Desbloqueando Eficiência: As Vantagens Estratégicas dos Centros de Usinagem Verticais

Fornecedores de centros de usinagem verticais (VMCs) olham para 2022 com otimismo. Esperam maior uso de automação e maior conscientização dos benefícios de usinar com equipamentos de mais de três eixos.

Chegar a mais lados de uma peça em uma ou duas configurações é apenas parte da proposta de valor dos VMCs, segundo fabricantes de equipamentos. Automatizar com um robô na frente da máquina, ou adicionar um eixo rotativo, ajuda a garantir produtividade, enquanto um entendimento da cinemática da máquina — como a máquina se move ao longo do tempo — é chave para reprodutibilidade.

Uma ampla gama de opções, desde máquinas de três eixos mais simples até cinco eixos — tanto 3 mais 2 quanto, em menor extensão, versões contínuas — dá às oficinas uma riqueza de oportunidades para aplicar VMCs em séries baixas e altas. E oportunidades para produzir peças reshored oferecem mais um incentivo.

Negócios de VMC Estão Bons

Primeiro, apesar da incerteza e política confusa em torno da pandemia de COVID-19 ao entrar em seu terceiro ano de tumulto, a demanda por VMCs é forte. No entanto, a oferta é, não surpreendentemente, uma preocupação.

"A indústria está bem aquecida", afirmou Jeff Wallace, gerente geral de engenharia nacional da DMG Mori USA em Hoffman Estates, Illinois. "Estamos vendendo tudo o que não está parafusado. Estamos vendendo coisas que estão parafusadas. O bom problema é que estamos vendendo tudo o que temos; o mau problema é que prazos de entrega de quatro a seis semanas se estenderam para quatro a seis meses."

VMCs são populares em múltiplas aplicações, disse Wallace, mesmo com "alguns centros de produção de baixo volume onde estamos fazendo algumas peças prismáticas simples. Até máquinas verticais de três eixos estão em alta demanda."

Dada a escassez de força de trabalho que só foi exacerbada pela pandemia, a automação de VMCs tornou-se uma preocupação principal.

"Frequentemente, vemos com os verticais que podemos retrofit um eixo rotativo para chegar a mais de um lado da peça. Clientes estão procurando automatizar o máximo que podem — até automatizar alguns centros de usinagem verticais de três eixos. Adicionar um eixo rotativo ou até um eixo rotativo duplo para poder virar a peça e chegar ao outro lado para não ter que tirá-la de um torno e levá-la a outro torno — seja naquela máquina ou em outra — é muito popular agora. Clientes estão olhando como podem otimizar aqueles VMCs e obter mais produtividade deles.

"A coisa boa sobre VMCs é que eles são relativamente baratos e fáceis de configurar. Você os coloca no chão, e a maioria tem um sistema de nivelamento de três pontos. Para um cliente entrar em um VMC, especialmente para produção de curta série, é muito custo-efetivo. A demanda é alta em geral para quase todos nossos produtos — e é bom para a indústria. Não somos os únicos; todos os outros construtores estão vendo condições similares. A torta é bem grande, e fico feliz que a indústria esteja saudável."

Usando sua calculadora de ROI, a DMG Mori ajuda a ilustrar como seus VMCs podem ajudar oficinas a melhorar sua linha de fundo — particularmente "com todo o reshoring acontecendo. Estamos vendo muitos produtos voltarem para os EUA — peças prismáticas de baixo custo que terceirizamos além-mar nos últimos 20 anos. Pequenas e médias oficinas tornaram-se muito eficientes em fazer esses componentes de commodity — coisas que um VMC é muito bem adequado para fazer.

"A ressalva lá é a mão de obra e se você quer automatizar: É colocar um robô simples na frente da máquina ou colocar o eixo rotativo? Temos um grupo de automação interno na DMG Mori, e os cobots estão começando a decolar nestas plataformas VMC. Nem precisamos adicionar algo tão simples como um cilindro de ar na porta; deixamos o robô abrir a porta." Ao dar esses passos, disse Wallace, clientes estão vendo ganhos de produção de cinco a seis por cento.

VMCs multi-eixos estão ganhando maior espaço nos EUA, concluiu ele — explodindo, de fato, com a DMG Mori vendo um aumento de dez vezes nas vendas nos últimos dois anos. A Europa inicialmente teve a vantagem na adoção, disse ele, mas "na moda americana típica, uma vez que acordamos, é tipo: 'OK, saiam da frente.' A América acordou, novamente impulsionada principalmente pelas questões de força de trabalho. Como as pessoas não querem fazer o trabalho ou não encontramos talento, como você minimiza essa interação com a máquina para fazer uma peça? É onde o multi-eixos brilha. Se eu preparar minha barra corretamente, posso nunca ter que tocar naquela peça novamente até que esteja completa."

Facilitando a automação está a interface homem-máquina Celos da empresa, que permite operadores de máquina manipularem rapidamente uma gama de robôs para realizar várias tarefas. "Desenvolvemos aplicações que, se você colocar um robô na frente de uma máquina, o operador não precisa ser um programador de robô. Há uma interface gráfica de arrastar e soltar para ajudar operadores a programar. Nosso alvo é colocar essa tecnologia nas mãos das pessoas para que não fiquem tão receosas de automação mas confortáveis com ela."

A Vantagem do VMC

Geralmente mais fáceis de instalar, VMCs "geralmente estão funcionando em um período mais curto e oferecem menos interrupção no negócio do dia a dia", explicou Bill Malanche, COO da Mitsui Seiki. "Eles também são tipicamente menores em tamanho que muitos horizontais, reduzindo o uso geral de espaço valioso no chão de fábrica. O design de nossas máquinas dá às oficinas e grandes fábricas mais capacidade em uma plataforma menor. Em nossa linha Vertex de VMCs, o eixo Y oferece um curso maior que o eixo X, tornando a largura geral da máquina menor. A maioria dos VMCs é tipicamente mais larga do que profunda."

Ao longo de sua carreira, Malanche relembrou, instalou dezenas de máquinas verticais em empresas nos EUA e no exterior. "Até hoje ainda encontro ocasionalmente um cliente em uma feira que se lembra de mim instalando a máquina dele, e diz que ainda a tem, e ela ainda mantém alguns décimos."

A Mitsui Seiki enfatiza máquinas estilo jig bore projetadas para ter ultra-alta precisão em um envelope de trabalho apertado, observou ele, tornando-as ideais para produção de alto valor, baixo volume.

"Temos um cliente que está produzindo componentes aeroespaciais complexos que requerem tolerâncias extremamente apertadas", explicou Malanche. "As máquinas verticais que eles estão usando estão produzindo uma família de peças projetadas não apenas para produção mas suporte de campo contínuo. Este ambiente significa que as máquinas poderiam ser usadas para propósitos de peças de produção um dia mas inesperadamente forçadas a serem trocadas para compensar requisitos de suporte de campo.

"Este cliente tem maquinistas qualificados produzindo as peças, mas o nível do trabalho não é adequado para apenas apertar 'início de ciclo'; as peças têm numerosos furos integrados e verificações de processo que precisam ser feitas enquanto as peças estão sendo produzidas." Esse cliente começou com cinco VMCs Mitsui Seiki e agora tem 16 em sua operação.

Em casos onde peças devem sair das máquinas para inspeção CMM "em processo" para ir de operação a operação, Malanche disse, "ajudamos o cliente a semi-automatizar os processos, onde eles podiam arranjar as máquinas com placas base de fixação 'ponto zero' para permitir que as mesmas peças fossem transferidas de máquina para máquina e para o CMM com configuração e verificação de turnaround mínimas."

Às vezes, melhorias opcionais relativamente pequenas podem ser feitas em VMCs de linha base para ajudar com automação. Itens como sondas de ferramenta e sondas de fuso podem ser usados para acelerar trocas, e incorporar placas base de ponto zero altamente repetíveis pode adicionar versatilidade.

"Mas acho que a maior vantagem vem em ter máquinas equipadas para usinagem de cinco eixos", afirmou Malanche. "Embora adicionar um quinto eixo à maioria dos VMCs seja geralmente caro no início, o investimento vale a pena e às vezes é pago rapidamente com aplicações críticas. O advento de equipar mesas rotativas de cinco eixos de alta precisão construídas na estrutura da máquina permite aos fabricantes a vantagem de ainda mais versatilidade no fluxo de processo."

A Mitsui Seiki projetou suas plataformas VMC para lidar com muitos desafios de manufatura únicos, continuou ele. A série Vertex de cinco eixos de linha base é oferecida em três tamanhos para lidar com peças de 500 mm a 1200 mm de diâmetro. "Construímos eles com adaptações visando abordar muitos desafios de manufatura e novas metodologias. Nossas máquinas não são construídas em uma plataforma comum com apenas fusos de esferas estendidos para cursos maiores; estas são construídas em fundições de ferro individuais projetadas para anos de serviço e vida. Nossa menor versão, a Vertex 550-5X com mesa rotativa de 400 mm, pesa 20.000 libras, e a Vertex 100X é o triplo desse valor. Estas não são máquinas VMC 'descartáveis'."

Máquinas Vertex são construídas com opções como motores de eixo rotativo de acionamento direto necessários para controle de contorno melhorado no mercado de aerofólios, ele adicionou. "Temos máquinas de plataforma de combinação projetadas para capacidade multi-processo como deposição de metal aditiva/subtrativa, fresamento e retificação e o processo de eletroerosão de alta velocidade chamado Blue Arc, que está sendo licenciado através da General Electric." Com essas opções, usuários estão cortando materiais incluindo cerâmicas, grafite, alumínio, titânio, Inconel e mais.

Este tipo de flexibilidade está ajudando VMCs a reafirmar seu lugar no mercado, onde ao longo dos anos os requisitos de produção mais alta, combinados com capacidade de mão de obra reduzida, abriram caminho para HMCs assumirem. "No que parecia um período relativamente curto, a necessidade de VMCs ficou em segundo plano para HMCs com trocadores de ferramentas maiores, trocadores de paletes e sistemas de manufatura flexíveis completos", disse Malanche. "Trinta anos atrás, a maioria das oficinas de produção média a semi-alta dependia fortemente de VMCs por numerosas razões, incluindo tempo de configuração, facilidade de acesso, facilidade de manutenção, disponibilidade de trabalhadores qualificados e mix de produtos. VMCs recuperaram nova vida no mercado de fabricação de peças de alta precisão."

Máquinas em Movimento

O conceito crítico de cinemática, ou como uma máquina se move, é algo que a YCM Technology USA em Carson, Califórnia, enfatiza com sua calibração de cinemática integrada para o mercado norte-americano. Esses pacotes — apresentando sondas de toque e medição de comprimento de ferramenta e esferas de ferramenta — serão padrão nas máquinas de 3 mais 2 ou cinco eixos contínuos da YMC, disse Brian Huff, gerente de desenvolvimento de negócios para o Meio-Oeste.

À medida que uma máquina realiza suas funções, a precisão pode mudar, observou Huff, e "é comum que um operador pense que a máquina não está precisa ou a captação não estava precisa." Abordar isso requer definir centros de rotação para o quarto e quinto eixo e ser capaz de calibrá-los. Historicamente, fabricantes podem definir o centro de rotação como parte da instalação da máquina, disse ele. "Se o cliente luta com precisão, exigiria uma chamada de serviço, e eles voltariam para redefinir aqueles centros de rotação — o que pode ser caro. Coisas acontecem, máquinas se movem, o peso da peça muda — e outras dinâmicas estão em jogo. Alguns fabricantes abraçaram mais prontamente a importância da calibração de cinemática. Portanto, nosso interesse é torná-la fácil para nossos usuários e operadores; não vai exigir uma chamada de serviço, e você tem a máquina no mais alto nível de precisão."

Com que frequência VMCs devem ser calibradas? Pode ser uma vez por semana, uma vez por mês, ou até diariamente dependendo da aplicação, aconselhou Huff.

"Dizemos aos nossos clientes que se você tem trabalho mais crítico e nota mais desvio, execute o programa de cinemática. Se você está rodando trabalho de tolerância apertada, execute a cinemática; execute antes do trabalho, execute diariamente para ter certeza. Se você está vendo desvio de 0,0005" ao longo de uma semana, talvez execute semanalmente." Isso se traduz a 0,0127 mm.

Idealmente, Huff gostaria de "tornar a cinemática uma conversa normal" e tentar ajudar a preencher a lacuna entre empresas que definem centros de rotação na instalação e aquelas que pensam que calibração de cinemática deve ser facilmente acessível e rapidamente executada. "Está se tornando um modo de vida para todos os fabricantes."

Outra forma que a YCM aborda precisão é através de sua parceria com Kessler, cujos fusos e cabeças estão aparecendo em máquinas verticais YCM para abordar força de fixação para os eixos A e C ou B e C e manter rigidez na ponta da ferramenta de corte. "Nosso fuso padrão em nossa máquina de cinco eixos de coluna dupla para molde e matriz atinge 54 hp", disse Huff, ou 40,2 kW. "É um HSK 100, com 16.000 RPM, que produz potência total a 2.500 RPM. Alta rigidez, torque, RPM e potência faz uma configuração de fuso e cabeça realmente versátil. Nossa versão aeroespacial vai até 18.000 RPM, com fuso HSK 63 produzindo 94 hp [70 kW], visado para usinagem de alumínio." Além disso, a parceria com Kessler dá à YCM um recurso do Meio-Oeste para reparo de fuso.

A YCM Technology está colocando ênfase particular em suas máquinas de cinco eixos. Enquanto configurações 3 mais 2 são mais populares, a demanda por cinco eixos completos está crescendo, observou Huff. Ele também vê pedidos de automação aumentarem.

"Estamos consistentemente vendo pedidos de automação como parte do pacote da máquina. Não é apenas paletização; estamos vendo mais aceitação e interesse para automação pick-and-place. É um encaixe natural com cinco eixos porque em muitos casos você é capaz, dentro de uma ou duas configurações, de usinar a peça completa. Fixação de peças neste caso é crítica e que você não tenha interferência de fixadores ou grampos no caminho do cortador. Se você pode segurar uma peça pelo lado inferior e permitir cinco lados acessíveis, isso é ideal. Para fixação pelo fundo, existem fabricantes que projetaram sistemas que fazem um ótimo trabalho; estamos atualmente trabalhando com empresas que oferecem esses tipos de soluções. Também oferecemos pacotes de automação paletizada com máquinas YCM e estamos desenvolvendo mais pacotes de automação colaborativa e pick-and-place."

Visando Alta Produção

Nos últimos dois a três anos, a maioria dos lançamentos de VMC pela Chiron foram plataformas robustas de produção de alto volume projetadas para atender às demandas de usinagem de grandes componentes automotivos e aeroespaciais, disse o Gerente de Desenvolvimento de Negócios Simon Knecht da Chiron America em Charlotte, Carolina do Norte.

"Com esses centros de usinagem estabelecidos com sucesso e amplamente disponíveis para nossos clientes norte-americanos, estamos fortalecendo ainda mais nosso portfólio de produtos no extremo oposto do espectro de manufatura: componentes micro-usinados de alta precisão", disse Knecht.

Este ano, a Chiron está lançando seu centro de usinagem Micro5, desenvolvido na Suíça e projetado para peças pequenas — no reino de 50×50×50 mm — disse ele. "A velocidade e dinâmica deste conceito de usinagem são projetadas para suportar clientes com produtividade aumentada. Junto com os benchmarks de alta velocidade e massa móvel mínima, a máquina é uma plataforma modular e pode ser equipada com automação integrada. Além disso, o Micro5 foi projetado para escalabilidade flexível, o que dá aos fabricantes a capacidade de criar linhas de produção contínuas com múltiplas máquinas."

VMCs geralmente são baseados em um conceito modular, explicou ele; é prática comum mudar de layout de quarto para quinto eixo. "Muitas vezes, nossos clientes mudaram a configuração da máquina para uma configuração de mesa diferente utilizando quarto ou quinto eixo na mesa."

Como outros fornecedores, a Chiron America está abordando a lacuna de habilidades do operador. Automação inteligente "é uma parte de uma solução que garante throughput durante horas de produção planejadas", disse Knecht. "Tecnologias de automação, especialmente robôs, geralmente têm alta disponibilidade técnica e rodam com alta confiabilidade. Com processos e células projetados para lotes menores, nossas soluções de automação são até capazes de trocar fixadores na máquina. Em oposição a uma configuração manual, que pode frequentemente levar mais de uma hora para trocar os fixadores, automatizar o VMC com um sistema de fixação zero melhora o throughput e coloca a máquina de volta no que ela foi projetada para fazer: Usinar. Nossas configurações de eixo de mesa de usinagem são projetadas para acomodar esses métodos de fixação."

Tendências como a mudança para e-mobilidade e cadeias de suprimento estressadas pela pandemia estão exigindo mais flexibilidade do equipamento — tornando VMCs que reduzem configuração uma ferramenta crítica. "A capacidade de mudar rapidamente para uma peça diferente em uma máquina impulsiona a abordagem de reduzir o número de configurações e finalizar o máximo de operações possível dentro da mesma máquina", disse Knecht. A troca integrada de peça da Chiron permitiu carregamento e descarregamento de peça enquanto seus VMCs de cinco eixos estão rodando.

Aproveitando essa flexibilidade e utilizando um VMC para muitas peças diferentes "levará a benefícios tangíveis em termos de ROI", concluiu Knecht. "Muitas vezes vi máquinas e equipamentos dedicados que ficam parados após a perda de um trabalho ou projeto, enquanto o fabricante é incapaz de utilizar a máquina ao máximo."