Escolhendo a Prensa Certa: Guia Especialista para Opções Mecânicas, Hidráulicas e Servo

A tecnologia de prensa — seja mecânica, hidráulica ou servo — desempenha muitos papéis

Existem escolhas em prensas, o que é uma coisa boa. O debate não é qual é a melhor, mas qual é a certa para o trabalho em questão. Existem trade-offs em custo, função e qualidade entre os principais tipos de prensas que se poderia escolher.

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

Revisão Rápida da Tecnologia

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

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

Como Bob Southwell, vice-presidente executivo da AIDA-America, Corp. Dayton, Ohio, explicou, a maioria das prensas servo são versões do mesmo arranjo, "exceto que você está alimentando um trem de acionamento mecânico com um motor servo, versus um volante com mecanismo de embreagem e freio." Uma prensa mecânica tem curso fixo e velocidade constante. Mas "adicione um motor servo a ela, e agora você é capaz de programar o perfil de movimento. Você pode desacelerar, pausar, realizar re-prensagem rápida e fazer várias coisas que nunca foram possíveis com uma prensa mecânica padrão." Existe também uma versão de acionamento direto (motor servo para fuso de esferas), com melhores características de torque que o híbrido servo-mecânico.

Uma prensa hidráulica combina um conjunto de bombas, válvulas e mangueiras para engatar o aríete com fluido pressurizado. Embora esta abordagem tenha vantagens, elas não incluem o tipo de controle de movimento coberto acima. Então, uma prensa servo oferece capacidades adicionais e resolve vários problemas que ocorrem com prensas puramente mecânicas ou hidráulicas.

Novos Materiais, Novos Desafios

Landowski observou que a mudança para ligas avançadas trazida pelo leveamento automotivo e outros fatores está impulsionando a demanda por prensas servo. Como ele colocou, "pense no aço como um líquido, ele tem que fluir... Você não trabalha o material, você trabalha com o material."

Materiais mais duros requerem ajustes finos na velocidade do aríete para "deixar o material fluir corretamente, ou então ele vira tafy e começa a se separar." Por exemplo, ele disse, conformar uma xícara em uma liga dura pode requerer desaceleração de 30 para 15 IPM ao longo de um curso de 3" (76,2 mm), a uma taxa de mudança precisa — e talvez variável.

Apenas um controle servo poderia gerenciar isso, dado 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 do material. "É por isso que temos pessoas vindo para testar várias opções. Posso fazer uma peça boa ou ruim apenas mudando a velocidade do deslizamento."

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

Josefiak da Greenerd concordou que o controle servo tem vantagem no tempo de resposta versus hidráulicas, nas quais a resposta é amortecida, mas disse que não tinha "visto muitas aplicações onde aquele nível de controle no perfil de movimento materialmente impacta se você faz ou não um bom produto." Mas reconheceu que "re-prensagem é um bom exemplo de função apenas servo. Ir ao fundo e depois re-prensar dentro de uma fração de segundo não é algo que você pode fazer com hidráulicas."

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

"Se você está fazendo arruelas, por exemplo, ou pequenos rebites ou algo assim, você não vai desacelerar a prensa, não vai controlar velocidade. Você quer fazer o máximo de peças possível, o mais rápido possível." É aí que a prensa mecânica brilha, ele disse. Também é onde prensas hidráulicas são menos apropriadas.

Versatilidade do Servo na Montagem

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

"A maioria dos sistemas de prensa são projetados para rodar múltiplos tipos de peças. Eles rodam uma ferramenta por uma hora, trocam e colocam outra. Virtualmente ninguém configura uma prensa e apenas a roda... Não há como eles poderiam permanecer competitivos. Vendemos muitos sistemas para OEMs através de Tier Ones e Tier Twos para grandes famílias de diferentes peças ou conjuntos de matrizes através de uma única prensa."

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

Mantendo um exemplo automotivo, Price apontou para a montagem de uma dobradiça de porta. Ela explicou que uma prensa servo oferece tanto alta precisão quanto um loop de feedback inerente capaz de monitorar de perto posição e força. Então, ao prensar a dobradiça junto, a Promess também é capaz de medir a resistência resultante na junta, de forma que podem garantir que a porta não abra facilmente demais nem seja rígida demais para ser desconfortável para o proprietário do carro.

Esta capacidade de ativar uma peça móvel e medir forças em tempo real também rende a oportunidade de afrouxar tolerâncias de peças, reduzindo assim custos de componentes. Como Price explicou, sem feedback durante a montagem, engenheiros são frequentemente 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 foi a uma certa profundidade, e baseados 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 poderiam afrouxar as tolerâncias e observar os dados durante o processo de montagem para determinar que o que prensaram junto está realmente assentado corretamente. Price disse que as capacidades de sensoriamento embutidas de suas prensas servo rendeu reduções de taxa de sucata de até 50% em alguns casos.

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

"Temos clientes usando nove a dez transdutores de pressão diferentes, ou transdutores de posição, ou células de carga externas. Podemos receber toda aquela informação para entender o que está acontecendo dentro do processo", ele disse. "E podemos reagir a isso durante o processo. E como tudo é elétrico, é muito simples de configurar. Basta plugar um transdutor em um condicionador de sinal digital. O controlador pode então receber aquele sinal e usá-lo para fazer uma determinação."

Prensas, Controle e Trade-offs

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 olham a pressão em qualquer lado de um atuador hidráulico. E então usando transdutores de pressão de ação rápida, podemos mostrar a força real sendo aplicada ao trabalho." Um tal sistema atualiza a medição de força em menos de um milissegundo. Na opinião dele, aplicações requerendo medição de força mais rápida são "poucas e distantes."

Segundo Southwell, prensas servo são muito melhores que prensas hidráulicas na fabricação de peças complexas que requerem uma série de matrizes. Anos atrás, isso teria sido feito transferindo peças à mão de prensa para prensa, ele explicou. Mas agora "a única maneira de competir" é transferir mecanicamente peças de estágio para estágio dentro de uma única prensa. Mas "quando você usa múltiplas estações para fazer uma peça, você tem carregamento fora de centro, que é muito prejudicial a um trem de acionamento hidráulico."

Josefiak contra-argumentou que "carregamento fora de centro é prejudicial tanto a sistemas mecânicos quanto hidráulicos. Ambos lidam com essas cargas fora de centro com construção apropriada e guiamento da estrutura de aço. Temos sistemas usando múltiplos cilindros hidráulicos para permitir carregamento fora de centro muito maior que uma prensa servo-mecânica pronta."

Também existe alguma controvérsia sobre aplicações requerendo o uso de óleo de grau alimentício como lubrificante. Landowski relatou que "vários clientes mudaram de hidráulica para prensas servo-mecânicas unicamente devido a cilindros vazando e guias do deslizamento gotejando sobre o material. Todas as peças precisam ser limpas após serem conformadas para remover qualquer e toda contaminação possível. Clientes também nos disseram que limpar lubrificantes de grau alimentício é menos custoso que não alimentício devido a regulações FDA ou EPA."

Josefiak disse que eles satisfizeram tanto padrões médicos quanto de segurança alimentar em vários projetos "modificando a vedação em suas prensas para usar óleo de grau alimentício no lugar de óleos industriais padrão." Enquanto Landowski afirmou que suas prensas servo prontas não precisam de modificações, "apenas o óleo de grau alimentício para o acionamento da prensa e lubrificação do deslizamento." Um cliente "faz rolhas de borracha para tubos de ensaio. Cada curso da prensa entrega 65 a 75 rolhas de borracha, e lubrificantes não alimentícios invalidariam este processo particular."

Hidráulica Conquista Estampagem Profunda

Segundo Southwell, "a vantagem de uma prensa hidráulica é que você tem capacidade total de tonelagem ou força através de todo o curso. Então, se é uma prensa de 200 toneladas e você tem um curso de doze polegadas, você pode aplicar 200 toneladas de pressão todo o caminho através daquele curso. Com uma prensa servo que tem o mesmo trem de acionamento excêntrico mecânico da prensa mecânica original, você tem engrenagens, o eixo de manivela ou um eixo cêntrico, e um acionamento de engrenagem central. Existe uma curva de tonelagem ou torque, e a força que você pode aplicar varia dependendo do ângulo do eixo do motor fora da base." Isso não é o caso para prensas servo de acionamento direto como as feitas pela Promess, mas estes sistemas ficam muito caros à medida que a tonelagem aumenta. A Promess chega a 1 MN (~100 toneladas) em um único cilindro, por exemplo.

A capacidade de aplicar força total através de todo o curso torna as prensas hidráulicas perfeitas para aplicações de estampagem profunda, e Josefiak foi tão longe 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 blanks planos grandes em uma prensa de estampagem profunda que tem um curso de trabalho de cinco pés." O sistema tem múltiplas operações, ele explicou. A primeira usa uma prensa de 170 toneladas para estampar duas metades do tanque. Isso é seguido por uma prensa de perfuração automatizada e corte e soldagem a jusante. A chave aqui, disse Josefiak, é que tal curso de trabalho "não é algo facilmente replicado com uma prensa servo. Então estampagem profunda é uma área onde hidráulicas ainda dominam. E isso é através de várias indústrias. É mais o processo que a indústria."

Josefiak disse que hidráulica também "vai muito bem em situações com tempo de ciclo muito longo, onde podemos gerenciar consumo de energia muito baixo em uma pressão consistente através da área da mesa e relativamente barato do ponto de vista de custo de capital." Moldagem por compressão oferece um exemplo maior. "Geralmente, moldagem por compressão vai ser uma combinação de tempo, temperatura e pressão conformando um material em uma forma", explicou Josefiak. A prensa manteria um material relativamente fino contra uma forma de matriz positiva ou negativa sob pressão. "A duração pode ser tão curta quanto cinco segundos, ou tão longa quanto duas horas. E muito frequentemente... estamos tentando manter uma temperatura consistente da mesa através da área de trabalho de cerca de 300 a 700 graus, e tentando controlar uma pressão muito consistente através da área de trabalho." Isso garante que o material sendo conformado seja uniforme throughout. A técnica é usada para coisas como forros de caçamba automotivos (incluindo os novos forros compostos) e forros de teto automotivos feitos com material semelhante a carpete. Outro exemplo que ele listou é "compactação de pó para fazer rodas de moagem de óxido de alumínio."

Considerações de Custo

De forma ampla, o investimento de capital para uma prensa servo excede o de prensas mecânicas ou hidráulicas tradicionais. Mas existem custos operacionais e fatores relacionados a considerar que tornam esta comparação quase inútil. O mais, nem todas as prensas de um dado tipo são iguais, mesmo para as mesmas classificações de tonelagem/torque.

Vamos começar com consumo de energia. Uma prensa hidráulica deve manter pressão nas linhas para mover o aríete sob demanda, e isso significa rodar as bombas através dos ciclos. Isso compara-se desfavoravelmente com uma prensa servo, que usa eletricidade apenas quando o aríete está se movendo. Segundo Landowski, isso resulta em uma economia de energia de aproximadamente "50% com uma prensa servo, dependendo do tamanho da máquina." Price referiu-se a um estudo da Universidade de Kassel, que encontrou a prensa servo 90% eficiente em conversão de energia, versus 57% para o sistema hidráulico comparável. Southwell disse que a Honda estudou seus próprios sistemas e publicou a descoberta de que prensas servo entregaram 30% de economia no consumo real de energia.

Southwell também indicou que algumas prensas AIDA usam um "sistema de gerenciamento de energia 100% baseado em capacitores." Isso armazena a energia de trabalho requerida em capacitores, que são recarregados durante a parte não trabalhada do curso. Isso "reduz vastamente a carga de pico", ele explicou, versus uma prensa mecânica ou hidráulica, que têm um "pico enorme quando engatam pela primeira vez." O consumo de corrente da AIDA é "bastante plano. Então seu pico real de fluxo pode ser apenas 20 a 30% da carga de pico de sistemas mecânicos ou hidráulicos. Isso é crítico, porque as empresas de energia têm que dimensionar a eletricidade que entregam ao cliente pela carga de pico."

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

Com todas suas bombas, válvulas, tubos e mangueiras, a tecnologia hidráulica é frequentemente criticada por ser mais complexa e mais intensiva em manutenção que sistemas baseados em servo. Price disse que suas prensas servo requerem nada mais que graxa semestral dos fusos de esferas — e mesmo isso é ser muito cauteloso. Por outro lado, mantenha linhas hidráulicas sob alta pressão por meses, através de ciclo após ciclo, e mais cedo ou mais tarde algo vai vazar ou um sub-componente vai falhar. O contra-argumento, disse Josefiak, é que "ninguém mais usa conexões NPT. Existe uma gama de vedações metal-metal e estilo O-ring, construídas com melhores materiais, que fizeram um trabalho muito melhor controlando vazamentos." Além disso, ele disse, 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 motor servo em poucos anos, você está diante de uma grande conta de reparo. Mas Price disse que seus sistemas rotineiramente rodam por 20 anos sem tais falhas, porque são projetados com fator de segurança de 2,5x. Os drives são dimensionados para rodar na corrente contínua do motor servo, em vez do pico, então a prensa pode segurar a peça indefinidamente sem superaquecer e falhar.

Da mesma forma, os fusos de esferas terão capacidade de carga dinâmica de 2,5x a classificação de força da prensa. Por exemplo, o fuso de esferas em uma prensa Promess de 40 kN tem capacidade de carga dinâmica de 134 kN e capacidade de carga estática de 320 kN. Price disse que tal sistema pode ser esperado para performar sem falha por 22+ anos quando rodando um trabalho com força média de 30 kN, com 16 ciclos/min sobre 14 horas/dia. Compare isso a apenas 32 semanas para um fuso de esferas classificado em 40 kN carga dinâmica; mesmo em uma classificação de 80 kN, o sistema duraria menos de cinco anos.