Acelere a Qualidade: Soluções CAD/CAM de Alto Nível para Peças Superiores

A eterna questão na manufatura com software CAD/CAM é como ajudar fabricantes a fazer peças mais rápido, mais barato e melhor — o tempo todo. Com os últimos lançamentos de CAD/CAM, desenvolvedores continuam aprimorando suas ofertas adicionando novos recursos: capacidades de design generativo, mais automação de processos frequentes no chão de fábrica, e mais ferramentas para a área emergente de manufatura aditiva.

Além disso, simulações tornaram-se muito mais críticas, com máquinas multi-eixos altamente complexas exigindo cálculo preciso de elementos da ferramenta de máquina para evitar colisões catastróficas durante usinagem, tornando altamente desejável que o CAD/CAM ofereça recursos de visualização integrados.

Entre essas tendências, design generativo e manufatura aditiva avançam rapidamente para a vanguarda. "Continuamos vendo mais aplicações para manufatura aditiva, novas capacidades de manuseio de materiais, e aumento de capacidade e desempenho de máquinas", observa Paul Brown, diretor sênior de marketing, Engenharia de Produto NX, da Siemens Digital Industries Software, de Plano, Texas. "Isso por sua vez aumenta demandas sobre tecnologias CAD, permitindo engenheiros explorarem novos designs e abraçarem o poder e flexibilidade que novos métodos de manufatura proporcionam."

Empresas ainda buscam simplificar ciclos de design até manufatura. Há interesse contínuo em áreas como design para manufaturabilidade (DFM), verificação para aumentar confiança na capacidade de fazer e construir o que foi projetado, nota Brown.

Abordagem Generativa

Design generativo ajudou fabricantes a acelerar e refinar o processo de design. Significa projetar peças de maneira mais eficiente e desenvolver peças mais facilmente manufaturáveis.

"Com fabricantes sob pressão sem precedentes para entregar melhores produtos mais rápido e a menor custo, a necessidade de conectar e automatizar processos de design e manufatura para reduzir iterações, erros e prazos de entrega torna-se crítica", observa Sanjay Thakore, gerente de estratégia de negócios, Fusion 360 Go-to-Market Strategy, da Autodesk Inc., desenvolvedora de CAD/CAM sediada em San Rafael, Califórnia.

"A combinação de convergência da indústria e nova tecnologia de manufatura cria novas oportunidades de automação", disse Thakore em entrevista publicada na edição de setembro da Manufacturing Engineering. "Desafios complexos de design e engenharia podem ser resolvidos a uma fração do custo [de processos de design tradicionais] com tecnologia de design generativo como apresentada no Autodesk Fusion 360."

Design generativo é uma ferramenta de exploração que gera simultaneamente múltiplas soluções prontas para CAD baseadas em restrições reais de manufatura, demandas de desempenho do produto e requisitos de custo. "Engenheiros podem explorar o espaço de design considerando múltiplos materiais e métodos de manufatura e escolher a opção que melhor equilibra desempenho e custo", diz ele.

Algumas empresas começam a usar abordagens generativas para resolver problemas de design, nota Brown da Siemens. "Isso dá mais oportunidade para explorar formas e materiais alternativos para resolver um problema." O desafio é como integrar em processo tradicional. "Com Modelagem Convergente, temos tecnologia que permite usar designs generativos resultantes de simulação e otimizações como geometria de modelagem central — combinando isso com técnicas tradicionais de modelagem e manufatura", diz Brown.

Isso é ainda mais impulsionado pelo uso de manufatura aditiva que permite formas e abordagens impossíveis com técnicas tradicionais, como estruturas de treliça. Estas reduzem drasticamente peso do componente mas mantêm propriedades mecânicas de rigidez e outros fatores.

"Ter capacidades integradas de programação CNC é crítico para produzir peças acabadas, o que permite industrialização da manufatura aditiva", diz Brown. "O uso desses tipos de tecnologias integradas está se expandindo gradualmente de protótipo inicial para produção em massa — é onde a Siemens está focada." Diz que a empresa olha como habilita AM em escala industrial, do tamanho de lote 1 a 1.000.

Técnicas de design generativo produzem formas altamente orgânicas, nota Alan Levine, diretor administrativo, Open Mind Technologies USA Inc., Needham, Mass., desenvolvedora do hyperMILL CAD/CAM. "Essas formas podem ser fabricadas com técnicas tradicionais de fresamento ou aditivas", diz. "Ao usar técnica aditiva, fresamento é comumente usado como processo secundário para obter acabamento superficial desejado."

Acabamento superior para peça usinada requer configurações precisas no sistema CAM, porta-ferramentas de alta qualidade e máquinas-ferramenta precisas, segundo Levine. "A maioria dos sistemas CAM comumente usa malha aproximada sobre a topologia da superfície do modelo. A vantagem desse método é ter processo de cálculo uniforme independentemente de como o sistema CAD ou tradutores CAD definem as entidades de superfície", diz Levine. Open Mind adicionou recentemente modelo de alta precisão para usinar diretamente nas superfícies da peça, melhorando qualidade da superfície.

Crescimento Rápido da Aditiva

Novas técnicas para trabalhar com aplicações aditivas crescem rapidamente, especialmente aquelas dentro de sistemas CAM para deposição de energia direcionada (pó ou arame), acrescenta Levine. "Alguns vendors CAM abordaram esse potencial de mercado com nova estratégia aditiva, ou técnicas modificadas aplicadas em sistemas de leito de pó", diz Levine. "Usando esta última, as estratégias de trajetória de ferramenta são de alguma forma limitadas. Open Mind desenvolveu processo de programação aditiva que permite adaptar quase todas as trajetórias de fresamento para aditiva, incluindo tecnologia extra requerida para este mercado. Isso dá liberdade aos usuários para criar processo de programação, incluindo estratégias 2D e 3D, bem como controle de cinco eixos quando necessário."

Manufatura aditiva e híbrida (aditiva e subtrativa na mesma máquina) crescem em popularidade. Por quê? A maioria dos processos aditivos para metal não deixa acabamento superficial adequado. Soluções híbridas permitem acabamento fresado na mesma máquina e setup que produziu as partes aditivas.

"Essas máquinas são interessantes para usuários finais. Open Mind está ativa em processos de manufatura aditiva baseados em desenvolvimentos de deposição de energia direcionada", diz Levine. Uso inclui demonstrações com parceiros de máquinas, atividades universitárias e de pesquisa, e também alguns early adopters industriais trabalhando com usinagem híbrida aditiva e subtrativa de metais.

"A tendência de manufatura aditiva nos leva a sistemas CAM híbridos", diz Chuck Mathews, vice-presidente executivo, DP Technology Corp., Camarillo, Calif., desenvolvedora do software ESPRIT CAM. "Como exemplo, ESPRIT Additive para Deposição de Energia Direta está disponível dentro do sistema ESPRIT CAM de espectro completo, oferecendo programação, otimização e simulação para processos aditivos e subtrativos em uma solução integrada."

Mathews diz que o Additive App do ESPRIT fornece programação para máquinas multi-tarefa, multi-função, multi-canal, torno-fresa, aditivas e subtrativas. Processos aditivos e subtrativos são programados, otimizados e simulados juntos em uma única interface.

Técnicas aditivas estão entrando em quase todo produto CAD/CAM, pois a manufatura aditiva dá liberdade de design não encontrada em métodos subtrativos tradicionais.

"Essas novas técnicas abriram formas inovadoras de criar peças que não podiam ser feitas no passado", diz Ben Mund, analista sênior de mercado, CNC Software Inc., desenvolvedora do Mastercam sediada em Tolland, Connecticut. "Combinando superfícies de alta precisão obtidas com manufatura subtrativa em processo com técnicas aditivas, você obtém o melhor dos dois processos", diz Mund.

O software CAD/CAM precisa permitir ao engenheiro controlar o processo aditivo tanto quanto o subtrativo, com ferramentas semelhantes. Mund diz para buscar recursos como material de suporte, definição de material graduado, técnicas como nesting 3D e orientação otimizada de peça, permitindo ao usuário controlar todos os aspectos do processo de manufatura.

"Manufatura aditiva faz parte de nosso legado na 3D Systems, e vemos muito trabalho lado a lado e integrado de manufatura aditiva e subtrativa na indústria", nota Daniel Remenak, gerente de produto – GibbsCAM, para a construtora de máquinas aditivas 3D Systems Inc., Rock Hill, Carolina do Sul. "À medida que esses fluxos de trabalho se tornam mais comuns, isso influencia expectativas dos clientes para software de programação, que precisa ajudar programadores a conectar eficientemente essas tecnologias. Nosso produto 3DXpert é dedicado principalmente a fluxos de trabalho aditivos, aproveitando experiência CAD em toda a empresa para suporte e geração de treliças, e expertise em usinagem subtrativa para motor de fatiamento avançado e usinagem pós-impressão."

Remenak diz que a equipe GibbsCAM trabalha com vendors de máquinas CNC e pesquisadores no desenvolvimento de técnicas dedicadas para programação de máquinas híbridas subtrativas e de deposição aditiva nos últimos anos.

Estratégias para Produção Rápida

O "pão com manteiga" da usinagem pode estar em automatizar funcionalidades frequentes para usuários do chão de fábrica que precisam de resultados rápidos e precisos para fazer peças com alta qualidade, muitas vezes em grandes volumes, e no prazo, sempre. Chave para esses objetivos são simulações in-CAD, que mantêm as oficinas funcionando garantindo que programas de peça rodem corretamente, com zero colisões custosas, e o reino um pouco mais mundano de ferramentas CAD chamadas "CAD para CAM" que dão aos usuários as opções essenciais para fazer suas peças rapidamente.

"O foco principal de cada uma de nossas funções e melhorias CAD é baseado na ideia de 'CAD para CAM', que significa preparar a peça para manufatura", diz Mund da CNC Software. "É nosso objetivo número um. Seja o usuário criando peça complexa do zero dentro do Mastercam, ou precisando analisar e reparar áreas problemáticas de peça gerada em outro sistema CAD, nosso conjunto de ferramentas de wireframe, superfícies e sólidos está disponível para deixar tudo pronto para usinagem sem demora."

Mund diz que vários fatores influenciam design CAD/CAM, mas a maioria envolve inovação, redução de custos, aceleração do time-to-market e melhoria de eficiência. "Estamos constantemente ouvindo necessidades dos clientes sobre peças que trabalham e problemas que podem encontrar, para desenvolver novas ferramentas que tornem mais coisas possíveis dentro do conjunto de ferramentas CAD do Mastercam", diz Mund. "Quanto mais rápido um usuário cria nova peça ou faz edições em uma importada em apoio ao processo de manufatura, mais rápido pode ser programada e ir para máquina cortar."

Acelerar time-to-market é chave, adiciona. "Muitos ajustes podem ser feitos dentro do Mastercam com nossas ferramentas CAD, economizando tempo e custo de enviar de volta ao sistema CAD originário. Nesse caso, permitimos que programadores CAM façam mudanças que suportem o processo de usinagem, seja projetando um dispositivo, construindo geometria temporária em processo, ou reparando problemas no arquivo CAD original.

"Eficiência significa usar todas nossas ferramentas rumo ao objetivo de deixar a peça pronta para a máquina — wireframe, superfícies e sólidos todos trabalhando juntos para esse único propósito", continua Mund. Finalmente, conectividade importa. "No mundo CAD, isso pode significar ler peças de todo modelador CAD suportando formatos padrão da indústria como IGES e STEP e os proprietários comuns como SAT, DXF, DWG, X_T, e assim por diante",

Ele também acredita que significa que o modelo CAD em arquivo de peça Mastercam está associado à informação CAM; altere o modelo e as trajetórias de ferramenta ficam cientes e podem ser facilmente atualizadas sem começar do zero.

Outros vendors adotam abordagens similares de CAD voltado a usuários CAM tradicionais. "Open Mind projetou sua base hyperCAD-S (dentro do hyperMILL) para ser um módulo CAD-para-CAM. Sistemas CAD populares nem sempre fornecem a melhor experiência para usuários CAM", diz Levine. "O foco no hyperCAD-S é simplificar funções necessárias para acionar um sistema CAM. Exemplos: seleções de contorno, extensões de face, seleções de filtro como co-planar e co-axial, e outras funções para curar e refazer superfícies quando necessário."

Open Mind foi além oferecendo sequências pré-definidas de utilitários CAD para o usuário CAM e dentro das estratégias CAM, sem necessidade das seleções subjacentes, adiciona.

"Por exemplo, na indústria de moldes e matrizes, arestas vivas são críticas para geometria de acoplamento de núcleo e cavidade para evitar rebarba no processo de moldagem", afirma Levine. "Para obter aresta limpa e evitar fresa rolando sobre aresta, é benéfico estender essas superfícies e guiar a fresa adequadamente dentro e fora da peça."

O módulo hyperMILL Z-level shape finishing inclui extensão tangente automática para simplificar esse processo para o usuário. Resultado: superfícies e arestas usinadas sem seleções onerosas e passos extras na programação CAM.

Para usinagem multi-eixos complexa, simulações são obrigatórias, e simulações in-CAD tornaram-se populares comparadas a algumas simulações de terceiros mais caras no mercado. "Continuamos vendo fortes tendências para máquinas multi-tarefa complexas e aumento de uso e dependência de simulação de máquina", diz Remenak da GibbsCAM. "Oficinas estão focadas em adquirir software que forneça melhor eficiência de programação, maior produtividade na máquina, e ferramentas de validação mais fortes com pós-processadores comprovados e confiáveis."

Pós-Processamento Elimina Desvios

Sem bom pós-processamento, ou CAD/CAM completo que funcione com outras soluções de software de manufatura, usuários podem acabar com desvios imprevistos. "O que torna um sistema CAM 'bom' em nossa opinião resume-se à qualidade de seu pós-processador e suporte técnico do vendor", diz Mathews da DP Technology. "Quando dúvidas de programação são respondidas rápida e precisamente, e o sistema produz bom código, a programação é simplificada e utilização da máquina sobe, enquanto tempos de setup e ciclo caem."

DP Technology busca fornecer melhor pós-processamento e suporte técnico, afirma, adicionando que "a estratégia ESPRIT é trabalhar próximo aos fabricantes de máquinas-ferramenta e construir um Digital Twin de cada CNC que inclui pós-processadores desenvolvidos de fábrica projetados para gerar G-code otimizado para usinagem, sem edição", diz Mathews. DP Technology apoia ESPRIT fornecendo treinamento direto de fábrica e suporte técnico a clientes norte-americanos através de equipe dedicada de engenheiros de aplicação ESPRIT.

Compras em Um Só Lugar

Pacotes completos atraem usuários que buscam one-stop shopping em CAD/CAM, combinando CAD/CAM com inspeção e metrologia, ou com soluções PLM, ERP e MES.

"Uma das últimas tendências que ouvimos de clientes e novos prospects é sua necessidade de nós fornecermos soluções completas de manufatura, em vez de apenas software CAD/CAM", diz Nick Spurrett, diretor regional – Américas, Production Software, Hexagon Manufacturing Intelligence, North Kingstown, Rhode Island. "Seus pedidos representam tudo desde solução MES até soluções que os levam até verificação completa de máquina-ferramenta. Com a adição de NCSIMUL e WORKPLAN, Hexagon Production Software está alinhando nosso negócio para responder a essas tendências."

Hexagon Manufacturing Intelligence recentemente demonstrou demos de suas soluções de produção digital que compõem o portfólio Production Software, compreendido pelos vários títulos CAD/CAM da Vero Software, adquirida pela Hexagon há alguns anos, mais NCSIMUL, pacote de simulação e verificação high-end, junto com soluções de inspeção tradicionais da Hexagon.

"Continuamos desenvolvendo todos nossos produtos de manufatura, incluindo criação de trajetórias mais rápida e fornecendo estratégias Waveform por todo o conjunto de produtos", diz Spurrett da nova linha unificada. "Também estamos entregando tecnologia Advanced Toolform com introdução de usinagem de cinco eixos para qualquer forma de ferramenta." Nota que permite formas de ferramenta de cinco eixos como barris, ovais, parabólicas, ou qualquer forma dada, calculadas sobre superfícies da peça, incluindo offsets negativos (folgas).

"Design para manufatura é uma das soluções-chave que lançamos nos últimos 12 meses", adiciona Spurrett. "Fornecemos solução CAD para CAM, ou CAD para Oficinas de Usinagem, para empresas que querem aproveitar dados CAD que recebem — ou trabalhar em ambiente CAD que uma oficina, ou programador CNC, possa alavancar porque fornece funcionalidade específica para manufatura. Usando modelagem direta, o usuário modifica diretamente a geometria empurrando ou puxando pedaços do modelo como achar adequado."