Fabricação de Peças para Energia: Pioneirando um Futuro Sustentável e Renovável

Preocupações com mudanças climáticas e níveis globais de dióxido de carbono colocaram a energia verde mais perto do assento do motorista nos últimos anos. Segundo a Revisão Global de Energia da Agência Internacional de Energia (IEA), a maioria dos especialistas espera que renováveis produzam quase 30% de toda a eletricidade em 2021, com geração eólica e solar aumentando 17% e 18%, respectivamente.

Apesar deste crescimento impressionante, combustíveis fósseis continuam dominando o mercado, com a IEA prevendo que a demanda por carvão sozinha responderá por 60% a mais que todas as renováveis combinadas. Como resultado, emissões de CO₂ relacionadas à energia estão prestes a atingir seu segundo maior aumento anual já registrado, eliminando quaisquer reduções nas concentrações de gases de efeito estufa impulsionadas pela pandemia.

É uma indústria dinâmica, com certeza, mas uma coisa é certa: o consumo global de energia — seja qual for sua forma — continuará a criar novas oportunidades para oficinas de máquinas e outros fabricantes discretos. Carcaças de bombas e turbinas, caixas de engrenagens, seções de raiz de moinhos de vento, componentes de cabeça de poço e perfuração — estes são apenas alguns dos produtos produzidos diariamente por OEMs de energia e seus fornecedores de Nível 1, muitos deles bastante grandes, pesados e feitos de materiais desafiadores como Inconel e aço Duplex.

Vá Grande ou Vá para Casa

Peças grandes exigem máquinas grandes, fixação grande e ferramentas de corte grandes — todas exigindo grande investimento. Klaus Miller, vice-presidente de vendas da Absolute Machine Tools Inc., Lorain, Ohio, está feliz em ajudar com o primeiro destes. Ele observou que os mercados de energia e aeroespacial estiveram lentos nos últimos dois anos, embora ambos pareçam estar se recuperando agora que o pior da pandemia está, esperançosamente, para trás.

"Somos importadores de You Ji e outras marcas de máquinas CNC", disse Miller. "You Ji equipa alguns de seus equipamentos maiores com mancais de mesa hidrostáticos, tornando-os bastante populares com fabricantes de peças de energia. Isso porque essas ferramentas de máquina podem lidar com as cargas extremamente pesadas encontradas neste e em outros setores de usinagem, e oferecem excelente precisão a longo prazo devido a este recurso."

Em um exemplo recente, a Absolute instalou um torno vertical de torre (VTL) You Ji com mesa de 4 m. A empresa que o comprou usina grandes peças de energia, que Miller disse vieram forte após o aumento nos investimentos em energia limpa por volta de 2006, mas começaram a diminuir cerca de uma década depois quando a fabricação mudou para offshore para China, Romênia e outros fornecedores de baixo custo. Esta nova instalação pode indicar uma reversão do que tem sido uma tendência de longa data.

A Absolute também instalou uma mandriladora de grande capacidade para um cliente local no início deste ano. Embora a gerência da oficina não tenha divulgado a aplicação específica, eles disseram a Miller que era para trabalho de energia e que devia ter capacidade de carga de 155,7 kN (35.000 lbf). "Eles já tinham uma fresadora-ponte Johnford, mas precisavam de algo maior", disse ele. "Aqui novamente, entre os mancais hidrostáticos e a massa pura da máquina — 58.967 kg (130.000 lb) — provou ser a solução certa."

Quanto Mais Pesado, Melhor

A massa da máquina é claramente importante ao fazer cortes pesados e buscar precisão em peças maiores que uma picape. Miller e outros sugeriram que poucos fabricantes de máquinas-ferramenta hoje "fazem 'como costumavam fazer" e que muitas oficinas de máquinas optaram, portanto, por retrofit de seus equipamentos Lucas, Giddings & Lewis e outros ferros velhos com controles CNC. E embora esta seja uma excelente maneira de estender a vida do que certamente foi um investimento substancial, chega um momento em que até o melhor equipamento fica aquém em comparação ao seu equivalente moderno, não importa quantas vezes tenha sido atualizado.

Outra maneira para as oficinas maximizarem esses investimentos é usando suas capacidades de usinagem de peças grandes para expandir além do mercado de energia. Por exemplo, a indústria de defesa é uma usuária significativa de peças superdimensionadas, assim como as indústrias de mineração, agrícola e de construção. Enfrentar tal trabalho, no entanto, significa que as oficinas devem investir em ferramentas de máquina flexíveis que possam ser facilmente adaptadas a uma variedade de peças e possuam recursos que minimizem tempo de inatividade.

Bernard Otto, diretor de suporte técnico e gerente de produto para produtos Kiwa Japan e OKK Japan na Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Mass., tem várias recomendações sobre como alcançar isso. Ele observou que numerosos clientes da Methods apoiam a indústria de fracking, produzindo bombas, carcaças e componentes grandes similares. Ser competitivo aqui não significa apenas remover grandes quantidades de material de fundições e forjados de aço eficientemente, mas também manter o fuso girando o tempo todo.

"Alta utilização do fuso requer que a pessoa operando a máquina consiga colocar peças de 7.711 kg (17.000 lb) dentro e fora da máquina rapidamente, com precisão e, acima de tudo, com segurança", disse ele. "Na maioria dos casos, isso é melhor realizado com um trocador de pallets."

Indo Fundo

Otto também apontou que ter uma ampla gama de velocidades de fuso confere flexibilidade similar. Ele disse que muitos dos centros de usinagem nesta arena ostentam cabeçotes com engrenagens 50-taper com apenas duas faixas, alta velocidade e baixa velocidade, e no máximo 3.600 rpm. Isso limita a capacidade de seus proprietários de usar brocas e fresas pequenas ou usinar ligas de alumínio.

"OKK é um dos poucos fabricantes a oferecer três faixas de engrenagens e até 6.000 rpm, permitindo que seus clientes cortem agressivamente com fresas de face grandes, por exemplo, e também usem ferramentas de corte menores quando necessário", disse Otto. "Isso os torna muito mais versáteis para oficinas que têm que produzir uma variedade de peças."

Outros recursos a procurar incluem alto empuxo no eixo Z para operações de furação pesada, encanamento integrado para fixação hidráulica automatizada, e, em mandriladoras, a capacidade de travar a canela (o eixo W) no lugar, aumentando muito a rigidez ao desbastar bolsões profundos. É por estas e outras razões que Otto concorda com Miller da Absolute que acompanhar a tecnologia atual de máquinas-ferramenta é o caminho claro para oficinas que desejam permanecer o mais competitivas possível.

Mas talvez a recomendação mais importante para fabricantes de energia e outros com demandas flutuantes seja manter suas máquinas ligadas e totalmente operacionais. Isso é especialmente verdadeiro para o setor de petróleo e gás, que pode ser muito cíclico, e para empresas com ativos de máquinas que há muito foram pagos e tendem a ficar ociosos entre trabalhos.

Disse Otto, "Nestas situações, nosso departamento de serviço frequentemente recebe ligações de clientes tentando ligar uma máquina que não foi usada por meses e às vezes anos, apenas para descobrir que um eixo está travado ou um componente eletrônico morreu. É por isso que dizemos às oficinas para ciclar suas máquinas periodicamente, e, melhor ainda, colocá-las em um cronograma de manutenção preventiva com um distribuidor autorizado. Fazer isso ajuda a evitar surpresas desagradáveis, independentemente da marca da máquina, seu tamanho ou tipo de trabalho."

Fixação Consistente

Braden Damman apoiou a necessidade de fixação hidráulica, embora tenha sido rápido em apontar que o encanamento integrado mencionado anteriormente não é pré-requisito. Um engenheiro de aplicações no fornecedor de componentes de fixação Vektek LLC, Emporia, Kan., Damman observou que várias opções de configuração adicionais estão disponíveis, incluindo aquelas onde o dispositivo de fixação em si é encanado para hidráulica e alimentado por um "acumulador" externo, um dispositivo que mantém pressão no sistema durante a usinagem.

Independentemente da abordagem, a fixação hidráulica é a clara vencedora em termos de consistência e confiabilidade, se não no preço. "Na maioria das aplicações, a hidráulica é a solução mais cara, embora o custo inicial seja rapidamente compensado por melhorias de produtividade", disse Damman. "Ela elimina a variação vista com métodos de fixação manuais e é obrigatória para processos automatizados."

Ironicamente, grande parte do trabalho de fixação de peças grandes de energia que Damman é chamado para auxiliar é para operações secundárias. "Vemos um número razoável de componentes de turbinas a gás que têm algum tipo de detalhe fino com tolerâncias muito apertadas", disse ele. "Nestas aplicações, o cliente frequentemente quer montar a peça em uma máquina de retificação CNC para acabamento e precisa que seja automatizada também. A fixação hidráulica é quase sempre o método preferido devido à sua alta repetibilidade."

Larry Robbins, presidente do especialista em fixação SMW Autoblok Corp., Wheeling, Illinois, é um grande fã de fixação repetível, mas observou que é frequentemente necessário reposicionar peças grandes devido à sua variabilidade. "Seja uma forja ou fundição, sempre que você passa de um metro ou mais de diâmetro, quase sempre precisa de uma maneira de ajustar sua localização dentro do mandril", disse ele. "Oferecemos ajuste independente de garras com nossos mandris manuais e hidráulicos há provavelmente 25 anos, mas estendemos essa capacidade nos últimos anos para nossa linha de produtos de fixação ativados eletricamente."

Fixação Energética

Robbins explicou que os mandris MM e-motion da empresa têm um sistema de posicionamento linear patenteado (LPS) que permite ao operador — automaticamente ou não — medir a localização da peça na máquina via sonda de toque, enviar a informação posicional ao controlador e fazer o mandril centralizar a peça de acordo. Cada garra é alimentada e controlada por seu próprio "e-motor" que por sua vez é acionado por um acoplador indutivo, permitindo que o sistema seja usado em aplicações estacionárias ou rotativas. Peças de todas as formas e tamanhos até 1.250 mm são acomodadas, assim como modificação da força de fixação, mesmo enquanto a peça está sendo usinada.

Como vários outros aqui declararam, Robbins e SMW Autoblok experimentaram desacelerações nos setores de energia e aeroespacial nos últimos dois anos, embora ambos tenham desfrutado de um aumento recente. Curiosamente, ele começou a ver demanda da indústria de petróleo e gás para mandris capazes de segurar tubos cada vez maiores, um pedido que é desafiador tanto do ponto de vista de fixação quanto de máquina-ferramenta.

"No passado, redesenhamos as garras-mestre para aumentar a capacidade em mandris existentes, mas agora enfrentamos designs de produtos completamente novos dado o pedido para furos passantes de 610 mm (24")", disse ele. "Diâmetros tão grandes também colocam carga pesada nos mancais do fuso de um torno. Isso é algo que podemos aliviar um pouco através do uso de apoios fixos, mas aqui novamente, estamos nos aproximando dos limites da tecnologia de fixação existente. Provedores de energia estão à beira de criar um mercado totalmente novo."

Concordando com Automação

O fornecedor de sistemas de automação Fastems LLC USA, West Chester, Ohio, está vendo demandas similares por nova tecnologia. O Gerente Regional de Vendas Loy McEldowney disse que o setor de energia tem sido tradicionalmente lento em adotar manuseio automatizado de peças, embora essa mentalidade tenha começado a mudar graças à contínua escassez de mão de obra qualificada. "Como muitas indústrias, eles estão perdendo expertise e não têm escolha a não ser automatizar onde podem."

Isso requer várias coisas. Um dos centros de usinagem com troca de pallets descrito anteriormente é um bom lugar para começar, seguido de perto por alguma forma de fixação automatizada. Além da fixação hidráulica e eletrônica já discutida, sistemas de localização de ponto zero ativados a ar ou mecanicamente também estão disponíveis. McEldowney disse que os botões de retenção para tais sistemas são frequentemente montados diretamente em peças grandes, com o receptor acoplado ao pallet.

Talvez o mais importante de tudo seja o desenvolvimento de processos estáveis e previsíveis. Esta tarefa pode ser desafiadora em qualquer peça usinada, mas especialmente para o trabalho de baixo volume e alto mix comum na manufatura de energia. Mesmo assim, um número crescente de fornecedores de componentes de petróleo e gás estão fazendo exatamente isso.

"Justificar o investimento em automação e subsequente desenvolvimento de processo não requer altos volumes tanto quanto requer pedidos razoavelmente repetíveis", disse McEldowney. "Para empresas que têm acordos de longo prazo com seus clientes e podem ver o que vem nos próximos 18 a 24 meses, é muito menos assustador gastar dinheiro em fixadores dedicados, pallets para colocá-los, e um sistema de armazenamento automatizado ou mesmo semi-automatizado. Quando um pedido chega, tudo o que eles têm a fazer é carregar o pallet, chamar o programa e rodar a peça. E para aqueles com nosso sistema MMS (software de gestão de manufatura) e controlador de célula integrado, eles podem fazer isso lights-out. De qualquer forma, torna até a manufatura de baixo volume muito eficiente."