Colocação de fibra robótica, avanços de estímulo de impressão 3D

As vantagens prometidas pela Indústria 4.0 estão sendo realizadas na Ingersoll Machine Tools em Rockford, Illinois. Simulação de projeto de máquina “gêmea digital”, maior inteligência robótica e movimento complexo são as ferramentas essenciais aqui. Essas ferramentas estão tornando a produção de moldes em larga escala, a usinagem de peças e a automação de processos acessíveis aos setores mais amplos da indústria aeroespacial, naval e outros.

“A ruptura prometida pela Indústria 4.0 já começou”, disse Jason Melcher, vice-presidente de vendas da Ingersoll. “O que é ainda mais notável é que isso está acontecendo no setor aeroespacial, onde o projeto de máquinas para produção aprimorada de moldes e peças é o maior dos grandes, o mais difícil dos difíceis.”

“Aqui, a impedância do processo é avaliada não apenas hora a hora, mas minuto a minuto e libras por hora”, explicou Melcher. “Estamos vendo uma maior capacidade de fabricação, apoiada no futuro pela principal plataforma de tecnologia de movimento e CNC da indústria aeroespacial.”

A melhoria de processos sempre foi importante na Ingersoll. Por muitos anos, os engenheiros mecânicos, de software e de processo da empresa se uniram aos engenheiros da Siemens para desenvolver projetos de máquinas de grande formato de próxima geração.

Mas o que exatamente a Ingersoll e a Siemens pretendem que seja realmente um avanço?

Agora, essas duas empresas de tecnologia estão se unindo a equipes de engenharia de clientes para inventar, validar e mitigar riscos. Eles estão colaborando em uma escala maior, onde a colocação inteligente de fibra robótica e a produção massiva de peças de impressão/fábrica não são mais uma visão, mas uma realidade.

Colocação de fibra robótica

Um participante de longa data no posicionamento automatizado de fibra (AFP) para a indústria aeroespacial, o empreendimento de Ingersoll em robótica de ponta parece uma progressão natural. A ambição da empresa tem sido tornar a colocação de fibra robótica acessível aos produtores de peças aeroespaciais de segundo e terceiro níveis. Mas essa ascensão ao mercado aeroespacial foi travada por várias realidades terrestres, incluindo a imprecisão histórica do posicionamento robótico em larga escala, a falta de controle robótico no nível do operador da máquina e o alto custo de projetar e construir em larga escala, personalizados Sistemas AFP.

Posicionamento robótico preciso: Mesmo nos últimos anos, a precisão de posicionamento da robótica de grande escala não foi melhor do que cerca de 5 mm e com baixa repetibilidade. Para resolver essa limitação, a Siemens desenvolveu seu poderoso CNC Sinumerik 840D sl para incluir o Run MyRobot, seu software de compensação robótica altamente sofisticado.

Isso permitiu que a Ingersoll integrasse a robótica em seus novos projetos de máquina de colocação de fibra Robotic FP, alcançando precisão de posicionamento robótico repetível para menos de 1 mm. A precisão é mantida para o movimento robótico padrão e inverso.

Controle robótico na máquina: O movimento robótico de uma máquina Robotic FP é facilmente controlado na máquina usando a interface Siemens Sinumerik CNC Operate. A interface gráfica intuitiva do controle é universal em toda a plataforma de controles Sinumerik CNC. Os clientes aeroespaciais podem obter eficiências de processo mais altas em toda a fábrica à medida que os operadores se tornam rapidamente familiarizados e eficientes usando uma interface que permanece a mesma de máquina para máquina, mesmo ao passar de robôs de três eixos para cinco eixos ou seis eixos com vários outros eixos (plataforma giratória, mandril, trilho linear, etc.). A experiência do operador é a mesma, seja controlando a colocação de fibra tradicional, colocação de fibra robótica, impressão 3D, impressão 3D robótica ou qualquer processo de usinagem CNC.

Simulação de projeto de máquina: A indústria de máquinas-ferramenta há muito antecipa a capacidade de projetar, testar e redesenhar virtualmente o gêmeo digital de uma máquina, molde ou peça antes de passar para a produção real. Na indústria aeroespacial, o tamanho de uma máquina ou peça tornou a prototipagem física especialmente cara.

A prototipagem tradicional de tentativa e erro produziria enormes perdas de tempo e material. Para escapar dessas restrições, os engenheiros de software da Ingersoll desenvolveram um software de simulação que permite aos engenheiros de processo projetar e desenvolver virtualmente uma máquina, um molde ou uma peça. O software envolve o software de simulação Siemens Virtual NC Controller Kernel (VNCK). O controlador processa e simula praticamente todos os dados do ciclo de usinagem e caminhos da ferramenta exatamente como seriam executados na máquina real, e a interface Sinumerik Operate exibe graficamente essa simulação exata de gêmeos digitais.

Impressão e fresagem 3D em grande escala

As maiores impressoras 3D termoplásticas do mundo chamam a atenção imediata dos engenheiros aeroespaciais ao entrarem no imenso Centro de Desenvolvimento da Ingersoll Machine Tools.

Tendo se ajustado ao tamanho da máquina MasterPrint, o que prende a atenção dos engenheiros é a perspectiva de prototipagem mais rápida, prazos de entrega mais curtos e reduções de 90% nos custos de fabricação. A inovação da Ingersoll continua com o desenvolvimento da MasterPrint 5X—uma máquina de impressão e fresagem pronta para uso com avanços de produtividade ainda maiores que é novamente habilitada pela plataforma CNC Siemens Sinumerik 840D sl.

Michael Falk é engenheiro mecatrônico e líder da equipe de vendas da Siemens que apoiou a Ingersoll no lançamento da série MasterPrint. Falk testemunhou muitas vezes as reações dos engenheiros aeroespaciais que visitam o Ingersoll Development Center, e ele pode atestar por que o fator “5X” é uma grande atração. “Noventa por cento das vezes, qualquer coisa impressa em 3D precisará ser fresada”, disse Falk. “A nova MasterPrint faz exatamente isso como uma operação pronta para produzir as maiores peças do mundo, incorporando a tecnologia de troca automática de cabeçotes, desenvolvida pela Ingersoll e apoiada pela Siemens.”

Falk disse que o que os engenheiros aeroespaciais e navais estão testemunhando agora em Ingersoll é sua capacidade de explorar objetivos de melhoria de processos que antes eram inatingíveis. “Em outubro de 2019, a Universidade do Maine recebeu três Guinness World Records por imprimir em 3D um barco de 25 pés de comprimento que pode flutuar e transportar pessoas”, disse ele. “O que é notável é que os engenheiros da Ingersoll superaram o recorde de tamanho várias vezes desde então.”

Eficiência de impressão em fresagem: A abordagem MasterPrint para impressão 3D de grande formato combina a velocidade amplificada, destreza e precisão do movimento de cinco eixos. O mesmo pórtico pode agora interagir com as funções de impressão, fresagem, colocação de fibra, colocação de fita, inspeção, corte e muito mais.

Impressão 3D de qualquer ângulo: A Ingersoll está lançando o novo MasterPrint 5X, disse Falk. A máquina pode imprimir de qualquer ângulo com toda a vantagem. Então, agora você pode fazer rapidamente um molde ou peça maciça usando o sequenciamento mais eficiente. O bocal de impressão de cinco eixos muda a orientação de acordo para imprimir peças muito mais complicadas.

Sincronização de alta velocidade: “As ações de sincronização durante a impressão 3D são onde muita mágica acontece”, disse Falk. “Você obtém peças de ótima aparência com geometria de cordão consistente. A impressão diminui apenas conforme necessário nos cantos e, em seguida, retoma a velocidade ideal. Os cantos não estão cheios demais. Não há problemas de preenchimento, nenhum estrangulamento do cordão, nenhum vazio no ferramental e nenhum material construído no interior da peça.”

Impressão 3D robótica: A Ingersoll aproveitou ao máximo o Sinumerik Run MyRobot/Direct Control, o software de compensação robótica que agora é um recurso importante do CNC Siemens Sinumerik 840D sl. A Ingersoll oferece uma ampla gama de sistemas robóticos onde o CNC na máquina pode controlar vários módulos operados pelo mesmo robô.

Conjuntos de ferramentas para o futuro

Jason Melcher e Michael Falk testemunharam um entusiasmo implacável entre os engenheiros da Ingersoll Machine Tools que estão levantando questões exploratórias em uma cultura de apoio. Eles descrevem um ambiente de laboratório onde um engenheiro de processo recém-saído da faculdade está aprendendo rapidamente coisas que nem mesmo os cursos de mecatrônica mais avançados cobrem.

Na Ingersoll, os engenheiros são desafiados a inventar, validar, aprender e construir um processo de usinagem melhor – e eles receberam as ferramentas para fazer isso.

“A Siemens traz uma caixa de ferramentas aberta para o processo de projeto de máquinas”, disse Falk.

“Você tem o controle Sinumerik 840D de cinco eixos, um conjunto completo de motores, drives e componentes. Você tem um software de simulação e um convite aberto à inovação de terceiros. Tudo isso vem junto, com o Sinumerik CNC e sua contraparte virtual, o kernel VNCK, tornando-se o cérebro de um processo de usinagem muito mais evoluído.”

Nate Haug é engenheiro de processo na Ingersoll. Ele é um dos muitos engenheiros inspirados da empresa que atesta as vantagens de usar um conjunto mais aberto de ferramentas CNC e de controle de movimento. “A Siemens começa com uma linguagem de programação que nos permite fazer muito mais do que poderíamos usando um controle baseado em “somente código G””, disse Haug. “Existem dois conjuntos de ferramentas, na verdade. Uma é a linguagem Siemens que permite uma ampla gama de funções e variáveis. O outro conjunto de ferramentas nos permite injetar funções condicionais no cérebro do NC. Sem esses dois conjuntos de ferramentas, não seríamos capazes de fazer o que fazemos. Estamos usando o 840D em uma máquina de colocação de fibra, em uma máquina de colocação de fibra robótica, em uma impressora 3D, em uma impressora 3D robótica, em máquinas-ferramenta com duas cabeças, com vertical, com cinco cabeças, com basicamente qualquer configuração.”

Haug disse que, além de fazer melhorias nas máquinas existentes na Ingersoll, ele e seus colegas engenheiros estão usando seus conjuntos de ferramentas Siemens Sinumerik CNC para investigar caminhos para o desenvolvimento de novas máquinas. Um desses caminhos está na pesquisa de materiais.

“Cada material tem suas próprias propriedades de fluxo”, explicou Haug. “O controle da Siemens nos permite modificar características no código para ajustar ao material.

A plataforma CNC nos permite investigar uma gama mais ampla de materiais.”

As questões de propriedade do material exploram variáveis ​​como resistência, encolhimento, empenamento e o uso de materiais isotrópicos versus anisotrópicos. As soluções materiais surgem nos domínios da prototipagem rápida para aplicações civis, de defesa e de infraestrutura. Surge também o conceito de uma impressora única, que pode apoiar iniciativas ambiciosas, como matérias-primas de base biológica usando celulose derivada de recursos de madeira.

Automonitoramento da máquina:embora as inspeções visuais conduzidas manualmente ainda sejam comuns hoje, elas estão se tornando respostas analógicas para um desafio de produção cada vez mais automatizado digitalmente.

Ingersoll vê em breve o dia em que as inspeções serão rotineiramente uma função da máquina como um processo secundário. Um processo de usinagem de colocação de fibra monitorará o layup, verificará quaisquer defeitos e garantirá a precisão e a confiabilidade da peça. Da mesma forma, um processo de impressão 3D híbrido um dia imprimirá e usinará back-to-back com automonitoramento de processo perfeitamente integrado.

O desenvolvimento desses processos automatizados de autoinspeção já é suportado pelo CNC da Siemens e pela plataforma de controle de movimento, que controla o posicionamento preciso e o feedback posicional. Uma máquina pode detectar, rastrear e relatar qualquer variação.

Como Ingersoll e Siemens demonstraram, as vantagens prometidas da Indústria 4.0 estão sendo implementadas hoje. Tendo removido os limites da colocação de fibra robótica de grande formato e impressão 3D, as expectativas agora aumentam para fazer melhorias revolucionárias em todo o processo de produção de peças.

“É um pensamento mais amplo”, disse Jason Melcher, da Ingersoll. “Quando visitamos um cliente, é para explorar a melhoria do processo. Não se trata de uma placa de linha de máquinas que possuem características e funções fixas. Estamos entrando em conversas sobre melhorias de processos sob medida.”

Para engenheiros nos setores aeroespacial, marítimo e outros setores progressivos, a inovação em maior escala significa que agora eles têm uma caixa de ferramentas ilimitada para explorar como nunca antes.