Gabaritos e acessórios:6 maneiras de melhorar a eficiência da produção com impressão 3D

Quer sejam gabaritos, acessórios ou garras, o ferramental continua sendo uma parte vital, embora aparentemente mundana, do processo de fabricação. Independentemente da complexidade de seus produtos, a produtividade e a eficiência de sua produção dependem da disponibilidade de ferramentas auxiliares de alta qualidade.

Nos últimos anos, houve uma mudança radical na forma como esses auxiliares de ferramentas são produzidos:de Volkswagen para Boeing, Jabil e mais, os principais fabricantes viram os benefícios da impressão 3D como meio de fabricação de ferramentas.

Então, como a impressão 3D desses auxiliares de manufatura pode ajudar os fabricantes a alcançar um processo de manufatura enxuto?

A importância dos gabaritos e acessórios

Maximizar a eficiência e produtividade da produção é uma preocupação fundamental para os fabricantes. Gabaritos e acessórios são auxiliares de fabricação usados para aumentar a confiabilidade, precisão e qualidade do processo de fabricação, minimizando os tempos de ciclo de produção e melhorando a segurança do trabalhador.

Fundamentalmente, o objetivo dos gabaritos, acessórios e auxiliares de fabricação é fornecer um processo de fabricação preciso, repetível e intercambiável, ao mesmo tempo que reduz o tempo de produção e o erro humano.

Jigs

Um gabarito é uma ferramenta que segura e apóia a peça de trabalho enquanto orienta a ferramenta de corte ou usinagem para uma operação específica. O tipo mais comum de gabarito são gabaritos de perfuração, que orientam a broca até o local desejado.

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Os acessórios seguram, apoiam e localizam a peça de trabalho (mas não orientam a ferramenta de corte) durante o processo de usinagem ou montagem. Os acessórios são normalmente fixados à máquina e cada acessório deve ser construído para se ajustar a uma peça ou forma específica.

Gabaritos e acessórios são vitais para otimizar os processos de fabricação e os benefícios incluem:

Redução de sucata
Melhorando a precisão e repetibilidade dos processos
Reduzir o nível de habilidade necessária (para operar gabaritos e acessórios)
Aumento da produtividade

Ferramentas impressas em 3D:rompendo com a tradição

Em 2021, mais da metade (57%) das empresas pesquisadas pela Jabil relataram que usam a impressão 3D para ferramentas, gabaritos e acessórios, contra 30% em 2017 e 37% em 2019.

Os métodos de fabricação tradicionais exigem que os gabaritos e acessórios sejam usinados em CNC ou soldados e montados manualmente. Esse processo pode levar dias (ou semanas se terceirizado), até porque a usinagem de peças requer planejamento intensivo e operadores de máquina qualificados.

Não é novidade que o uso de métodos de fabricação tradicionais resulta em longos prazos de entrega e altos custos de produção, além de oferecer pouca flexibilidade em novas alterações de design.

A impressão 3D, no entanto, é uma alternativa ideal. Com uma impressora 3D, você pode fabricar gabaritos e acessórios sob demanda, por uma fração dos custos de material, e pode iterar conforme necessário.

Por que imprimir em 3D?

1. Prazos de entrega mais rápidos

Um dos principais benefícios da impressão 3D é a velocidade com que as peças podem ser produzidas. Como a impressão 3D é um processo de manufatura digital que usa modelos CAD 3D, tudo o que é necessário é carregar o referido modelo CAD, e sua peça pode ser impressa em questão de horas.

Isso traz benefícios significativos para a produção de gabaritos e acessórios. Com a manufatura tradicional, a produção de ferramentas pode levar dias ou até semanas e envolve várias etapas de processamento. Porém, com a impressão 3D, grande parte do processo de fabricação é automatizado, exigindo menos intervenção humana e acelerando o processo de produção.

Os casos da vida real são muitos:a Volkswagen Autoeuropa, a maior fábrica automotiva de Portugal, relatou economia de tempo de 89% com gabaritos e acessórios de impressão 3D. Uma pesquisa conduzida pela Stratasys conta uma história semelhante:de acordo com o fabricante, gabaritos e acessórios de impressão 3D podem resultar em reduções de prazo de entrega de até 90%.

A velocidade com que os gabaritos e acessórios podem ser produzidos com impressão 3D significa que também é ideal para fazer várias iterações de um dispositivo - facilitando mudanças de design inovadoras e novas.

Freqüentemente, várias iterações podem ser projetadas e impressas no mesmo dia. Compare isso com os altos custos e prazos prolongados de uso de um fornecedor externo, e os benefícios da manufatura aditiva são claros.

Esses benefícios significam que os engenheiros não precisam sofrer com longos ciclos de desenvolvimento e longos tempos de espera entre o recebimento de iterações da oficina mecânica. Eles têm liberdade e flexibilidade para incorporar alterações de design até a produção.

2. Custos reduzidos

Juntamente com a economia de tempo, a impressão 3D oferece uma redução significativa nos custos de produção. Freqüentemente, a produção de gabaritos, acessórios e outros equipamentos de ferramentas é terceirizada para fornecedores externos.

Em contraste, a impressão 3D desafia essa abordagem de frente, permitindo que os fabricantes tragam a tecnologia internamente. Essa nova estratégia - de fabricação interna de ferramentas de baixo volume - significa que os fabricantes podem cortar despesas com terceirização.

Por exemplo, a Liberty Electronics, uma oficina de manufatura contratada que produz conjuntos de alta tecnologia para as indústrias militar e aeroespacial na Pensilvânia, economizou 85% do custo de uma ferramenta personalizada imprimindo-a em 3D internamente em vez de terceirizá-la.

O estoque é outra área onde os fabricantes podem reduzir drasticamente os gastos com impressão 3D. Em vez de armazenar equipamentos de ferramentas, a manufatura aditiva permite a fabricação sob demanda, de modo que as ferramentas podem ser produzidas quando necessário.

Finalmente, como a impressão 3D é um processo aditivo e não subtrativo, os fabricantes podem minimizar facilmente o desperdício de material, reduzindo os custos de material.

3. Ergonomia aprimorada

Uma vez que gabaritos e acessórios exigem manuseio físico por parte dos trabalhadores na área de produção, a criação de peças leves e fáceis de manusear deve ser uma prioridade para os fabricantes.

Aqui, a impressão 3D pode ajudar imensamente na redução de peso. Materiais de alto desempenho, por exemplo, são uma ótima alternativa aos processos de corte de metal e oferecem uma opção mais leve. Ferramentas mais leves também significam maior facilidade de uso para os trabalhadores na área de produção.

A manufatura aditiva permite que os engenheiros criem ferramentas aprimoradas para atender aos requisitos exatos dos trabalhadores.

O ambiente de montagem é difícil e as tarefas repetitivas podem ser extremamente desgastantes para os funcionários, diz Bob Heath, engenheiro de aplicações AM da Eckhart, um dos líderes em soluções industriais avançadas. Projetar ferramentas personalizadas e ergonômicas que também são muito mais leves do que as ferramentas projetadas tradicionalmente é um benefício do processo aditivo na Eckhart.

A empresa aprimora constantemente a ergonomia das ferramentas com impressão 3D, incorporando feedback do usuário final, ao mesmo tempo que torna as tarefas mais leves, seguras, repetíveis e precisas para os trabalhadores da linha de montagem.

Por exemplo, é um pesadelo ergonômico para um montador ter que instalar uma lâmina de limpador em um novo veículo que entra na estação a cada 45 segundos.

Então, Eckhart fez parceria com a Stratasys para desenvolver um gabarito impresso em 3D que localiza fora do corpo do motor do limpador - auxiliando o operador por sucção da ferramenta no pára-brisa do veículo.

A localização fixa resultante do novo gabarito permite a instalação consistente da lâmina do limpador pelo montador e elimina qualquer retrabalho ou problemas de qualidade posteriormente.

Leia também:Entrevista com o engenheiro de aplicação de fabricação de aditivos da Eckhart sobre impressão 3D, automação e indústria 4.0

4. Maior variedade de materiais

Uma ampla variedade de materiais está disponível para impressão 3D, de plásticos e metais a borrachas e cera. A impressão 3D multimaterial é uma área de interesse em rápido crescimento, com materiais combinados para criar novos materiais com propriedades mecânicas aprimoradas. Por exemplo, as peças impressas em 3D podem ser resistentes a produtos químicos e ao calor ou possuir estabilidade UV.

Uma das implicações mais significativas para gabaritos e acessórios é o desenvolvimento de materiais de alto desempenho, como PEKK ou ULTEM e compostos, que podem criar peças de ferramentas fortes e leves com propriedades mecânicas aprimoradas.

5. Desempenho aprimorado

A impressão 3D pode ajudar a melhorar o desempenho de gabaritos e acessórios, fornecendo uma maneira mais simples de criar designs novos e aprimorados. Anteriormente, conseguir isso seria uma tarefa gigantesca devido ao nível de esforço e despesa necessários para a produção de novos acessórios de manufatura com métodos tradicionais

AM torna possível adicionar recursos, como números de série, datas de fabricação e outros dados importantes, permitindo gerenciamento e rastreamento de estoque aprimorados.

Os componentes que seriam separados no processo de usinagem podem ser combinados na impressão 3D. Isso irá minimizar o espaço de lacuna e o acúmulo indesejado de poeira e cavacos (por exemplo, para uma ferramenta de usinagem).

6. Personalização

Por fim, a impressão 3D facilita a criação de produtos customizados. Juntamente com a capacidade de criar geometrias complexas, a tecnologia pode ser facilmente usada para produzir ferramentas complexas e personalizadas que, de outra forma, seriam inatingíveis com os métodos de manufatura tradicionais.

E as oportunidades de personalização trazem benefícios para uma variedade de setores, por exemplo, no campo de dispositivos médicos. Aqui, a impressão 3D já está em uso para criar guias cirúrgicos, reduzindo o tempo de cirurgia e proporcionando uma melhor experiência ao paciente.

Jigs e acessórios impressos em 3D em ação

Muitos fabricantes já estão aproveitando os benefícios econômicos e de produtividade da impressão 3D para a produção de ferramentas.

Fabricação

Jabil

A Jabil é uma empresa global de serviços de manufatura com 100 instalações espalhadas por mais de vinte países em todo o mundo. Com seu arsenal de sistemas Ultimaker AM, a empresa já está explorando a impressão 3D para a produção de gabaritos e acessórios. Sua instalação de Auburn Hills em Michigan é pioneira na produção de ferramentas usando manufatura aditiva.

“Parece-me que, a longo prazo, todos os acessórios e gabaritos serão impressos em 3D, alguns serão em plástico, alguns serão em metal, mas no final das contas faz todo o sentido.” - John Dulchinos, Jabil.

Com a tecnologia, a empresa pode produzir lotes únicos de gabaritos e acessórios com várias iterações de projeto sem nenhuma restrição de custo. A instalação agora pode reduzir o custo de ferramentas em até 30% e reduzir o tempo necessário em 80%, enquanto aumenta a satisfação do cliente.

“Ferramentas e acessórios impressos em 3D são uma área da qual a maioria dos fabricantes pode se beneficiar ao aplicar a impressão 3D em seus processos existentes”, de acordo com o Diretor de Fabricação de Aditivos da Jabil, Tim DeRosett.

Aeroespacial

Grupo de aeronaves Moog

O fabricante aeroespacial e de defesa, Moog Aircraft Group, tem usado a tecnologia Fused Deposition Modeling (FDM) para imprimir em 3D dispositivos de medição por coordenadas (CMM). Segundo a empresa, a terceirização da produção de luminárias CMM resultou em um lead time de quatro a seis semanas, da concepção à peça final. Com a impressão 3D, no entanto, a empresa pode produzir os mesmos acessórios internamente em cerca de 20 horas. O preço dos acessórios CMM impressos em 3D também caiu de £ 2.000 para algumas centenas de libras.

Boeing

No entanto, a impressão 3D não é benéfica apenas para pequenos auxiliares de fabricação. Em 2016, um projeto colaborativo entre a Boeing e o Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia (ORNL) no Tennessee, produziu uma ferramenta impressa em 3D de corte e perfuração para aeronaves 777X da Boeing - estabelecendo um recorde mundial na época para o maior Objeto impresso em 3D.

Anteriormente fabricada com métodos de fabricação tradicionais usando metal, a ferramenta de corte e perfuração foi impressa em 3D com ABS reforçado com fibra de carbono em apenas 30 horas. A rápida produção foi alcançada graças à máquina proprietária Big Area Additive Manufacturing (BAAM), desenvolvida principalmente para aplicações AM em grande escala.

Leia também:4 aplicações impressionantes de impressão 3D em grande escala

Automotivo

BMW

Ferramentas impressas em 3D também são amplamente utilizadas no setor automotivo. BMW é um exemplo notável:a montadora alemã usou Fused Deposition Modeling para produzir ferramentas manuais para montagem e teste como uma alternativa aos métodos tradicionais de fabricação de corte de metal, como fresamento ou torneamento. Graças à impressão 3D, o peso das ferramentas ergonomicamente projetadas foi reduzido em 72%, tornando-o mais fácil de usar para os trabalhadores e aprimorando a funcionalidade do dispositivo.

Renault Sport F1

A impressão 3D também foi uma solução valiosa para a fabricação de ferramentas na Renault Sport Fórmula 1. Entre suas muitas aplicações de impressão 3D, a empresa usou a estereolitografia (SLA) para produzir gabaritos para o sistema de escapamento de seu carro de corrida.

Antes de adotar a manufatura aditiva, a Renault usava a usinagem CNC para fabricar seus gabaritos, o que poderia levar dias - e a montagem das peças pré-usinadas poderia levar uma semana. Em contraste, com a manufatura aditiva, 15 gabaritos podem ser produzidos durante a noite - uma economia de tempo significativa.

Leitura adicional:Impressão 3D e Fórmula 1:5 tendências no automobilismo

Como obter o máximo da impressão 3D de gabaritos e acessórios

Otimize o projeto da ferramenta

A impressão 3D bem-sucedida de auxiliares de fabricação começa no design. Reserve algum tempo para considerar que funcionalidade adicional pode ser incorporada ao gabarito ou acessório no estágio de projeto para aproveitar as vantagens da flexibilidade de projeto do AM. Pequenos recursos que seriam difíceis de usinar e geometrias consideradas impossíveis devido à folga da ferramenta em fresamento ou torneamento estão todos dentro do escopo dos processos AM.

O que é empolgante é que as empresas de AM estão agora desenvolvendo ativamente soluções automatizadas para acelerar o processo de design e permitir que os engenheiros avaliem rapidamente as opções de design antes de imprimir qualquer coisa na máquina. Essa ferramenta pode ser benéfica para o projeto de ferramentas.

Por exemplo, a Ford demonstrou como a automação pode reduzir o tempo para projetar ferramentas de horas para minutos.

Em parceria com uma empresa de software alemã, Trinckle, a montadora ganhou acesso a um software que poderia gerar automaticamente a geometria da ferramenta para se ajustar ao contorno do carro e formar a base do novo gabarito. Com um simples clique, os engenheiros também podem adicionar elementos como alças, montagens de ímã para fixação e guias de borda.

Automatizar o processo de design para esta peça economizou várias horas de trabalho, reduzindo o processo de design para apenas 10 minutos. A Ford acredita que esta abordagem tem potencial para economizar milhares de euros por ferramenta.

O fabricante de hardware Stratasys também está desenvolvendo soluções de automação de design de ferramentas 3D em colaboração com a empresa de software nTopology.

Chamada de Gerador de Fixação, esta nova solução permite que os engenheiros preparem peças de ferramentas de forma simples de arrastar e soltar. Isso é feito por meio do uso do mecanismo de software de otimização de topologia da nTopology, que otimiza os projetos de peças com o aplicativo de uso final em mente. Você pode solicitar acesso ao gerador de acessórios aqui.

Digitalize o inventário para facilitar o reordenamento de ferramentas impressas em 3D

Se você imprime muitas ferramentas regularmente, deve considerar a simplificação do fluxo de trabalho para seus pedidos.

Muitas empresas que implementam gabaritos e acessórios impressos em 3D geralmente armazenam arquivos de design em pastas compartilhadas, enquanto os engenheiros precisam enviar solicitações por e-mail para solicitar suas ferramentas. Ao mesmo tempo, os gerentes de departamento 3D precisam classificar os e-mails e procurar nas pastas e planilhas para encontrar os arquivos solicitados e seus requisitos de produção para enviá-los para produção.

É fácil ver por que esse fluxo de trabalho não é muito eficiente:não é amigável para engenheiros que fazem pedidos de peças e é demorado e sujeito a erros para técnicos de impressão 3D.

Uma solução alternativa e mais eficiente seria criar um catálogo digital completo com arquivos de design 3D E requisitos de produção. Ao disponibilizá-lo aos engenheiros, as empresas podem simplificar o pedido e a programação da produção se o catálogo também estiver integrado a um sistema MES aditivo.

Leia também:4 maneiras pelas quais o inventário digital pode oferecer suporte às suas operações de AM

O futuro das ferramentas é a impressão 3D

Embora gabaritos e acessórios possam não ser o aspecto mais glamoroso da manufatura aditiva, eles continuam sendo cruciais para o processo de fabricação. AM é a alternativa ideal para garantir um processo de produção eficiente, ajudando a produzir gabaritos, acessórios e outros auxiliares em uma fração do tempo e do custo.

Olhando para o futuro, à medida que a fabricação de ferramentas se torna mais um esforço personalizado, os fabricantes que já adotaram a impressão 3D colherão os benefícios de um processo de fabricação mais simplificado e experimentarão grandes melhorias em eficiência e qualidade nas linhas de produção e montagem.

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