Revolucionando a Usinagem: O Centro Inovador Que Equilibra Precisão e Flexibilidade

Como qualquer pessoa envolvida na manufatura de metalurgia está ciente, a batalha entre tecnologia de usinagem dedicada e tecnologia de usinagem flexível continua a ser travada em oficinas ao redor do mundo. A influxo de alta mistura e baixos volumes na manufatura de metalurgia é inconfundível e, mais do que provável, imparável. Parece permear todos os aspectos das operações de usinagem.

Estes termos gerais — alta mistura, volumes menores — são relativos. Para uma oficina de moldes, por exemplo, uma quantidade de lote de cinco pode ser considerada "alto volume". Em um fornecedor Tier Two, alto volume pode ser considerado 500.000 peças ou mais. E, relativamente falando, o fornecedor Tier Two com 500.000 peças pode ter ajustado sua produção de um anterior 1.000.000 de peças baseado nas tendências gerais de manufatura das últimas décadas. Hoje, esse mesmo "alto volume" pode ser mais como 5.000 peças. É relativo.

Na busca por equipamentos de capital que permitam a uma oficina otimizar sua produção para refletir as realidades das demandas de manufatura atuais, existem muitas configurações de máquinas-ferramenta para escolher. Um desses designs estamos apresentando aqui. Chama-se Multicenter e foi desenvolvido para ser uma ponte entre produção flexível de alta mistura e capacidade de usinagem dedicada de alto volume.

Transferência Rotativa Morfável

Para saber mais sobre o conceito por trás do Multicenter, conversamos com Maurizio Porta, proprietário de segunda geração da Porta Solutions, baseada em Brescia, Itália. Sua sede na América do Norte fica em Newington, Connecticut. Fundada em 1958 por seu pai, Oscar, a empresa do Sr. Porta começou a construir máquinas-ferramenta especializadas para várias aplicações e viu as mudanças nos requisitos de produção dedicada versus flexível.

"Originalmente, fabricávamos máquinas-ferramenta de transferência rotativa", diz o Sr. Porta. "Estas máquinas refletiam uma época em que uma máquina era construída para fabricar uma peça. A peça era rei, e criar ferramentas dedicadas projetadas para otimizar sua produção era o nome do jogo."

Tradicionalmente na tecnologia de transferência rotativa, uma oficina conseguiria um trabalho e então projetaria um sistema de produção em torno da peça. Alguns trabalhos poderiam rodar virtualmente inalterados por anos. À medida que ciclos de vida de produtos se tornaram mais curtos, máquinas de produção dedicada se tornaram menos justificáveis em custo em muitas aplicações, principalmente porque re-equipá-las para um novo trabalho é difícil, caro e geralmente simplesmente não vale o esforço.

Em 2005, a Porta introduziu sua solução para a máquina dedicada versus máquina flexível na forma do Multicenter. O pensamento era fazer a ponte entre a tecnologia de usinagem dedicada projetada em torno de uma peça específica com uma plataforma de centro de usinagem que pudesse ser facilmente re-equipada à medida que as misturas de peças mudassem.

Centrado em um carrossel de quatro estações, a máquina, em sua configuração mais popular, possui três módulos de centro de usinagem horizontal. A quarta estação na mesa de trabalho é uma estação de carga/descarga que pode ser tripulada ou automatizada.

Cada um dos módulos HMC é capaz de usinagem verdadeira de três ou quatro eixos em cada estação. Os módulos de centro de usinagem operam progressivamente, mas são controlados independentemente. Com a máquina produzindo uma peça, uma peça em múltiplas operações, ou múltiplas peças diferentes ao mesmo tempo. Todas as quatro peças diferentes seriam trabalhadas por todos os três fusos antes de voltar à estação de carga/descarga finalizadas.

Com três fusos, as operações de usinagem podem ser variadas conforme necessário, adicionando à flexibilidade da máquina. Uma rotação do transportador de paletes de quatro estações pode produzir uma peça completa, quatro peças completas ou uma variação das quatro. No entanto, o Sr. Porta diz que a maioria das aplicações usa uma sequência de usinagem progressiva.

O Sr. Porta fala sobre uma aplicação onde o cliente produziu três peças diferentes em um ciclo do Multicenter. "Estas peças entravam em um conjunto, então cada ciclo da máquina produzia um conjunto completo de peças", diz o Sr. Porta. "Após a usinagem, as peças eram montadas e enviadas ao cliente. Foi uma aplicação muito eficiente."

Multicenter Comparado com HMCs

HMCs estão começando a ver investimentos aumentados em oficinas que lidam com trabalho de alta mistura e baixo volume. Elas têm flexibilidade inerente e se adaptam à automação facilmente usando sistemas de transporte de paletes para levar trabalho para dentro e fora da máquina-ferramenta. Além disso, a capacidade de ferramentas de corte do design horizontal é superior à de seu maior concorrente, o VMC.

Pesquisas conduzidas pela Gardner Intelligence, negócio de pesquisa de mercado interno da Production Machining, mostram um aumento significativo nas projeções de compra de HMCs; 85% a mais que os números de 2017.

No entanto, o Sr. Porta argumenta que, se volumes e complexidade da peça demandam mais de um HMC, o Multicenter encontra seu nicho. "É uma ponte entre a produção muito alta de uma máquina de propósito especial e o volume menor com flexibilidade de um HMC", diz ele. "O Multicenter está entre estas duas classes de máquina, e é uma máquina-ferramenta padrão, não uma especial, o que torna os prazos de entrega muito mais curtos."

A máquina é projetada para um cubo de trabalho de 10 polegadas, embora o design seja escalável para peças maiores. Cada um dos três centros de usinagem é servido por seu próprio trocador de ferramentas, com capacidade de 12 ferramentas como padrão em cada um. Mais capacidade de ferramentas, até 40 cada, está disponível se necessário. Cada fuso da máquina tem três eixos na ponta da ferramenta e um quarto eixo rotativo está localizado em cada mesa de trabalho. Todos os eixos são controlados pelo CNC FANUC ou Siemens da máquina.

Menor Pegada, Menos Energia

A vantagem de design do Multicenter, diz o Sr. Porta, é que um cliente típico para essa máquina, que precisa de três ou quatro HMCs para atingir seus números de produção, pode obtê-los em uma única plataforma. É mais fácil operar a máquina, usa menos energia e ocupa menos espaço no chão.

Requisitos de espaço no chão de um HMC, com suas áreas associadas de carga e descarga, não são insignificantes. "Agora, multiplique esse espaço por três e as coisas ficam bastante grandes", diz o Sr. Porta. "Como o Multicenter é essencialmente três HMCs em uma única plataforma, ele ocupa apenas 87 metros quadrados. Calculamos que três HMCs típicos, com automação associada, ocupariam 240 metros quadrados."

O Multicenter, quando comparado a três centros de usinagem horizontais autônomos, consome 50% menos energia, segundo o Sr. Porta. Ele cita números de consumo de 51 kWh para o Multicenter versus 120 kWh para três centros de usinagem, com produção equivalente.

Essas taxas são justificadas pela redução de acessórios redundantes, diz ele. Por exemplo, os centros de usinagem acionam três sistemas de automação, três transportadores de cavacos e três trocadores de paletes. Além disso, há mais manutenção associada a três versus uma plataforma.

Dois Clientes-Alvo

Segundo o Sr. Porta, o Multicenter tem dois clientes-alvo. Como a empresa foi construída em máquinas especiais de alto volume, o Multicenter é projetado para ser um centro de produção de volume.

"Alguns de nossos clientes dedicam o Multicenter a uma única peça, como uma máquina especial", diz o Sr. Porta. "Essas oficinas estão fabricando quantidades automotivas na faixa de 700.000-1.000.000 de peças por ano em alguns casos. As vantagens inerentes dos três centros de usinagem em uma plataforma — redução de custo por menos espaço, menos energia e menor mão de obra — ainda se aplicam nestas aplicações."

Onde o Multicenter difere de sua ancestralidade de máquina especial, é sua capacidade de ser competitivo em custo em aplicações de volume menor. "Alguns de nossos clientes usam o Multicenter para atender pedidos de produção que não são alto volume, mas sim alta mistura", diz o Sr. Porta.

Para este segundo grupo-alvo, lotes de 500 a 5.000 são típicos. Estas oficinas geralmente não fabricam peças para estoque, mas sim atendem pedidos "spot".

Estas oficinas tendem a usar a capacidade do Multicenter para responder a pedidos conforme chegam. As máquinas nestas job shops são ferramentadas para produção flexível em vez de produção dedicada.

Fixação de Troca Rápida

A estrutura do Multicenter é bastante diferente de um HMC. A base da máquina é uma estrutura soldada que o Sr. Porta descreve como uma estrutura de caixa fechada. Dentro da caixa, uma mesa rotativa de quatro estações carrega os paletes de usinagem. A caixa tem três paredes com um módulo de centro de usinagem em cada uma das paredes com seu próprio conjunto de guias lineares. A quarta parede é aberta para a estação de carga/descarga acessar a zona de trabalho.

No desenvolvimento do Multicenter, a Porta projetou o sistema de fixação para ser flexível. Montado em cada um dos três paletes da máquina está um receptor que pode ser indexado para posição ou continuamente para contorno no eixo B pelo palete. Os receptores são padronizados e permanecem no lugar no palete.

Grampos para as peças específicas montam no receptor e abrem ou fecham sob CNC e a hidráulica é constantemente monitorada pelo controle. A troca é realizada simplesmente substituindo os grampos no receptor. Isso resulta em um tempo de troca de 30 segundos.

Para acesso ao quinto lado de uma peça, o fixador é projetado para indexar 90 graus para expor aquele lado da peça ao fuso. Embora esta operação seja geralmente feita no fuso três, pode ser feita em todos os fusos se necessário. Os fixadores também são capazes de uma opção de eixo U se torneamento de ponto único for necessário para finalizar a peça.

Rodando o Programa

Programação para o Multicenter de três fusos é relativamente simples. Cada módulo de centro de usinagem tem sua própria página no controle FANUC ou Siemens, então sua programação é basicamente uma máquina de três eixos, com um eixo B, por vez. A programação progride do fuso um para dois para três.

Embora haja efetivamente três programas separados rodando simultaneamente, não há necessidade de um controle de sincronização separado. Ambas as marcas de CNC que a Porta usa operam sincronização dos programas em segundo plano no controle.

Como a máquina tem três fusos e geralmente roda operações sequenciais, balancear o tempo de ciclo para eliminar tempo morto é importante. A Porta desenvolveu um pacote de software com a Microsoft chamado Energy Characterization.

Lendo o consumo de energia dos motores do fuso, o software efetivamente reduz potência para cortes mais leves e a transfere, através de frenagem regenerativa, para o fuso usando mais potência. O resultado líquido é consumo de energia otimizado.

A Porta é compatível com capacidade de conectividade Industry 4.0. Alguns de seus programas de desenvolvimento são relativamente avançados. A informação disponível, seja a produção 1.000.000 de peças ou 500 peças, é valiosa para qualquer fabricante. Dados estão se juntando aos cavacos como a moeda da manufatura de metalurgia.