Escolhendo a imprensa certa

A tecnologia de prensa — seja mecânica, hidráulica ou servo — desempenha muitas funções

Há opções nas prensas, o que é uma coisa boa. O debate não é qual é o melhor, mas qual é o certo para o trabalho em questão. Existem compensações em custo, função e qualidade entre os principais tipos de prensas que se pode escolher.

É um debate amigável, e as cartas estão na mesa para todos verem.

Revisão rápida da tecnologia

De acordo com Stephanie Price, engenheira de aplicação sênior da Promess Inc, Brighton, Michigan, muitas pessoas na indústria não apreciam totalmente as vantagens da tecnologia de servo-prensa. Por outro lado, Mike Josefiak, engenheiro mecânico da Greenerd Press &Machine, Nashua, N.H., argumenta que uma prensa hidráulica é a melhor solução para algumas aplicações. E Jim Landowski, vice-presidente da Komatsu America Industries LLC, com sede em Chicago, diria que ainda existem situações em que uma prensa mecânica tradicional é boa.

Uma prensa mecânica converte o movimento rotacional de um volante no movimento linear do aríete pressionando a peça de trabalho. Como Landowski descreveu, você pode “imaginar o círculo, com zero na parte superior e 180 na parte inferior. Uma prensa mecânica vai de zero a 180 e volta a zero, ou 360, em um movimento contínuo.” O curso não tem força na parte superior e força máxima na parte inferior, então “dependendo da matriz, você pode começar a empurrar o material em 160 graus ou mais. Mas quando chega a 180, a parte está terminada, porque seu slide está voltando para cima.”

Como explicou Bob Southwell, vice-presidente executivo da AIDA-America, Corp. Dayton, Ohio, a maioria das prensas servo são versões do mesmo arranjo, “exceto que você está alimentando um trem de acionamento mecânico com um servo motor, em vez de um volante com um mecanismo de freio de embreagem.” Uma prensa mecânica tem um curso fixo e uma velocidade constante. Mas “adicione um servo motor a ele e agora você poderá programar o perfil de movimento. Você pode desacelerar, pausar, executar reataques rápidos e fazer várias coisas que nunca seriam possíveis com uma prensa mecânica padrão.” Há também uma versão de acionamento direto (servo motor para fuso de esferas), com melhores características de torque do que o híbrido servo-mecânico.

Uma prensa hidráulica combina um conjunto de bombas, válvulas e mangueiras para engatar o aríete com fluido pressurizado. Embora essa abordagem tenha vantagens, ela não inclui o tipo de controle de movimento abordado acima. Portanto, uma prensa servo oferece recursos adicionais e resolve vários problemas que ocorrem com prensas mecânicas ou hidráulicas puras.

Novos materiais, novos desafios

Landowski observou que a mudança em direção a ligas avançadas trazida pelo peso leve automotivo e outros fatores está impulsionando a demanda por servo-prensas. Como ele disse, “pense no aço como um líquido, ele tem que fluir… Você não trabalha o material, você trabalha com o material”.

Materiais mais duros exigem ajustes finos na velocidade do aríete para “deixar o material fluir corretamente, ou então fica como caramelo e começa a se desfazer”. Por exemplo, ele disse, formar um copo em uma liga dura pode exigir uma desaceleração de 30 para 15 IPM ao longo de um curso de 3" (76,2 mm), em uma taxa de mudança precisa - e talvez variável.

Apenas um servocontrole poderia fazer isso, visto que os ajustes ocorrem em milissegundos.

A principal vantagem de um servo, afirmou Landowski, é a flexibilidade de trabalhar com diferentes metais, discando o fluxo de material. “É por isso que temos pessoas vindo para experimentar várias opções. Eu posso fazer uma parte boa ou ruim apenas mudando a velocidade do slide.”

Southwell concordou e relatou que esses desafios materiais resultaram em uma participação de mercado de servo-prensa de aproximadamente 80% na fabricação automotiva norte-americana. “Os aços e alumínios de alta resistência e ultra-alta resistência são muito mais difíceis de moldar do que os materiais de dez a quinze anos atrás. E a capacidade de um servo de ajustar o perfil de formação provou ser extremamente benéfica para a base de clientes.”

Josefiak, da Greenerd, concordou que o servocontrole tem uma vantagem no tempo de resposta em relação ao sistema hidráulico, no qual a resposta é amortecida, mas disse que não “visto muitas aplicações em que esse nível de controle no perfil de movimento afeta materialmente se você faz ou não um bom produto." Mas ele reconheceu que “restriking é um bom exemplo de uma função somente servo. Ir até o fundo e depois atacar novamente em uma fração de segundo não é algo que você possa fazer com a hidráulica.”

Se você não precisa controlar a velocidade, argumentou Landowski, pode não precisar de um servo.

“Se você está fazendo arruelas, por exemplo, ou pequenos rebites ou algo assim, você não vai diminuir a velocidade da prensa, você não vai controlar a velocidade. Você quer fazer o máximo de peças que puder, o mais rápido possível.” É aí que uma prensa mecânica brilha, disse ele. É também onde as prensas hidráulicas são menos apropriadas.

Servo Versatilidade na Montagem

Southwell acrescentou que a capacidade de uma servo-prensa ser facilmente reprogramada para diferentes peças é outro fator de sucesso, mesmo no mundo automotivo de alto volume.

“A maioria dos sistemas de prensas são projetados para executar vários tipos de peças. Eles executarão uma ferramenta por uma hora, trocarão e colocarão outra ferramenta. Praticamente ninguém configura uma impressora e apenas a executa... Não há como eles se manterem competitivos. Vendemos muitos sistemas para OEMs por meio de Tier Ones e Tier Twos para grandes famílias de peças diferentes ou conjuntos de matrizes por meio de uma única prensa.”

A versatilidade da servo prensa vai muito além da programação fácil e se estende a operações de montagem delicadas, disse Price da Promess.

Continuando com um exemplo automotivo, Price apontou para a montagem de uma dobradiça de porta. Ela explicou que uma prensa servo oferece alta precisão e um loop de feedback inerente capaz de monitorar de perto a posição e a força. Assim, ao pressionar a dobradiça, o Promess também é capaz de medir a resistência resultante na articulação, de modo que possa garantir que a porta não abra com muita facilidade nem seja muito rígida para ser desconfortável para o proprietário do carro.

Essa capacidade de ativar uma peça móvel e medir forças em tempo real também oferece a oportunidade de afrouxar as tolerâncias da peça, reduzindo assim os custos dos componentes. Como Price explicou, sem feedback durante a montagem, os engenheiros muitas vezes são forçados a projetar e fabricar com tolerâncias muito apertadas para garantir que as peças se encaixem corretamente.

“Eles usam o fato de que a prensa chegou a uma certa profundidade e, com base em suas tolerâncias apertadas, assumem que a peça foi montada corretamente. Eles não têm análise de assinatura para verificar isso.”

Com uma prensa servo, eles podem afrouxar as tolerâncias e observar os dados durante o processo de montagem para determinar se o que eles pressionaram está realmente encaixado corretamente. Price disse que os recursos integrados de detecção de suas servo-prensas resultaram em reduções na taxa de refugo de até 50% em alguns casos.

Price também apontou que, se uma aplicação exigir sensoriamento adicional (além do feedback do servomotor), é fácil integrar com seus sistemas.

“Temos clientes que usam de nove a dez transdutores de pressão diferentes, ou transdutores de posição, ou células de carga externas. Podemos recolher todas essas informações para entender o que está acontecendo dentro do processo”, disse ele. “E podemos reagir a isso durante o processo. E como tudo é elétrico, é muito simples de configurar. Basta conectar um transdutor em um condicionador de sinal digital. O controlador pode então receber esse sinal e usá-lo para fazer uma determinação.”

Impressões, controle e compensações

As prensas hidráulicas não são cegas nesta área. Josefiak disse que existem controladores de movimento dedicados a sistemas hidráulicos com “tempos de varredura extremamente rápidos que analisam a pressão em ambos os lados de um atuador hidráulico. E então, usando transdutores de pressão de ação rápida, podemos mostrar a força real sendo aplicada ao trabalho.” Um desses sistemas atualiza a medição de força em menos de um milissegundo. Em sua opinião, as aplicações que exigem medição de força mais rápida são “poucas e distantes entre si”.

De acordo com Southwell, as prensas servo são muito melhores do que as prensas hidráulicas na fabricação de peças complexas que exigem uma série de matrizes. Anos atrás, isso teria sido feito com a transferência manual de peças de prensa para prensa, explicou. Mas agora “a única maneira de competir” é transferir mecanicamente peças de um estágio para outro em uma única prensa. Mas “quando você usa várias estações para fazer uma peça, você tem um carregamento descentralizado, o que é muito prejudicial para um trem de acionamento hidráulico”.

Josefiak respondeu que “o carregamento fora do centro é prejudicial para os sistemas mecânicos e hidráulicos. Ambos lidam com essas cargas descentralizadas com construção e guiamento adequados da estrutura de aço. Temos sistemas que usam vários cilindros hidráulicos para permitir um carregamento fora do centro muito maior do que uma prensa servomecânica pronta para uso.”

Há também alguma controvérsia sobre aplicações que exigem o uso de óleo de qualidade alimentar como lubrificante. Landowski relatou que “vários clientes mudaram de prensas hidráulicas para servomecânicas apenas devido ao choro dos cilindros e aos gibs deslizantes pingando no material. Todas as peças precisam ser limpas após serem formadas para remover toda e qualquer contaminação possível. Os clientes também nos disseram que a limpeza de lubrificantes de grau alimentício é menos dispendiosa do que de grau não alimentício devido aos regulamentos da FDA ou EPA.”

A Josefiak disse que atendeu aos padrões médicos e de segurança alimentar em vários projetos “modificando a vedação em suas prensas para usar óleo de qualidade alimentar no lugar de óleos industriais padrão”. Enquanto Landowski afirmou que sua prensa servo padrão pronta para uso não precisa de nenhuma modificação, “apenas o óleo de qualidade alimentar para o acionamento da prensa e o lubrificante deslizante”. Um cliente “fabrica rolhas de borracha para tubos de ensaio. Cada golpe da prensa fornece 65 a 75 rolhas de borracha, e os lubrificantes não alimentícios invalidariam esse processo específico.”

A Hidráulica Conquista o Deep Draw

De acordo com Southwell, “a vantagem de uma prensa hidráulica é que você tem capacidade total de tonelagem ou força durante todo o curso. Então, se for uma prensa de 200 toneladas e você tiver um curso de doze polegadas, você pode aplicar 200 toneladas de pressão durante todo o curso. Com uma prensa servo que tem o mesmo trem de acionamento excêntrico mecânico que a prensa mecânica original, você tem a engrenagem, o virabrequim ou um eixo central e um acionamento de engrenagem central. Há uma curva de tonelagem ou torque, e a força que você pode aplicar varia dependendo do ângulo do eixo do motor na parte inferior.” Este não é o caso de servo-prensas de acionamento direto como as feitas pela Promess, mas esses sistemas se tornam muito caros à medida que a tonelagem aumenta. Promess atinge 1 MN (~100 toneladas) em um único cilindro, por exemplo.

A capacidade de aplicar força total em todo o curso torna as prensas hidráulicas perfeitas para aplicações de repuxo profundo, e Josefiak chegou a dizer que é “a única opção que realmente faz sentido”.

Um exemplo recente que ele citou é um projeto para produzir “tanques de pressão relativamente grandes. Instalamos um sistema automatizado que carrega peças grandes e planas em uma prensa de estampagem profunda com um curso de trabalho de 1,5 metro.” O sistema tem múltiplas operações, explicou. O primeiro usa uma prensa de 170 Ton para desenhar duas metades do tanque. Isto é seguido por uma prensa de punção automatizada e corte e soldagem a jusante. A chave aqui, disse Josefiak, é que esse golpe de trabalho “não é algo que é facilmente replicado com uma prensa servo. Portanto, a extração profunda é uma área onde a hidráulica ainda domina. E isso acontece em vários setores. É mais o processo do que a indústria.”

Josefiak disse que a hidráulica também “se sai muito bem em situações com um tempo de ciclo muito longo, onde podemos gerenciar um consumo de energia muito baixo em uma pressão consistente em toda a área do leito e relativamente barato do ponto de vista do custo de capital”. A moldagem por compressão oferece um exemplo importante. “Normalmente, a moldagem por compressão será uma combinação de tempo, temperatura e pressão formando um material em uma forma”, explicou Josefiak. A prensa seguraria um material relativamente fino contra uma forma de matriz positiva ou negativa sob pressão. “A duração pode ser tão curta quanto cinco segundos ou até duas horas. E muitas vezes... estamos tentando manter uma temperatura constante na área de trabalho de cerca de 300 a 700 graus, e tentando controlar uma pressão muito consistente em toda a área de trabalho.” Isso garante que o material que está sendo formado seja uniforme por toda parte. A técnica é usada para coisas como forros de cama automotivos (incluindo os novos forros de cama compostos) e forros automotivos feitos com um material semelhante a um tapete. Outro exemplo que ele listou é “compactação de pó para fazer rebolos de óxido de alumínio”.

Considerações de custo

De um modo geral, o investimento de capital para uma prensa servo excede o das prensas mecânicas ou hidráulicas tradicionais. Mas há custos operacionais e fatores relacionados a serem considerados que tornam essa comparação quase inútil. Além disso, nem todas as prensas de um determinado tipo são iguais, mesmo para as mesmas classificações de tonelagem/torque.

Comecemos pelo consumo de energia. Uma prensa hidráulica deve manter a pressão nas linhas para mover o aríete sob demanda, e isso significa executar as bombas através dos ciclos. Isso se compara desfavoravelmente com uma prensa servo, que usa eletricidade apenas quando o aríete está em movimento. De acordo com Landowski, isso gera aproximadamente “50% de economia de energia com uma prensa servo, dependendo do tamanho da máquina”. Price se referiu a um estudo da Universidade de Kassel, que descobriu que a servo prensa é 90% eficiente na conversão de energia, contra 57% do sistema hidráulico comparável. Southwell disse que a Honda estudou seus próprios sistemas e publicou a descoberta de que as prensas de servo ofereceram uma economia de 30% no consumo real de energia.

Southwell também indicou que algumas prensas AIDA usam um “sistema de gerenciamento de energia 100% baseado em capacitor”. Isso armazena a energia de trabalho necessária em capacitores, que são recarregados durante a parte não operacional do curso. Isso “reduz enormemente o pico de carga”, explicou ele, em comparação com uma prensa mecânica ou hidráulica, que tem um “enorme pico quando se engaja pela primeira vez”. O desenho atual da AIDA é “bastante plano. Portanto, seu pico de fluxo real pode ser de apenas 20 a 30 por cento do pico de carga de sistemas mecânicos ou hidráulicos. Isso é fundamental, porque as empresas de energia precisam dimensionar a eletricidade que entregam ao cliente pela carga de pico.”

Josefiak respondeu que em um ambiente de alta produção há pouco ou nenhum tempo ocioso, então “realmente não importa muito” que as bombas hidráulicas estejam funcionando continuamente. E “em sistemas em que temos longos tempos ociosos de 10 minutos ou mais, podemos instalar um controle de motor de 'partida suave' que desliga o motor para economizar energia”. Curiosamente, embora essa opção adicione apenas 2% a 3% do custo do sistema, Josefiak relatou que nunca houve uma forte demanda por ela. Ele acrescentou que mudar de uma bomba de deslocamento fixo para uma bomba de deslocamento variável também pode “reduzir drasticamente nosso consumo de energia ociosa”. Mas isso novamente é uma opção que ainda não se tornou a norma nos EUA.

Com todas as suas bombas, válvulas, tubos e mangueiras, a tecnologia hidráulica é muitas vezes considerada mais complexa e mais intensiva em manutenção do que os sistemas baseados em servo. Price disse que suas prensas de servo não exigem nada mais do que lubrificação dos fusos de esferas duas vezes por ano - e mesmo isso está sendo muito cauteloso. Por outro lado, mantenha as linhas hidráulicas sob alta pressão por meses, ciclo após ciclo, e mais cedo ou mais tarde algo pode vazar ou um subcomponente pode falhar. O contra-argumento, disse Josefiak, é que “ninguém está mais usando conexões NPT. Há uma variedade de vedações estilo metal-metal e O-ring, construídas com materiais melhores, que fizeram um trabalho muito melhor no controle de vazamentos.” Além disso, disse ele, os componentes individuais são relativamente baratos e fáceis de reparar, enquanto “fazer reparos em um sistema servo é dramaticamente mais caro”.

Este último ponto nos traz ao tópico de dimensionar corretamente os componentes para o trabalho. É verdade que, se você queimar um servo motor em alguns anos, terá uma grande conta de reparo. Mas Price disse que seus sistemas funcionam rotineiramente por 20 anos sem tais falhas, porque são projetados com um fator de segurança de 2,5 ×. Os acionamentos são dimensionados para funcionar na corrente contínua do servo motor, em vez do pico, para que a prensa possa segurar a peça indefinidamente sem superaquecer e falhar.

Da mesma forma, os fusos de esferas terão uma capacidade de carga dinâmica de 2,5 vezes a classificação de força da prensa. Por exemplo, o fuso de esferas em uma prensa Promess de 40 kN tem uma capacidade de carga dinâmica de 134 kN e uma capacidade de carga estática de 320 kN. Price disse que esse sistema pode funcionar sem falhas por mais de 22 anos ao executar um trabalho com uma força média de 30 kN, com 16 ciclos/min em 14 horas/dia. Compare isso com apenas 32 semanas para um fuso de esferas com carga dinâmica de 40 kN; mesmo com uma classificação de 80 kN, o sistema duraria menos de cinco anos.