Manufatura Assistida por Computador (CAM): Como Ela Impulsiona a Produção Moderna

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Manufatura Assistida por Computador (CAM): A Introdução Completa para Iniciantes

Em um mundo cheio de coisas físicas — sejam produtos, peças ou lugares — a Manufatura Assistida por Computador (CAM) torna tudo possível. Somos nós que damos o poder do voo a aviões ou o ronco de cavalos de força a automóveis. Quando você precisa de algo feito, não apenas projetado, CAM é a resposta. O que acontece nos bastidores? Continue lendo e você descobrirá.

O que é CAM? Manufatura Assistida por Computador (CAM) é o uso de software e máquinas controladas por computador para automatizar um processo de manufatura.

Com base nessa definição, você precisa de três componentes para um sistema CAM funcionar:

• Software que diz a uma máquina como fazer um produto gerando trajetórias de ferramenta.
• Máquinas que podem transformar matéria-prima em um produto acabado.
• Pós-processamento converte trajetórias de ferramenta em uma linguagem que máquinas podem entender.

Esses três componentes são colados com toneladas de trabalho humano e habilidade. Como indústria, passamos anos construindo e refinando as melhores máquinas de manufatura. Hoje, não há design muito difícil para qualquer oficina de usinagem capaz de lidar.

Processo CAD para CAM

Sem CAM, não há CAD. CAD foca no design de um produto ou peça. Como ela parece, como funciona. CAM foca em como fazê-la. Você pode projetar a peça mais elegante em sua ferramenta CAD, mas se não puder fabricá-la eficientemente com um sistema CAM, então é melhor chutar pedras.

O início de todo processo de engenharia começa no mundo do CAD. Engenheiros farão um desenho 2D ou 3D, seja um virabrequim para um automóvel, o esqueleto interno de uma torneira de cozinha, ou a eletrônica oculta em uma placa de circuito. No CAD, qualquer design é chamado de modelo e contém um conjunto de propriedades físicas que serão usadas por um sistema CAM.

Quando um design está completo no CAD, ele pode ser carregado no CAM. Isso é tradicionalmente feito exportando um arquivo CAD e depois importando-o no software CAM. Se você estiver usando uma ferramenta como Fusion 360, tanto CAD quanto CAM existem no mesmo mundo, então não há importação/exportação necessária.

Uma vez que seu modelo CAD é importado no CAM, o software começa a preparar o modelo para usinagem. Usinagem é o processo controlado de transformar matéria-prima em uma forma definida através de ações como corte, furação ou mandrilamento.

Software de Manufatura Assistida por Computador prepara um modelo para usinagem trabalhando através de várias ações, incluindo:

• Verificar se o modelo tem erros de geometria que impactarão o processo de manufatura.
• Criar uma trajetória de ferramenta para o modelo, um conjunto de coordenadas que a máquina seguirá durante o processo de usinagem.
• Definir quaisquer parâmetros de máquina necessários, incluindo velocidade de corte, voltagem, altura de corte/perfuração, etc.
• Configurar nesting onde o sistema CAM decidirá a melhor orientação para uma peça para maximizar a eficiência de usinagem.

Uma vez que o modelo está preparado para usinagem, toda a informação é enviada para uma máquina para produzir a peça fisicamente. No entanto, não podemos apenas dar a uma máquina um monte de instruções em inglês. Precisamos falar a linguagem da máquina. Para fazer isso, convertemos toda nossa informação de usinagem para uma linguagem chamada G-code. Este é o conjunto de instruções que controla as ações de uma máquina, incluindo velocidade, taxa de avanço, refrigerantes, etc.

G-code é fácil de ler uma vez que você entende o formato. Um exemplo parece assim:

G01 X1 Y1 F20 T01 S500

Isso se divide da esquerda para a direita como:

• G01 indica um movimento linear baseado nas coordenadas X1 e Y1.
• F20 define uma taxa de avanço, que é a distância que a máquina percorre em uma revolução do fuso.
• T01 diz à máquina para usar a Ferramenta 1, e S500 define a velocidade do fuso.

Uma maneira mais visual de entender coordenadas G-code. Imagem cortesia de Make:.

Uma vez que o G-code é carregado na máquina, e um operador aperta start, nosso trabalho está feito. Agora é hora de deixar a máquina fazer o trabalho de executar G-code para transformar um bloco de matéria-prima em um produto acabado.

Máquinas CNC num Relance

Até este ponto, falamos sobre as máquinas em um sistema CAM simplesmente como máquinas, mas isso realmente não lhes faz justiça. Ver uma fresadora Haas deslizar através de um bloco de metal como se fosse manteiga coloca um sorriso no meu rosto toda vez. Sem essas máquinas, meu trabalho seria impossível.

Imagem cortesia de Haas Automation.

Todos os centros de manufatura modernos estarão rodando várias máquinas de Controle Numérico Computadorizado (CNC) para produzir peças projetadas. O processo de programar uma máquina CNC para realizar ações específicas é chamado de usinagem CNC.

Antes das máquinas CNC existirem, centros de manufatura eram operados manualmente por veteranos torneiros. Claro, como todas as coisas que computadores tocam, a automação logo seguiu. Hoje, a única intervenção humana necessária para rodar uma máquina CNC é carregar um programa, inserir matéria-prima e depois descarregar um produto acabado.

No workshop Pier 9 da Autodesk, temos uma amostra decente de máquinas CNC, incluindo:

Roteadores CNC

Essas máquinas cortam peças e entalham uma variedade de formas com componentes de alta velocidade. Por exemplo, um roteador CNC usado para marcenaria pode fazer trabalho fácil de cortar compensado em peças de gabinete. Também pode facilmente lidar com gravação decorativa complexa em um painel de porta. Roteadores CNC têm capacidades de corte de 3 eixos, o que permite mover-se ao longo dos eixos X, Y e Z.

Cortadores a Água, Plasma e Laser

Essas máquinas usam lasers precisos, água de alta pressão ou uma tocha de plasma para realizar um corte controlado ou acabamento gravado. Técnicas manuais de gravação podem levar meses para completar à mão, mas uma dessas máquinas pode completar o mesmo trabalho em horas ou dias. Cortadores a plasma são úteis para cortar materiais condutores eletricamente como metais.

Máquinas de Fresagem

Essas máquinas removem material de uma variedade de materiais como metal, madeira, compósitos, etc. Máquinas de fresagem têm enorme versatilidade com uma variedade de ferramentas que podem atender requisitos específicos de material e forma. O objetivo geral de uma máquina de fresagem é remover massa de um bloco bruto de material da forma mais eficiente possível.

Tornos

Essas máquinas também removem matéria-prima como uma máquina de fresagem. Elas fazem de forma diferente. Uma máquina de fresagem tem uma ferramenta giratória e material estacionário, onde um torno gira o material e corta com uma ferramenta estacionária.

Imagem cortesia de Halsey Manufacturing.

Máquinas de Descarga Elétrica (EDM)

Essas máquinas cortam a forma desejada da matéria-prima através de uma descarga elétrica. Uma faísca elétrica é criada entre um eletrodo e a matéria-prima, com a temperatura da faísca atingindo 8.000 a 12.000 graus Celsius. Isso permite que um EDM derreta quase qualquer coisa em um processo controlado e ultra-preciso.

Imagem cortesia de Absolute Wire EDM.

O Elemento Humano da Manufatura Assistida por Computador (CAM)

O elemento humano sempre foi um assunto delicado desde que o CAM chegou à cena nos anos 1990. Nos anos 1950, quando John T. Parsons introduziu pela primeira vez a usinagem CNC, operar máquinas habilmente exigia uma enorme quantidade de treinamento e prática. O vídeo abaixo da NYC CNC mostra um ótimo exemplo de como máquinas manuais são diferentes das máquinas CNC de hoje:

Nos dias de usinagem manual, ser um Torneiro era um distintivo de honra que levava anos de treinamento para aperfeiçoar. Um Torneiro tinha que fazer tudo — ler plantas, saber quais ferramentas usar, definir avanços e velocidades para materiais específicos, e cortar cuidadosamente uma peça à mão. Não era apenas sobre destreza manual precisa. Ser um Torneiro era, e ainda é, tanto uma arte quanto uma ciência.

Imagem cortesia de ITABC.CA

Hoje, o Torneiro Moderno está vivo e bem como humano, máquina e software se combinam para mover nossa indústria para frente. Habilidades que levavam 40 anos para dominar agora podem ser conquistadas em uma fração do tempo. Novas máquinas e software CAM nos deram mais controle do que nunca para projetar e fazer produtos melhores e mais inovadores do que nossos antepassados, o que eles admitem... relutantemente.

O que tudo isso significa para o elemento humano da manufatura? O papel de um Torneiro Tradicional está mudando. Hoje estamos vendo um ambiente de Torneiros Modernos representado com três papéis típicos:

• O Operador. Este indivíduo carrega matérias-primas em uma máquina CNC e processa peças acabadas através do processo final de embalagem.
• O Operador de Configuração (Setup Operator). Este indivíduo realiza a configuração inicial para uma máquina CNC, incluindo carregar um programa G-code e configurar ferramentas.
• O Programador. Este indivíduo pega o desenho para um modelo CAD e decide como fazê-lo com suas máquinas CNC disponíveis. Seu trabalho é definir as trajetórias, ferramentas, velocidades e avanços no G-code para fazer o trabalho.

Em um fluxo de trabalho típico, o Programador passará seu programa para o Operador de Configuração, que então carregará o G-code na máquina. Uma vez que a máquina está pronta para rodar, o Operador então fará a peça. Em algumas oficinas, esses papéis podem se combinar e sobrepor nas responsabilidades de uma ou duas pessoas.

Fora das operações diárias de máquina, também há o Engenheiro de Manufatura na equipe. Em uma configuração de nova oficina, este indivíduo tipicamente estabelece sistemas e determina um processo de manufatura ideal. Para configurações existentes, um Engenheiro de Manufatura monitorará equipamentos e qualidade do produto enquanto lida com outras tarefas gerenciais.

O Impacto do CAM

Temos John T. Parsons a agradecer por introduzir um método de cartão perfurado para programar e automatizar máquinas. Em 1949, a Força Aérea dos Estados Unidos financiou Parsons para construir uma máquina automatizada que pudesse superar máquinas NC manuais. Com ajuda do MIT, Parsons foi capaz de desenvolver o primeiro protótipo NC.

Daí, o mundo da usinagem CNC começou a decolar. Nos anos 1950, o Exército dos EUA comprou máquinas NC e as emprestou a fabricantes. A ideia era incentivar empresas a adotar a nova tecnologia em seu processo de manufatura. Durante este tempo, também vimos o MIT desenvolver a primeira linguagem de programação universal para máquinas CNC: G-code.

Os anos 1990 trouxeram a introdução do CAD e CAM ao PC e revolucionaram completamente como abordamos a manufatura hoje. Os primeiros trabalhos de CAD e CAM eram reservados para aplicações automotivas e aeroespaciais caras, mas hoje software como Fusion 360 está disponível para oficinas de manufatura de qualquer forma e tamanho.

Desde seu início, o CAM entregou uma tonelada de melhorias ao processo de manufatura, incluindo:

• Capacidades de máquina melhoradas. Sistemas CAM podem aproveitar máquinas avançadas de 5 eixos para entregar peças mais sofisticadas e de maior qualidade.
• Eficiência de máquina melhorada. O software CAM de hoje fornece trajetórias de ferramenta de alta velocidade que nos ajudam a fabricar peças mais rápido do que nunca.
• Uso de material melhorado. Com máquinas aditivas e sistemas CAM, podemos produzir geometrias complexas com desperdício mínimo, o que significa custos menores.

Claro, esses benefícios têm algumas compensações. Sistemas de Manufatura Assistida por Computador e máquinas requerem um custo inicial massivo. Por exemplo, uma Haas VF-1 custa cerca de $45k na porta; agora imagine um chão de fábrica inteiro daquelas. Há também o problema de rotatividade. Com a operação de máquina se tornando menos um ofício qualificado, é difícil atrair e reter bons talentos.

CAM é o Homem

CAM não é apenas sobre controlar máquinas no chão de fábrica. É sobre reunir software, máquinas, processos e pessoas para construir peças realmente ótimas. Se esta é sua primeira vez mergulhando no mundo do CAM, eu encorajo fortemente você a entrar em contato com uma oficina local para fazer um tour interno. Sinta o zumbido das máquinas CNC nos seus pés, ou deslize sua mão sobre uma peça recém-saída da máquina. É uma experiência incrível que espero que as futuras gerações possam desfrutar. CAM é tudo sobre o toque humano.

Você ainda está brincando com ferramentas CAD e CAM separadas? O Fusion 360 tem ambos. Experimente o Fusion 360 hoje.