diária que tomamos. Uma ação é
realizada quando o valor supera o
investimento ou o caminho oferece pouca
resistência.
A fabricação aditiva reduz o limiar de se ter que
justificar o investimento por aumentar seu
retorno e diminuir os obstáculos entre uma boa
ideia e uma solução. Isso acontece por
simplificar o processo, reduzir os custos e
diminuir o tempo de desenvolvimento.
Quando se utiliza a modelagem de deposição
fundida (FDM - Fused Deposition Modeling)
como a abordagem de fabricação aditiva para
produzir as peças e os acessórios, o processo
tem apenas três etapas: preparar o arquivo
CAD, construir a ferramenta e o pósprocessamento. Ao contrário dos métodos de
fabricação convencionais, a FDM requer pouca
experiência e trabalho direto mínimo.
Em muitos casos, as peças e os acessórios são
fabricados com apenas 15 minutos de
dedicação ao trabalho. E o mais importante,
eles são fabricados com pouco treinamento
sobre como funciona o processo e sem
necessidade de experiência prévia. No conjunto,
isto faz da FDM uma opção ideal de "selfservice" para as peças e os acessórios. De
acordo com Natalie Williams, Gerente de
Qualidade de Produtos da Thogus, uma
empresa de moldagem por injeção,
especializada na fabricação de materiais de
volume com alto nível de engenharia, "É muito
mais fácil para mim, modelar um acessório e
imprimi-lo eu mesma do que projetá-lo e fabricálo através de usinagem externa".
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Para a Thogus, a fabricação
aditiva é fácil e rápida. "Para um
dispositivo CMM de 12
cavidades, o prazo de execução,
se terceirizado, seria de 7 a 10
dias. Eu o fabriquei durante a
noite", ela diz. Fabricantes que
usam impressoras 3D FDM para
criar ferramentas de manufatura
personalizadas, muitas vezes,
observam uma redução no
tempo de desenvolvimento de
40% a 90%. A fabricação aditiva
também pode aumentar o
retorno sobre o investimento,
substancialmente, reduzindo o
custo de uma peça ou ou
acessório. Normalmente, as
empresas conseguem
economias de 70% a 90% se
comparados aos dispositivos
que são usinados ou fabricados
por terceiros. Para o dispositivo
de 12 cavidades da Thogus, a
economia foi de 87%. “A oficina
terceirizada queria 1.500 dólares
pelo dispositivo. Eu o fabriquei,
gastando menos de 200 dólares
em materiais,” diz Williams.
Ao tornar o processo de
fabricação de ferramenta mais
rápido e mais acessível, a
fabricação aditiva aumentará o
número de peças, acessórios e
outras ferramentas de
manufatura, que irão melhorar
os resultados. A fabricação
aditiva também pode otimizar o
desempenho na produção de
ferramentas. Antes da
fabricação aditiva, os projetos
que eram suficientes para a
execução do trabalho eram
aceitáveis para as peças e os
acessórios. Devido às despesas
e ao esforço de projetar e
manufaturá-los novamente, as
revisões foram reservadas
somente para aquelas peças e
acessórios que não funcionavam
conforme especificado.
Embora fabricar algo
“suficientemente bom” possa ter
acrescentado alguns segundos à
operação ou aumentado a taxa de
desperdício em uma pequena
porcentagem, a economia poderia
não ter garantido mais
investimentos na ferramenta.
De acordo com a Gerente de Controle
de Qualidade da Thogus, é mais
simples, rápido e barato fabricar seus
próprios acessórios com a tecnologia
FDM do que terceirizar a fabricação.
Quando os dispositivos foram cotados
em 12.000 dólares, com um prazo de
sete dias, a Thermal Dynamics optou
por fabricá-los com FDM para
economizar 10.000 e muitos dias.
A fabricação aditiva muda esse
raciocínio. Por alguns dólares, ela
pode entregar a ferramenta de
manufatura da próxima geração
para ser colocada em uso no dia
seguinte. Para uma ferramenta que
tenha um desempenho abaixo do
esperado, tudo que se precisa é de
um pouco mais de tempo e da
iniciativa de reprojetá-la. Ao se fazer
isso, alguns segundos na operação
de montagem são perdidos, por
exemplo, mas esse tempo é
compensado. Se um trabalhador
fabricar 500 itens por dia, uma
economia de dois segundos reduz o
trabalho direto em 70 horas, por
pessoa, anualmente. Para a mesma
peça, uma redução de 1% em
resíduos e desperdício,
economizaria 1.250 peças por ano.
Os resultados: a fabricação aditiva
diminui o limiar para que os
fabricantes possam colocar mais
peças e acessórios, com design
otimizado, em uso. Isso faz com que
mais dinheiro entre em sua
empresa.
A melhor equipe NASCAR, Joe Gibbs
Racing, usa FDM para fabricar
acessórios, sendo que alguns deles têm
sido usados há mais de dois anos e
isso reduziu o tempo de
desenvolvimento e os custos em uma
média de 70%.
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IMPLEMENTANDO UMA
ABORDAGEM DE
FABRICAÇÃO ADITIVA
Antes de criar seu primeiro modelo
CAD em 3D e carregá-lo no
sistema Fortus, considere os
materiais e a tolerância
dimensional. Ainda que a
fabricação aditiva seja ideal para
produzir muitas das ferramentas de
manufatura, pode não ser
adequada para todas elas.
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A principal consideração em
relação aos materiais é se o
plástico será suficiente.
Tradicionalmente, as peças e
os acessórios têm sido
fabricados em metal. Para
alguns deles, portanto, o
metal pode ser um requisito.
Para outros, o metal pode ter
sido apenas uma opção
prática, pois é propício para
fresamento, torneamento,
flexão e fabricação. Neste
caso, a fabricação aditiva
pode ser uma opção. Com
uma gama de materiais para
escolher, o processo de
fabricação FDM pode oferecer
resistência química (petróleo,
solventes), resistência térmica
(até 390 ° F / 200 ° C) e as
propriedades mecânicas
resilientes.
DESIGN
Ao usar a fabricação aditiva para
recriar uma garra com canais internos
a vácuo, a empresa Digital Mechanics
eliminou cinco mangueiras externas
que dificultavam as operações.
Esta ferramenta ergonômica e mais
leve da BMW reduz a fatiga para as
mãos do trabalhador.
Ferramentas de manufatura
de plástico também podem
oferecer algumas vantagens
inesperadas.
Por exemplo, a Thogus usa
partes anexas robóticas feitas
com FDM que absorvem o
impacto. No caso em que o
braço do robô colide com um
obstáculo, a peça FDM é
susceptível de isolar o braço
de danos, o que evita reparos
caros e tempo de inatividade.
Outro exemplo é a BMW que
utiliza ferramentas de
plástico, porque elas são mais
leves para as mãos e mais
fáceis de manusear,
reduzindo a fadiga do
trabalhador. Ao decidir se vai
utilizar a fabricação aditiva na
fase inicial de projetos para
Usando FDM, a BMW imprime peças
e acessórios, o que não seria possível
com a maquinaria e o método de
fabricação convencionais. A
impressão em 3D permite que eles
sejam mais fáceis de usar e mais
funcionais.
produção de ferramentas,
para maior precisão na
dimensão, escolha peças que
requerem tolerâncias maiores
que 0,005 polegadas
(0,127mm). Tolerâncias
menores são possíveis, mas,
como regra, adote este valor
para manter o processo
simples.
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O seu estoque atual de peças e
acessórios foram projetados,
considerando-se as capacidades e
limitações dos métodos de
fabricação usados para criá-los. Ao
aderir às regras do design para
manufaturabilidade (DFM), você o
tornou prático, manteve-o a um
custo mínimo, com prazos
razoáveis. Estas regras não se
aplicam à fabricação aditiva. Elas
não têm nenhuma influência sobre
o tempo, custo, qualidade,
desempenho ou praticidade.
Em alguns casos, aderir às regras
antigas de DFM pode ter o efeito
oposto. Então, jogue fora as velhas
regras e comece o projeto com
uma ardósia que não foi usada
ainda e um novo design. A
natureza aditiva do processo
fornece-lhe uma liberdade
inigualável de design. O que pode
ter sido impraticável agora é
realista e razoável. Peças e
acessórios podem ter
características complexas e
configurações de forma livre, sem
adição de tempo e custo. Na
verdade, acrescentar
complexidade pode até reduzir o
custo e tempo. Por exemplo,
cavidades, furos e canais reduzem
o consumo de material, tempo de
fabricação e o tempo total do
processo.
Para alavancar a fabricação
aditiva, deixe a função e o
desempenho da peça ou do
dispositivo/acessório ditarem o
design. Siga o exemplo de
empresas como a Digital
Mechanics AB e BMW. A Digital
Mechanics AB capitalizou a
liberdade de design para uma
garra/pinça robótica movida a
vácuo.
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Quando era fabricada de modo convencional, a
garra tinha mangueiras externas saindo dela. Com a
fabricação aditiva, para cada "dedo" da garra foi
dado um canal de vácuo interno, que eliminou as
mangueiras.
• Elimine o tempo de montagem
Para a BMW, a liberdade de design permite que
os trabalhadores da linha de montagem tenham
uma ferramenta que alcança as partes inferiores,
atrás e dentro dos para-choques. Os engenheiros
de produção focaram, exclusivamente na função,
o que resultou uma ferramenta formatada de
modo a alcançar os para-choques.
• Reduza a documentação e a sobrecarga
A liberdade no design também pode melhorar
a ergonomia das ferramentas de manufatura. O
peso, o equilíbrio e a posição da ferramenta têm
efeitos diretos sobre o conforto do técnico, o ciclo de
tempo do processo e a facilidade de acesso e
armazenamento. Para alcançar a ergonomia ideal,
simplesmente, projete-a em suas ferramentas. Por
exemplo, a BMW redesenhou um dispositivo para o
alinhamento de seu emblema a fim de melhorar o
equilíbrio e reduzir o peso. Isso diminuiu a tensão do
trabalhador e melhorou o tempo para a fixação do
emblema da marca.
GESTÃO
Uma maneira muito simples para alavancar a
liberdade de design é consolidar a montagem em
uma só parte. Muitas vezes, as peças e os
acessórios são compostos de muitas partes. Isto é
desnecessário com a fabricação aditiva. Se
reproduzir uma ferramenta existente, comece com
um novo design que consolida tantos componentes
quanto possível em uma única peça. Se for projetar
um novo item, crie-o inteiriço, em uma única peça.
Apenas separe as partes quando for vantajoso para o
funcionamento da peça ou do dispositivo.
Integrar as partes em um só componente apresenta
muitas vantagens:
• Elimine o desafio da tolerância
Manter as tolerâncias de tamanho é caro. Se duas
partes de acoplamento são combinadas em uma,
em seguida, todos os custos e as preocupações
com o controle das tolerâncias das partes
complementares são eliminados.
Obviamente, as partes precisam ser montadas.
Isso leva tempo, principalmente para itens
específicos, como peças e acessórios, nos
quais o encaixe perfeito não é garantido.
A soma das partes é menor que o todo, quando
se trata de tempo e custo. Consolidar peças reduz
o custo das ações, tais como design,
documentação, cotação, pedidos e gestão de
inventário.
Já não considere mais suas peças, acessórios,
dispositivos e outras ferramentas de manufatura
como ativos. Em vez disso, pense neles como
despesas, e objetos descartáveis. Para serem
considerados ativos, as peças e os acessórios são
armazenados (inventariados) entre os períodos de
uso. Eles permanecem em estoque até que a linha
de produtos seja eliminada ou quando eles não
possam mais ser reparados, devido ao desgaste.
Na produção de ferramentas através de métodos
convencionais, elas são valiosas demais para
serem jogadas fora como itens descartáveis,
devido ao tempo, ao custo e aos esforços de
fabricação.
Entretanto, esta abordagem traz muitos custos
indiretos. Há custos para o espaço na prateleira
(despesa de armazenagem); custo para gerenciar
e controlar o estoque; e custo para localizar uma
peça ou acessório, quando necessário. Para
ferramentas usadas esporadicamente, estes
custos podem ser bastante significativos.
O oposto pode ser verdadeiro com a fabricação
aditiva. Muitas vezes, leva mais tempo para
inventariar as peças e acessórios do que para
refazê-los. Assim, as empresas adotam uma
abordagem de gestão chamada de armazenagem
digital, na qual apenas o arquivo digital é
contabilizado no inventário. Pode parecer
impensável desfazer-se de uma ferramenta de
manufatura em perfeito estado, mas para aquelas
de uso pouco frequente, esta abordagem reduz os
custos e o trabalho.
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Fabrique um acessório quando necessário. Quando seu trabalho está feito, envie-o com o material de
sucata para a reciclagem. Então, armazene seu projeto entre períodos de uso. Esta abordagem de
"print-on-demand" (imprimir quando solicitado) também é útil quando a substituição é necessária para a
fabricação de uma ferramenta quebrada ou quando é preciso fazer duplicatas para aumentar a
produção, a fim de atender a um aumento inesperado nas vendas.
CONCLUSÃO
A fabricação aditiva pode levar a grandes mudanças que maximizam os lucros, eliminando o desperdício
de cada segundo e centavo, a partir do processo de fabricação. Para aqueles que não estão prontos
para jogar fora as diretrizes de design de longa data, basta substituir os processos de fabricação usuais
pela fabricação aditiva. De qualquer maneira, a economia no chão de fábrica e na produção de peças e
acessórios será substancial.
Se você possui um CAD 3D para desenhar e acesso a uma máquina de fabricação aditiva, está pronto
para começar a produzir as ferramentas de manufatura, com menos de 15 minutos de prática de
trabalho. Combine a simplicidade com a redução de tempo e de custos de 40% a 90%, e você vai
entender por que a fabricação aditiva impulsiona as empresas a produzirem mais peças, acessórios e
ferramentas de manufatura do que nunca.
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