Colocação Robótica de Fibra e Impressão 3D Impulsionam Avanços da Indústria 4.0

As vantagens prometidas pela Indústria 4.0 estão sendo realizadas na Ingersoll Machine Tools em Rockford, Illinois. "Gêmeo digital", simulação de projeto de máquina, maior inteligência robótica e movimento complexo são as ferramentas essenciais aqui. Essas ferramentas estão tornando a produção de moldes em grande escala, usinagem de peças e automação de processos acessíveis aos setores aeroespacial, naval e outros.

"A disrupção prometida pela Indústria 4.0 já começou", disse Jason Melcher, vice-presidente de vendas da Ingersoll. "O que é ainda mais notável é que está acontecendo no aeroespacial, onde o projeto de máquina para produção aprimorada de moldes e peças é sobre o maior dos grandes, o mais difícil dos difíceis."

"Aqui, a impedância do processo é avaliada não apenas hora a hora, mas minuto a minuto, e libras por hora", explicou Melcher. "Estamos vendo maior fabricabilidade, apoiada no futuro pela principal plataforma de tecnologia CNC e de movimento da indústria aeroespacial."

A melhoria de processo sempre foi grande na Ingersoll. Por muitos anos, engenheiros mecânicos, de software e de processo da empresa se uniram a engenheiros da Siemens para desenvolver projetos de máquinas de grande formato de próxima geração.

Mas o que exatamente a Ingersoll e a Siemens estão fazendo que é verdadeiramente inovador?

Agora, essas duas empresas de tecnologia estão se unindo a equipes de engenharia de clientes para inventar, validar e mitigar riscos. Elas estão colaborando em uma escala maior, onde colocação robótica inteligente de fibra e produção massiva de impressão/fresamento não são mais uma visão, mas uma realidade.

Colocação Robótica de Fibra

Um player de longa data em colocação automatizada de fibra (AFP) para aeroespacial, a incursão da Ingersoll em robótica de ponta parece uma progressão natural. A ambição da empresa tem sido tornar a colocação robótica de fibra acessível a produtores de peças aeroespaciais de segundo e terceiro nível. Mas essa ascensão no mercado aeroespacial foi freada por várias realidades terrenas, incluindo a imprecisão histórica do posicionamento robótico em grande escala, a falta de controle robótico no nível do operador de máquina e o alto custo de projetar e construir sistemas AFP personalizados de maior escala.

Posicionamento robótico preciso: Mesmo nos últimos anos, a precisão de posicionamento de robótica de maior escala não foi melhor do que aproximadamente 5 mm e com repetibilidade ruim. Para resolver essa limitação, a Siemens evoluiu seu poderoso CNC Sinumerik 840D sl para incluir o Run MyRobot, seu software de compensação robótica altamente sofisticado.

Isso permitiu que a Ingersoll integrasse robótica em seus novos projetos de máquinas de colocação de fibra Robotic FP, alcançando precisão de posicionamento robótico repetível inferior a 1 mm. A precisão é mantida tanto para movimento robótico padrão quanto inverso.

Controle robótico na máquina: O movimento robótico de uma máquina Robotic FP é facilmente controlado na máquina usando a interface Siemens Sinumerik CNC Operate. A interface intuitiva e gráfica do controle é universal em toda a plataforma de controles CNC Sinumerik. Clientes aeroespaciais podem alcançar maiores eficiências de processo em toda a fábrica, pois os operadores rapidamente se tornam familiares e eficientes usando uma interface que permanece a mesma de máquina para máquina, mesmo ao passar de três eixos para robôs de cinco ou seis eixos com numerosos eixos adicionais (mesa giratória, mandril, trilho linear, etc.). A experiência do operador é a mesma, seja controlando colocação de fibra tradicional, colocação robótica de fibra, impressão 3D, impressão 3D robótica ou qualquer processo de usinagem CNC.

Simulação de projeto de máquina: A indústria de máquinas-ferramenta há muito antecipa a capacidade de projetar, testar e redesenhar virtualmente o gêmeo digital de uma máquina, molde ou peça antes de passar para a produção real. No aeroespacial, o tamanho enorme de uma máquina ou peça tornou a prototipagem física especialmente cara.

A prototipagem tradicional de tentativa e erro produziria perdas massivas de tempo e material. Para escapar dessas restrições, engenheiros de software da Ingersoll desenvolveram software de simulação que permite a engenheiros de processo projetar e desenvolver virtualmente uma máquina, um molde ou uma peça. O software envolve o kernel de simulação Virtual NC Controller (VNCK) da Siemens. O controlador processa e simula virtualmente todos os dados de ciclo de usinagem e trajetórias de ferramenta exatamente como seriam realizados na máquina real, e a interface Sinumerik Operate exibe graficamente essa simulação exata de gêmeo digital.

Impressão 3D e Fresamento em Grande Escala

As maiores impressoras 3D termoplásticas do mundo atraem a atenção imediata de engenheiros aeroespaciais ao entrarem no imenso Centro de Desenvolvimento da Ingersoll Machine Tools.

Após se ajustarem ao tamanho enorme da máquina MasterPrint, o que prende a atenção dos engenheiros é a perspectiva de prototipagem mais rápida, prazos de entrega mais curtos e reduções de 90% nos custos de manufatura. A inovação da Ingersoll continua com o desenvolvimento da MasterPrint 5X — uma máquina pronta de impressão e fresamento com avanços de produtividade ainda maiores, novamente habilitada pela plataforma CNC Siemens Sinumerik 840D sl.

Michael Falk é engenheiro mecatrônico e líder da equipe de vendas da Siemens que apoiou a Ingersoll no lançamento da série MasterPrint. Falk testemunhou frequentemente as reações dos engenheiros aeroespaciais que visitam o Centro de Desenvolvimento da Ingersoll, e pode atestar por que o fator "5X" é uma grande atração. "Noventa por cento do tempo, qualquer coisa que seja impressa em 3D precisará ser fresada de acabamento", disse Falk. "A nova MasterPrint faz exatamente isso como uma operação pronta para produzir as maiores peças do mundo incorporando tecnologia automatizada de troca de cabeçote, desenvolvida pela Ingersoll e suportada pela Siemens."

Falk disse que o que engenheiros aeroespaciais e navais estão testemunhando agora na Ingersoll é a capacidade deles de explorar metas de melhoria de processo que antes eram inalcançáveis. "Em outubro de 2019, a Universidade do Maine recebeu três recordes do Guinness World Records por imprimir em 3D um barco de 25 pés que realmente flutua e transporta pessoas", disse ele. "O que é notável é que engenheiros da Ingersoll superaram o recorde de tamanho várias vezes desde então."

Eficiência fresamento-impressão: A abordagem MasterPrint para impressão 3D de grande formato combina a velocidade amplificada, destreza e precisão do movimento de cinco eixos. O mesmo portal agora pode intercalar as funções de impressão, fresamento, colocação de fibra, colocação de fita, inspeção, aparamento e mais.

Impressão 3D de qualquer ângulo: A Ingersoll está lançando a nova MasterPrint 5X, disse Falk. A máquina pode imprimir de qualquer ângulo para sua plena vantagem. Então, agora você pode fazer rapidamente um molde ou peça massiva usando a sequência mais eficiente. O bico de impressão de cinco eixos muda de orientação de acordo para imprimir peças muito mais complicadas.

Sincronização de alta velocidade: "As ações de sincronização durante a impressão 3D é onde muita mágica acontece", disse Falk. "Você obtém peças com ótima aparência e geometria de cordão consistente. A impressão desacelera apenas conforme necessário nas curvas, então retoma a velocidade ideal. Cantos não são sobrepreenchidos. Não há problemas de preenchimento, nenhum estreitamento do cordão, nenhum vazio na ferramenta e nenhum acúmulo de material no interior da peça."

Impressão 3D robótica: A Ingersoll aproveitou totalmente o Sinumerik Run MyRobot/Direct Control, o software de compensação robótica que agora é um recurso chave do CNC Siemens Sinumerik 840D sl. A Ingersoll oferece uma ampla gama de sistemas robóticos onde o CNC na máquina pode controlar múltiplos módulos operados pelo mesmo robô.

Conjuntos de Ferramentas para o Futuro

Jason Melcher e Michael Falk testemunharam um entusiasmo implacável entre engenheiros da Ingersoll Machine Tools que fazem perguntas exploratórias em uma cultura de apoio. Eles descrevem um ambiente de laboratório onde um engenheiro de processo recém-formado aprende rapidamente coisas que até os cursos mais avançados de mecatrônica não cobrem.

Na Ingersoll, engenheiros são desafiados a inventar, validar, aprender e construir um processo de usinagem melhor — e receberam as ferramentas para fazer isso.

"A Siemens traz uma caixa de ferramentas aberta para o processo de projeto de máquina", disse Falk.

"Você tem o controle Sinumerik 840D de cinco eixos, um conjunto completo de motores, drives e componentes. Você tem software de simulação e um convite aberto à inovação de terceiros. Tudo se junta, com o CNC Sinumerik e seu equivalente virtual, o kernel VNCK, tornando-se o cérebro de um processo de usinagem muito mais evoluído."

Nate Haug é engenheiro de processo na Ingersoll. Ele é um dos muitos engenheiros inspirados na empresa que atesta as vantagens de usar um conjunto mais aberto de ferramentas de controle CNC e de movimento. "A Siemens começa com uma linguagem de programação que nos permite fazer muito mais do que poderíamos usando um controle baseado apenas em 'código G'", disse Haug. "Existem dois conjuntos de ferramentas, realmente. Um é a linguagem Siemens que permite uma gama aberta de funções e variáveis. O outro conjunto de ferramentas nos permite injetar funções condicionais no cérebro do NC. Sem ambos os conjuntos de ferramentas, não seríamos capazes de fazer o que fazemos. Estamos usando o 840D em uma máquina de colocação de fibra, em uma máquina de colocação robótica de fibra, em uma impressora 3D, em uma impressora 3D robótica, em máquinas-ferramenta com duas cabeças, com vertical, com cinco cabeças, com basicamente qualquer configuração."

Haug disse que, além de fazer melhorias entre as máquinas existentes na Ingersoll, ele e colegas engenheiros estão usando seus conjuntos de ferramentas CNC Sinumerik da Siemens para investigar caminhos para novo desenvolvimento de máquinas. Um desses caminhos está em pesquisa de materiais.

"Cada material tem suas próprias propriedades de fluxo", explicou Haug. "O controle Siemens nos permite modificar recursos no código para ajustar o material.

A plataforma CNC nos permite investigar uma gama mais ampla de materiais."

Questões de propriedades de materiais exploram variáveis como resistência, encolhimento, empenamento e o uso de materiais isotrópicos versus anisotrópicos. Soluções de materiais emergem nos domínios de prototipagem rápida para aplicações civis, de defesa e infraestrutura. O conceito de uma impressora única também emerge, uma que pode suportar iniciativas ambiciosas como matérias-primas baseadas em biocombustíveis usando celulose derivada de recursos de madeira.

Auto-monitoramento da máquina: Embora inspeções visuais conduzidas manualmente ainda sejam comuns hoje, elas estão se tornando respostas analógicas a um desafio de produção cada vez mais digitalmente automatizado.

A Ingersoll vê o dia chegando em breve quando inspeções serão rotineiramente uma função da máquina como um processo secundário. Um processo de usinagem de colocação de fibra monitorará a colocação, verificará quaisquer defeitos e assegurará a precisão e confiabilidade da peça. Da mesma forma, um processo híbrido de impressão 3D um dia imprimirá e usinará consecutivamente com auto-monitoramento de processo perfeitamente integrado.

O desenvolvimento desses processos automatizados de autoinspeção já é suportado pela plataforma de controle de movimento e CNC da Siemens, que governa posicionamento preciso e feedback posicional. Uma máquina pode detectar, rastrear e relatar qualquer variação.

Como a Ingersoll e a Siemens demonstraram, as vantagens prometidas da Indústria 4.0 estão sendo implementadas hoje. Tendo removido as fronteiras para colocação robótica de fibra e impressão 3D de grande formato, as expectativas agora se elevam em direção a melhorias inovadoras em todo o processo de produção de peças.

"É um pensamento de panorama maior", disse Jason Melcher da Ingersoll. "Quando visitamos um cliente, é para explorar melhoria de processo. Não é sobre um catálogo de máquinas que têm características e funções fixas. Estamos entrando em conversas sobre melhorias de processo personalizadas."

Para engenheiros em aeroespacial, naval e outros setores progressistas, inovação em grande escala significa que eles agora têm uma caixa de ferramentas ilimitada a partir da qual explorar como nunca antes.