Maximizando Produção com Software Avançado de Manufatura Aditiva

Como novo software de programação e simulação CAD/CAM pode ajudar a abordar processos de manufatura aditiva.

No domínio da manufatura, processos de manufatura aditiva (AM) ainda são o novato no bloco. Embora a aditiva exista há várias décadas, até relativamente recentemente ela foi relegada principalmente a aplicações de prototipagem e uso de produção de curta duração. Com processos aditivos de metal mais novos, no entanto, o potencial para AM se expandiu dramaticamente. Estendeu-se do que era visto como uma tecnologia intrigante para um processo de produção mais realista que agora é mais amplamente usado por grandes fabricantes como GE e Lockheed para fazer peças de metal AM para motores de aeronaves e outros componentes e montagens de missão crítica. À medida que processos AM se tornaram mais populares, novos softwares de programação CAD/CAM e pacotes de simulação relacionados estão abordando alguns dos problemas com os processos de camada por camada da aditiva, adicionando ferramentas de fluxo de trabalho aditivo com design generativo e técnicas muito mais extensas de visualização 3D e otimização de topologia para fabricantes. Muitos destes novos pacotes de software também visam ajudar fabricantes com a nova classe de máquinas-ferramenta híbridas aditivas/subtrativas.

Tornando o Impossível Possível

Um dos principais objetivos para novas soluções aditivas é gerar designs muito melhorados. Programação CAD/CAM em aditiva pode tornar mais fácil para engenheiros de desenvolvimento de produto projetar peças que eram anteriormente consideradas impossíveis de fabricar. "A Autodesk construiu um fluxo de trabalho completo de ponta a ponta para manufatura aditiva, desde otimização de design até preparação de construção, simulação e pós-produção, ajudando designers e engenheiros a mover de prototipagem para produção em série", disse Duann Scott, desenvolvimento de negócios e estratégia, Manufatura Aditiva e Compósitos, Autodesk Inc. (San Rafael, CA). "Agora estamos adicionando Design Generativo para permitir que designers explorem e realizem todo o potencial [da AM] de formas que não eram possíveis antes."

A nova capacidade da AM em produção em série é um desenvolvimento chave, observou Scott. "À medida que a indústria evolui com novos materiais e processos, os casos de uso se ampliarão de peças pequenas, complexas e/ou personalizadas, para peças maiores à medida que máquinas e materiais de menor custo entram no mercado", ele adicionou. "Vimos o custo de hardware cair dramaticamente à medida que patentes-chave expiram, primeiro no espaço de polímeros com máquinas FDM [modelagem por deposição fundida] caindo de $40.000 para $400, então máquinas SLA [estereolitografia] caindo de preços similares para $3000, e agora máquinas SLS [sinterização seletiva a laser] caindo de $150.000 para $10.000. Estamos agora vendo uma nova onda de processos aditivos de metal. Onde anteriormente custaria $1 milhão para configurar uma única máquina, novas máquinas agora podem ser compradas por cerca de $100.000. Esta redução massiva no investimento necessário para produzir peças ampliará dramaticamente o que é atualmente um mercado relativamente pequeno."

Adicionar capacidades de design generativo a software para processos AM dará aos designers vantagens substanciais, sustentou Scott. "Design generativo permite que designers e engenheiros explorem soluções baseadas em restrições de design e processos de manufatura que seriam impossíveis de conceber ou executar com software CAD tradicional", disse ele. "Mais do que apenas otimização de topologia, que pega geometria existente e reduz massa baseada em solucionadores FEA [análise de elementos finitos] para um único design otimizado, design generativo cria soluções geométricas baseadas em múltiplos objetivos e múltiplos processos de manufatura para fornecer múltiplas soluções. Estas soluções podem então ser iteradas para refinar ainda mais a geometria, que pode então ser fabricada como está, ou usada como guia, para informar a abordagem do designer para o design, baseada nas soluções que fornecem."

No início do próximo ano, a Autodesk lançará a próxima versão de seu software aditivo/impressão 3D Netfabb 2018, atualmente em beta testing, que adicionará novos recursos incluindo capacidades de design generativo. "O elo entre processos subtrativos tradicionais e manufatura aditiva é que ambos requerem compreensão profunda da combinação específica de máquina e material para criar controle de máquina ideal para atender aos requisitos do engenheiro de design", disse Scott. "Também é crítico para a maioria das peças de metal AM serem usinadas subtrativamente após a impressão para garantir qualidade de superfície e tolerâncias em peças que interfiram com outras peças em uma montagem." A Autodesk está oferecendo o fluxo de trabalho completo, ele adicionou, para usar o mesmo arquivo CAD para tanto aditivo quanto o essencial pós-processo subtrativo.

"Combinar processos separados como aditivo e subtrativo em um fluxo de trabalho de manufatura tipicamente envolve múltiplas etapas, frequentemente em máquinas diferentes. Isso precisa ser preciso e automatizado. Há um fio de processo digital que começa com o design e intenção de engenharia e simula o que deve acontecer em cada etapa do processo — você precisa construir sobre os dados originais", afirmou Scott. "Você também tem que monitorar o progresso no mundo real, usando inspeção e loops adaptativos ou de feedback para detectar e compensar variação. Estes processos também precisam ser unidos."

No outono passado, a Siemens PLM Software (Plano, TX) anunciou sua solução "Manufatura Aditiva com NX", e no início deste ano a empresa adicionou a Plataforma de Manufatura de Peças Siemens, um serviço colaborativo online destinado a conectar compradores e vendedores de componentes aditivos. Em abril, o desenvolvedor de software, pertencente à Siemens AG (Munique), também anunciou uma extensa parceria tecnológica com o provedor de software de manufatura aditiva/impressão 3D de longa data Materialise NV (Leuven, Bélgica) sob a qual o Materialise Magics 3D Print Suite software AM será totalmente integrado com o software NX da Siemens. A combinação traz a expertise da Materialise com as forças centrais de CAD/CAM/CAE do NX da Siemens PLM, incluindo extensas capacidades de design com ferramentas de otimização baseadas em simulação, observou Aaron Frankel, diretor sênior, marketing, software de engenharia de manufatura, Siemens PLM.

A estratégia aditiva da Siemens apresenta três pilares, começando com Manufatura Aditiva com NX, que inclui as ofertas NX e Teamcenter PLM da empresa, observou Andreas Saar, vice-presidente da Siemens PLM, Grupo de Engenharia de Manufatura. "Isso é o que chamamos de cadeia digital e o núcleo movendo-se para o futuro", disse Saar. A Siemens lançará atualizações de software de três a seis meses, com novas interfaces de impressora trabalhando com muitos players aditivos, incluindo EOS, Stratasys, DMG Mori, HP e outros, ele disse.

"Nosso objetivo é trazer a aditiva para uma fase industrial", disse Saar, integrando Materialise na grande base instalada industrial do NX da Siemens. Um exemplo é a GE, que usa aditiva para produzir grandes bicos para motores de aeronaves. "Havia um pequeno grupo, talvez 20-30 pessoas, entre design e engenheiros de simulação, que fizeram isso acontecer, e provavelmente há 4000 engenheiros de design lá. Nosso objetivo é expandir muito isso. Temos 10.000 assentos de design na GM. Esses caras têm que repensar manufatura aditiva."

"O que vemos no mercado é empresas médias e grandes criando grupos de trabalho de manufatura aditiva para entender a tecnologia", disse Frankel. "Há uma grande curva de aprendizado. Empresas estão pegando várias tecnologias díspares para ver o que funcionará, mas esse ambiente ad-hoc não escalará. Empresas precisam ter uma solução de ponta a ponta, e precisam ser capazes de gerenciar aqueles dados e processo com uma única solução."

A Ascensão da Usinagem Híbrida Aditiva

Muitas soluções CAD/CAM mais novas para aditiva focam na programação ou simulação da mais recente safra de máquinas-ferramenta híbridas aditivas/subtrativas, incluindo entradas da DMG Mori e Mazak. Como componentes AM não são nem de longe forma final e requerem acabamento moderado a extensivo, híbrido é uma abordagem prática para muitos usuários de máquinas-ferramenta. Máquinas híbridas, embora caras, tornaram-se recentemente mais acessíveis.

A estratégia da Siemens visa suportar todas as máquinas AM, especialmente unidades híbridas de alguns dos parceiros da empresa, como DMG Mori e Mazak. "Suportamos soluções existentes, como deposição de energia direta, soldagem a laser de feixe e fusão de leito de pó", disse Frankel da Siemens PLM. Dessas tecnologias, Saar disse que a mais comum é fusão de leito de pó, e a Siemens suporta a mais nova Multi-Jet Fusion da HP, que usa impressoras 2D com bicos. A máquina tem tecnologia de voxel 3D que imprime em apenas uma cor mas será capaz de imprimir em múltiplas cores. "O futuro é muito escalável", disse Saar.

Máquinas híbridas são atraentes para muitos desenvolvedores CAD/CAM, e a Vero Software (Reading, UK) está planejando lançar um módulo de usinagem híbrida aditiva no futuro, possivelmente por volta de abril do próximo ano, para seu Edgecam e outros softwares CAM, disse Raf Lobato, diretor de produtos estratégicos. Deposição de energia direta, reparo, crescimento de características, e revestimento são todas áreas de foco para este tipo de software, ele notou. "Para tirar o máximo proveito da aditiva, ela não pode realmente viver sozinha; a área de 'adição' ocasionalmente precisa ser preparada por subtrativa e então finalmente, após adição de material, geralmente precisa ser finalizada com subtrativa", afirmou Lobato.

Mais pesquisa é necessária para refinar muitos processos aditivos, ele notou. "Eles realmente não sabem como adicionar material efetivamente ainda", disse Lobato descrevendo deposição de energia direta. "Quando você adiciona algum material a um componente, não sai perfeito." O material depositado não está próximo de forma quase final, requerendo processos de acabamento subtrativo para completar as peças. "A grande notícia é que testes mostram que o material aditivo depositado neste processo é mais duro que os materiais base, em alguns casos", com cerca de 100% de metais densos adicionados a esses componentes metálicos em tais operações de revestimento, disse Lobato.

Em um exemplo, reparar pás de turbina de aeronave exigiu cortar um pedaço de material em forma de V da peça em vez de apenas adicionar metal onde uma rachadura na pá estava. "Lá novamente você pode ver onde uma operação subtrativa é necessária", disse Lobato, concordando que, às vezes processos subtrativos e aditivos são ambos necessários para completar o trabalho. "Essa é nossa crença. Também, levaria um tempão — adicionar material não é rápido."

Melhorias em tecnologia, tanto software quanto hardware, mais velocidade, flexibilidade, e claro, custo, são críticas para o crescimento da aditiva, disse Lobato. "Estamos envolvidos no Projeto Kraken, https://krakenproject.eu/, que é sobre manufatura aditiva em peças grandes por um robô com solução de precisão mais alta do que tradicionalmente disponível."

Outra nova entrada vem do desenvolvedor CAD/CAM DP Technology Corp. (Camarillo, CA), que em agosto anunciou seu pacote de software Esprit Additive para manufatura aditiva de metal. O software diz ajudar a simplificar o processo de programação aditiva demorado em apenas alguns passos simples.

"O software CAD/CAM de hoje deve fornecer programação poderosa para multitarefa, multifunção, multicanal, fresa-torno, aditivo e subtrativo, com processos aditivos e subtrativos sendo programados, otimizados e simulados juntos em uma única interface amigável", disse Chuck Mathews, vice-presidente executivo, DP Technology. O novo módulo Esprit Additive deve estar disponível em meados de 2018. A DP Technology tem fortes parcerias com DMG Mori e Mazak e o módulo oferecerá programação aditiva para usuários das máquinas híbridas dessas empresas.

No Creo 4.0, a PTC (Needham, MA) lançou uma plataforma de Manufatura Aditiva que inclui funcionalidade para melhor projetar e otimizar estruturas leves, definir novos subtipos de montagem que podem armazenar as peças a serem impressas, sua posição, materiais, cores, e mais, observou Jose Coronado, gerente de produto de aplicações de Manufatura e Simulação Creo. A solução aditiva também inclui um recurso de conectividade para fornecer feedback direto ao designer sobre as capacidades das impressoras 3D, que serão consideradas na fase de design.

"Uma alta porcentagem de usuários Creo disse que estão atualmente implementando, ou considerando implementar, projetos piloto em manufatura aditiva", disse Coronado. "Também, muitas impressoras de plástico já nas instalações dos clientes estão mudando de trabalho de protótipo para fabricação de ferramentas e fixadores, ou diretamente para produzir peças finais. Um dos habilitadores desta mudança é a nova funcionalidade disponível no Creo, permitindo que engenheiros projetem redes otimizadas e conectem diretamente com impressoras de plástico Stratasys e 3D Systems."

"O roteiro da PTC para Creo inclui mais tipos de redes, otimização de topologia integrada no modelo B-Rep [representação de fronteira], suporte a processos de impressão de metal e mais, tudo sem sair do Creo", ele continuou. "Mas nossos usuários não precisam esperar; as funcionalidades aditivas e subtrativas atuais da PTC coexistem, integradas perfeitamente com o modelo CAD. Usando o mesmo modelo 3D, podemos preparar uma montagem de bandeja para imprimir uma ou muitas peças. Então, se pós-processamento como furação, fresamento de face ou rebarbação for necessário, o mesmo modelo 3D é usado para criar as trajetórias de ferramenta NC correspondentes."

Um pioneiro inicial em aditiva, a 3D Systems (Rock Hill, SC) também oferece sua expertise em manufatura aditiva e subtrativa junto com seu software 3DXpert Metal Additive Manufacturing introduzido no ano passado, segundo Daniel Remenak, gerente de produto, GibbsCAM 3D Systems. "3DXpert é uma solução de software tudo-em-um para manufatura aditiva de metal com capacidades avançadas em preparação de impressão, suportes e otimização de estrutura, fatiamento, e até operações pós-impressão."

Embora a CNC Software, desenvolvedora do Mastercam, não tenha lançado um módulo específico para aditiva, a empresa está "avaliando quais abordagens de software aditivo são mais úteis para nossos clientes tanto agora quanto à medida que a tecnologia continua a expandir", observou Ben Mund, analista sênior de mercado, CNC Software Inc. (Tolland, CT).

"A questão inicial de acabamento de superfície viu melhoria dramática, assim como materiais disponíveis, com mais desenvolvimento indo para materiais de alta temperatura e estruturais, materiais flexíveis, e compósitos. À medida que estas questões são melhoradas, o processo será usado em mais e mais lugares", disse Mund. "Impressão de metal mais acessível também moverá a indústria adiante. Estamos vendo isso acontecer agora com novos tipos de metais infundidos em substrato mais acessíveis.

"Há também muitos lugares onde aditivo e subtrativo serão usados em conjunto", ele disse. "Isso pode variar desde produzir fixadores aditivos para usinagem subtrativa, até criar peças aditivas que precisam ser finalizadas usinadas. E, claro, sempre haverá peças que são impossíveis de produzir através de subtrativo, onde aditivo é a única escolha."

Na Open Mind Technologies USA Inc. (Needham, MA), desenvolvedora do software CAD/CAM hyperMill, a empresa tem a capacidade de suportar processos AM usando um módulo específico para aditiva que é uma opção dentro do hyperMill, observou Alan Levine, diretor gerente. A Open Mind tem se envolvido com usinagem aditiva por quase 10 anos, adicionou Levine. "Nosso foco é suporte de programação para processos de deposição de metal baseados em laser. Este esforço é consistente com nosso foco avançado de cinco eixos, e inclui feedback de nossa base de clientes. Hoje estamos trabalhando com parceiros de máquinas e usuários-chave em projetos e para implementar e confirmar nova tecnologia. Nossos processos estão alinhados com desenvolvimentos contínuos no hyperMill, nosso pacote para usinagem subtrativa, então este trabalho é simplificado e pode ser feito elegantemente dentro de nossa abordagem atual."

Embora máquinas de leito de pó aditivas possam compreender um segmento maior do mercado hoje, o foco da Open Mind é deposição a laser, aplicada a construção de novas peças (frequentemente com máquinas de cinco eixos) e manutenção e reparo em molde e matriz e energia, de acordo com Levine. "Processos de deposição a laser geralmente não requerem estruturas de suporte em processo para suportar saliências que depois têm que ser removidas", disse Levine. "Também, deposição a laser é bem adequada para usinagem híbrida."

Cerca de um ano atrás, a Open Mind adicionou novo suporte de simulação para aditiva de seu parceiro e desenvolvedor de módulo componente MachineWorks (Sheffield, UK). "Nosso desenvolvimento de software para processos aditivos é baseado em nossas experiências e cooperação com usuários-chave e parceiros de máquinas. As várias peças sendo feitas hoje levam a refinamentos no software e fluxo de trabalho de processo. Os requisitos fundamentais para processamento aditivo — sobre caminhos de preenchimento e contorno, controle de pontos de início, e gatilhos de laser — já foram implementados no software", disse Levine. "Procedimentos de verificação de colisão também precisam de atenção cuidadosa pois o modelo da peça está constantemente crescendo, e também cabeçotes de deposição requerem comprimentos focais específicos para deposição adequada de pó."

Simulando Processos NC e Aditivos

Como em qualquer processo de manufatura, simular com precisão movimentos de corte e conformação de metal é crítico para garantir qualidade de manufatura e segurança de ferramentas, fixação e máquina-ferramenta. Até recentemente, soluções de software de simulação têm sido escassas para visualizar adequadamente processos AM.

No show Rapid/TCT em Pittsburgh, o mais recente software de simulação, verificação e otimização NC Vericut Versão 8.1 introduziu novas capacidades para simular operações de manufatura aditiva e híbrida, bem como para dressagem contínua durante retificação, disse Gene Granata, gerente de produto para Vericut na CGTech (Irvine, CA). "Estes novos métodos podem ser usados em qualquer ordem, com qualquer método de corte tradicional [como fresamento, torneamento e usinagem de cinco eixos] e em virtualmente qualquer marca de máquina CNC. O novo software também tem aprimoramentos para seccionamento da peça, ferramenta de medição X-Caliper, otimização de trajetória de ferramenta Force, e configuração de relatórios para documentar automaticamente o processo de manufatura."

"O fascínio da manufatura aditiva traz consigo muitos desafios únicos para designers e programadores NC", ele continuou. "Pessoas estão se reeducando para pensar, projetar e programar peças diferentemente, para fazer um produto superior da forma mais eficiente possível. Software de simulação, como Vericut, é uma ferramenta inestimável para programadores NC visualizarem e verificarem cada processo na ordem usada, compararem estratégias de manufatura, e prevenirem colisões custosas ou danos a máquinas, ferramentas e peças sendo feitas." Máquinas híbridas são tipicamente caras, e geralmente em oferta limitada em uma determinada empresa, ele adicionou. Peças de reposição ou técnicos para laser e outros equipamentos aditivos também podem ser difíceis de encontrar. "Software de simulação oferece uma salvaguarda custo-efetiva para mitigar problemas potenciais antes que ocorram."

Encontrar maneiras inovadoras de programar peças produzidas via processos aditivos apresenta um novo desafio para programadores NC. "Ter opções para empregar métodos aditivos, subtrativos, ou híbridos frequentemente empurra programadores a pensar além de sua 'zona de conforto' anterior para fazer coisas não anteriormente pensadas como possíveis", notou Granata. "Novas capacidades de Design para Manufatura Aditiva [DFAM] e programação NC aditiva parecem chegar em cada novo lançamento CAD/CAM. Embora estes aprimoramentos sejam destinados a fornecer programadores NC aditivos com mais opções, isso também aumenta a curva de aprendizado. Manter mentalmente o controle de onde material foi depositado e onde não foi é desafiador."

Incorporar aditiva em qualquer processo de produção cria múltiplos problemas, disse Granata. "Um erro no planejamento e sequenciamento de operações NC pode danificar componentes de máquina, equipamento aditivo, ou a peça. Simulação remove adivinhação e minimiza risco, mostrando como peças serão feitas e a representação exata da peça ao longo do processo." O módulo Aditivo do Vericut simula tanto capacidades aditivas quanto de usinagem tradicional usadas em qualquer ordem em máquinas híbridas. "Simular todas as operações pode identificar problemas potenciais que podem ocorrer ao integrar métodos aditivos. O usuário pode acessar um 'histórico' detalhado armazenado com a tecnologia realista de gotículas do Vericut, economizando tempo dos programadores ao identificar quando características da peça foram usinadas e a fonte de erros, na maioria dos casos, usando apenas um clique do mouse."

Esta capacidade aditiva verifica revestimento a laser e deposição de material precisos, detecta colisões entre máquina e peça aditiva, e encontra erros, vazios e material mal posicionado, notou Granata. "Para a mais alta precisão, Vericut simula o mesmo código NC pós-processado que será usado para acionar a máquina CNC e garante uso adequado de funções AM e parâmetros de laser. Usuários podem experimentar virtualmente combinando processos aditivos e de remoção de metal em qualquer ordem para determinar métodos ideais de manufatura híbrida seguros."