Esculpindo um nicho na usinagem de plásticos CNC

A usinagem de plásticos apresenta desafios em termos de ferramentas, fixação de trabalho e gerenciamento de cavacos (e poeira). (Créditos da foto:K&E Plastics.)

Embora haja vantagens em ser uma oficina de usinagem CNC de nicho, também pode haver desafios distintos. A K&E Plastics em Bennington, Vermont, é um exemplo disso.

Como o nome da oficina indica, ela se concentra exclusivamente na usinagem de plásticos de engenharia — tanto termoplásticos quanto termofixos — e tem feito isso desde que Peter Broderson fundou a K&E em 1966. Seu filho, Eric, agora é presidente da empresa.

Como não são muitas as oficinas especializadas na usinagem de plásticos, incluindo termofixos como G7 e G10 preenchidos com vidro abrasivo, há menos concorrência em comparação com aquelas que usinam alumínio, aço e outros metais convencionais. No entanto, a falta de familiaridade com os plásticos por parte dos fornecedores de equipamentos e ferramentas fez com que a K&E às vezes fosse deixada por conta própria para criar estratégias para usinar esses materiais com eficiência.

Conheci alguns desses desafios quando visitei a K&E em 2013 para escrever minha primeira história sobre a loja. A necessidade de coleta de poeira. As dificuldades de fixação de plásticos. Os problemas de ferramentas que vêm com a usinagem de termofixos preenchidos com vidro. A lista continua…

Embora eu não tenha sido capaz de revisitar fisicamente a K&E para esta história, aprecio me reconectar e ouvir sobre quais novas tecnologias e processos a oficina adicionou para se tornar mais capaz e eficaz na usinagem de plásticos. Isso inclui olhar para ferramentas e fixação de peças de forma diferente e adicionar seu primeiro torno tipo suíço para obter tolerâncias mais apertadas e produção mais rápida de peças complexas feitas de termoplásticos como polieteretercetona (PEEK) que anteriormente funcionavam em tornos de ferramentas tradicionais. Essa máquina também permitiu que a oficina trouxesse de volta o trabalho anteriormente terceirizado.

Novas oportunidades, novas abordagens

Inicialmente, a K&E se concentrou em peças plásticas exclusivamente para aplicações elétricas, devido às excelentes propriedades de isolamento elétrico dos materiais (veja a barra lateral abaixo). Quando Broderson assumiu a direção dos negócios de seu pai há 27 anos, ele procurou diversificar a empresa indo atrás de aplicações não elétricas nas indústrias médica e aeroespacial. Hoje, também está buscando oportunidades em novas tecnologias de energia, como veículos elétricos, células de combustível e armazenamento de energia. A loja é certificada pela ISO 9001:2015, possui registro no International Traffic in Arms Regulations (ITAR) e é certificada como parte do Programa de Certificação Conjunta (JCP), permitindo que ela ganhe trabalhos de defesa secretos. Também possui certificação com o programa Historicamente Subutilizado Business Zones (HUBZone), que ajuda pequenas empresas em comunidades urbanas e rurais a obter acesso preferencial a oportunidades de compras federais.

K&E máquinas somente plásticos (incluindo termoplásticos e termofixos ) para indústrias como elétrica, aeroespacial e médica. Também vê oportunidades em novas aplicações de energia, como células de combustível, veículos elétricos e armazenamento de energia.

A instalação de 30.000 pés quadrados da loja inclui uma variedade de roteadores CNC, VMCs e tornos - 28 no total. A maioria destes são modelos da Haas Automation. O torno tipo suíço que comprou em 2018 é um modelo Tsugami S205 (mais sobre isso depois). Dependendo do material, eles podem usinar peças usando refrigerante ou secar com a ajuda de pistolas de ar frio para resfriar as operações de corte e ajudar a quebrar os cavacos.

Às vezes, os refrigerantes são usados ​​para termoplásticos não preenchidos. Os refrigerantes à base de óleo não podem ser usados ​​porque geralmente degradam o plástico. Em vez disso, a K&E usa refrigerantes à base de água, como o Trim Microsol 585XT da Master Fluid Solutions. Diz-se que é um refrigerante de microemulsão semi-sintético de alta lubricidade que oferece vida útil prolongada do cárter e melhor controle de espuma em relação aos semi-sintéticos da geração anterior.

A loja da K&E é distinta por ter dutos conectar equipamentos que secam plásticos a um dos dois sistemas centrais de coleta de poeira.

No entanto, muitos termofixos são usinados a seco. Esses materiais geralmente são preenchidos com vidro ou outros materiais abrasivos que criam poeira quando usinados. A coleta eficaz de poeira é fundamental para manter um ambiente de trabalho limpo e prolongar a vida útil da máquina-ferramenta. Na verdade, os dutos usados ​​para a coleta de poeira são o que dá à loja uma aparência distinta.

Os dutos são encaminhados para a zona de trabalho de cada equipamento que usina as peças plásticas a seco. A fábrica adicionou recentemente seu segundo sistema de coleta de poeira de 18.000 cfm, que permite adicionar até 12 centros de usinagem a mais para usinar peças secas.

A loja instalou recentemente seu segundo 18.000-cfm sistema de coleta de pó, que permite adicionar até 12 centros de usinagem a mais para usinar plásticos a seco.

O calor é o grande problema ao usinar qualquer plástico. A queima de material é possível quando as ferramentas são executadas muito rápido. Além disso, sem evacuação de cavacos eficaz, o material usinado pode ser soldado novamente na peça de trabalho. A geometria do canal da ferramenta desempenha um papel fundamental na remoção de cavacos da peça de trabalho, assim como os jatos de ar frio. No entanto, laminados termofixos, como G7 e G10, também são propensos à delaminação, dependendo da resistência de união da resina e de como as peças são usinadas.

Os termoplásticos são comumente usinados usando refrigerantes à base de água . Os refrigerantes à base de petróleo podem degradar o material plástico.

A loja começou recentemente a usar ferramentas de corte da Datron Dynamics. Um exemplo é uma fresa de topo de metal duro polida de 6 mm de diâmetro. De acordo com a empresa, um processo de retificação em vários estágios oferece bordas afiadas e polidas para usinagem sem rebarbas, reduzindo ou eliminando a necessidade de acabamento manual das peças.

Outra são as fresas de topo de metal duro com revestimento de diamante amorfo para compósitos da Harvey Tool. Estes são considerados adequados para desbaste e semi-acabamento de materiais compósitos com alta concentração de fibra ou preenchimento, como G10 e FR4, devido à geometria otimizada com quebra-cavacos que corta com eficiência as fibras e encurta os cavacos para melhor remoção de cavacos.

Além disso, a K&E agora usa brocas de canhão da Sterling quando necessário para produzir repetidamente furos precisos e profundos com acabamentos de superfície de qualidade.

A oficina também está começando a padronizar o sistema de porta-ferramentas PowRgrip da Rego-Fix para seus centros de usinagem. A razão disso é que os sistemas de porta-ferramentas convencionais levaram a uma excentricidade de até 0,002 polegada, o que não era aceitável para recursos de peças com tolerâncias muito apertadas. “Agora estamos em 4 décimos de batimento”, diz Broderson, “nos dando melhores acabamentos de superfície e menos desgaste da ferramenta, ao mesmo tempo em que alcançamos as tolerâncias de usinagem necessárias”.

A oficina começou a padronizar os sistemas de porta-ferramentas em qual uma prensa hidráulica insere ou remove pinças dos suportes. Cada pinça tem um cone raso e autotravante e é pressionado no porta-ferramentas usando 9 toneladas de força. Broderson diz que esses suportes oferecem melhor excentricidade e rigidez em comparação com os modelos tradicionais.

Este sistema consiste em porta-ferramentas estilo pinça de precisão e uma prensa hidráulica de bancada usada para inserir ou remover pinças dos porta-ferramentas. A pinça tem um cone raso e autotravante e é pressionada no porta-ferramentas usando 9 toneladas de força. Ele também possui um ressalto quadrado que entra em contato com o porta-ferramentas quando pressionado. Este design de parada positiva permite o uso de um parafuso de apoio embutido para definir com precisão o comprimento da ferramenta. Esses porta-ferramentas apresentam altas forças de fixação e amortecimento de vibração, e desvio total do indicador (TIR) ​​de ≤ 3 mícrons em uma relação comprimento/diâmetro de 3:1. A Rego-Fix diz que este sistema de porta-ferramentas também permite trocas de ferramentas mais rápidas e seguras do que os sistemas de ajuste por contração. A montagem de uma nova ferramenta leva menos de 10 segundos. “Nossa oficina tem aproximadamente 800 desses porta-ferramentas no momento, mas continuamos a adicionar mais”, diz Broderson.

Para fixação, algumas máquinas usam mandris a vácuo para acelerar as trocas e permitir que as ferramentas acessem os cinco lados de uma peça. Da mesma forma, a K&E começou a usar placas de fundação comuns cobertas com tornos Chick. Broderson diz que, como as morsas Chick oferecem melhor repetibilidade de posicionamento e as placas são instaladas em um local comum, a sondagem durante as configurações não é necessária em comparação com quando a oficina simplesmente aparafusou as morsas nas mesas da máquina. A oficina também salva e armazena as garras da morsa para uso quando os trabalhos forem repetidos.

Para aumentar o tempo de atividade do fuso para este VMC, K&E adicionou um sistema de troca de paletes para que os trabalhos possam ser configurados offline enquanto outro ainda está sendo concluído na máquina. Ele fez o mesmo para dois outros VMCs.

Para maximizar o tempo de atividade do fuso para três de seus VMCs, a K&E adicionou um trocador de paletes Midaco a cada um. Isso permite que cada máquina continue executando um trabalho enquanto o novo material é fixado no palete fora da máquina. Uma vez que um trabalho é concluído, seu palete é transportado e um novo com o próximo trabalho fixado é transportado.

Por que adicionar um tipo suíço?

Broderson diz que antes de adicionar o S205 há alguns anos, a K&E estava trabalhando para parafusar oficinas mecânicas para trabalhos selecionados. Com o tempo, a quantidade desse trabalho terceirizado continuou a aumentar. Além disso, as taxas de refugo ou rejeições para trabalhos com tolerância apertada que rodavam em alguns de seus tornos de ferramentas de grupo às vezes eram mais altas do que gostaria. A oficina determinou que um tipo suíço com design exclusivo de bucha guia e capacidade multifuncional forneceria as precisões necessárias e permitiria que a oficina realizasse esse trabalho em casa.

O Tsugami S205 com capacidade de diâmetro de barra de 20 mm e alimentador de barra Edge Technologies Minuteman 320 SE foi adquirido através do distribuidor Tsugami/REM Sales, The Robert E. Morris Company. John Ricardi, gerente de contas da empresa, diz que a máquina incluiu um sistema de fornecimento de refrigerante de 1.000 psi (principalmente para controle de cavacos), bem como uma unidade de coleta de névoa, transportador de cavacos, calha especial para receber peças longas do subspindle e conversão conversível/mandril capacidade.

O alimentador de barras acomoda 10 pés de comprimento permite que o primeiro tipo suíço da oficina funcione sem supervisão por períodos mais longos do que os alimentadores de barras nos tornos tipo gang que operam barras de 4 pés de comprimento.

Talvez o maior ponto de venda para esta máquina seja que ela foi projetada para funcionar com refrigerante à base de água para não degradar as peças de plástico como o refrigerante à base de óleo faria. Ricardi diz que a pressão de ar positiva para acessórios de ferramentas e fusos impede que o refrigerante entre nos rolamentos e lave o óleo lubrificante. Além disso, a lubrificação à base de água também é usada nos conjuntos de canais do alimentador de barras.

O tipo suíço é usado para peças que exigem tolerâncias muito apertadas. Broderson diz que a pressão da ferramenta pode causar a formação de cones ao executar peças plásticas em tornos convencionais. A bucha guia de assinatura do tipo suíço fornece o suporte no corte para eliminar esse problema. Além disso, a máquina repete muito bem, diz ele. Uma vez que um processo é discado, não há mais corte, medição e repetição do processo. Além disso, o alimentador de barras tem capacidade para executar barras de 12 pés de comprimento. A K&E geralmente executa barras de 10 pés de comprimento, o que permite trechos mais longos de usinagem autônoma em comparação com tornos convencionais com alimentadores de barras de quatro pés. Para materiais como PEEK, ele normalmente solicita moagem de barstock para +0,002” / -0”.

O torno tipo suíço, que funciona usando refrigerante à base de água, diz-se que alcança tolerâncias mais apertadas e produção melhorada para peças termoplásticas que a oficina operava anteriormente em tornos CNC tradicionais de ferramentas de gangue. A máquina também permitiu que a oficina trouxesse de volta o trabalho anteriormente terceirizado.

Dito isso, a oficina pode remover a bucha guia e operar a máquina como um torno de mandril convencional, executando um trabalho com a mesma abordagem de usinagem de um torno padrão.

Broderson diz que uma das maiores curvas de aprendizado foi determinar quanta pressão usar na bomba de refrigeração de alto volume para remover cavacos e inundar a peça sem alterar as dimensões da peça sendo usinada. Se a pressão for muito alta, o fluxo de refrigerante pode alterar a dimensão das peças plásticas. A oficina também encontrou torção de algum material de barra porque o fuso da máquina aumentou a velocidade muito rapidamente. A correção para isso estava aumentando a velocidade mais lentamente. Outro desafio foi aprender quais recursos da peça poderiam ser usinados e quando deveriam ser sequenciados.

Problemas materiais

Um desafio geral que Broderson diz que sua loja vem enfrentando recentemente é a variabilidade do material plástico. Embora ele tente comprar de fornecedores sediados nos EUA, mesmo alguns deles vendem material produzido no exterior. “Temos que ser muito específicos ao fazer o pedido”, diz ele.

Em um exemplo, a oficina encomendou material FR4 para um trabalho, discando seu processo de usinagem para aquele lote de material. Em seguida, encomendou outro lote quando o trabalho retornou. No entanto, embora esse segundo lote atendesse à mesma classificação NEMA para gabinetes elétricos, a variação com a resina e o enchimento de vidro foi suficiente para que os dados de corte e as ferramentas usadas no lote anterior de FR4 não fossem compatíveis com o novo lote. “Segurar dois mil em um material como este é bastante difícil, mas a variação entre os lotes torna ainda mais difícil.”

Noções básicas de termofixos, termoplásticos

A K&E tem 54 anos de experiência trabalhando com plásticos de engenharia. A loja diz que os termofixos são adequados para aplicações que exigem alta resistência ao calor e isolamento elétrico. Os polímeros de reticulação em termofixos formam ligações irreversíveis, eliminando o risco de derretimento do produto se o calor for reaplicado. Eles também oferecem excelentes propriedades de desgaste e estabilidade dimensional, sendo mais leves que os metais.

Como os pellets termoplásticos amolecem quando aquecidos e se liquefazem com a aplicação de calor adicional, o processo de cura é completamente reversível, pois não ocorre nenhuma ligação química. Isso permite que os termoplásticos sejam remoldados e reciclados sem afetar negativamente as propriedades físicas dos materiais. Os termoplásticos oferecem benefícios, incluindo resistência química, resistência ao impacto, isolamento elétrico, baixa absorção de umidade, baixo coeficiente de atrito, desgaste reduzido nas peças de acoplamento e eliminação da lubrificação durante a operação do produto.