O caso da impressão 3D na manufatura

Houve um tremendo hype em torno da manufatura aditiva (e impressão 3D) nos últimos anos. Mas a tecnologia é realmente viável para todos os fabricantes? Depende.

De partes de corpos a casas, a impressão 3D, também conhecida como aditiva no setor de manufatura, passou rapidamente de uma moda tecnológica digna de manchetes para os consumidores a um meio viável e acessível de construir coisas, como implantes médicos, peças automotivas e de aviação, e protótipos de plástico para designers industriais.

O que é exatamente a manufatura aditiva? A MIT Technology Review a descreve como a versão industrial da impressão 3D, onde uma máquina “constrói um objeto adicionando camadas ultrafinas de material uma a uma”. Em vez do trabalho de usinagem tradicional que subtrai ou remove elementos do material existente (como na usinagem convencional de metal, fresamento e usinagem CNC), a manufatura aditiva é construída desde o início.

Quais são os benefícios da manufatura aditiva? Ele oferece às empresas opções mais amplas para inovar e customizar a fabricação para ferramentas internas e necessidades de peças e materiais do cliente – e para reduzir custos “diminuindo a quantidade de material perdido durante a fabricação, melhorando o rendimento do produto e/ou reduzindo os insumos de mão de obra”, de acordo com para a Deloitte University Press em um artigo detalhando aplicações 3D para ferramentas.

Impressão 3D:a adoção da manufatura aditiva está em ascensão

De acordo com um estudo da PwC e do The Manufacturing Institute, cerca de dois terços dos fabricantes já adotaram a tecnologia de alguma forma e mais da metade já a está usando para prototipagem – um salto significativo em relação a apenas dois anos antes, com 35% de fabricantes que experimentam a tecnologia.

E, como a pesquisa sugere, os fabricantes assumem que o rápido crescimento em torno do aditivo só aumentará a velocidade. Mais da metade dos fabricantes espera que a manufatura aditiva seja usada para produção de alto volume nos próximos cinco anos, em comparação com apenas 38% há apenas dois anos.

O mercado de manufatura aditiva para metais apoia essas descobertas. De acordo com a pesquisa “Additive Manufacturing with Metal Powders 2017” da SmarTech Publishing, o mercado de sistemas de manufatura aditiva e materiais em pó metálico foi superior a US$ 950 milhões em 2016 – e deve crescer para US$ 6,6 bilhões até 2026.

Impressão 3D, desafios de manufatura aditiva:tempo e custo

Apesar do tremendo hype em torno da manufatura aditiva, existem algumas limitações a serem compreendidas. Primeiro, a manufatura aditiva pode ser lenta para produzir. Produzir o tipo de volume que você alcança com usinagem CNC em metais não é uma comparação de maçãs com maçãs.

“Para metais, é uma questão diferente”, diz Gordon Styles, fundador e presidente da Star Rapid, em entrevista ao Engineering.com. “Não faz sentido imprimir em 3D nada que seja projetado para usinagem CNC; será naturalmente muito mais lento para imprimir porque o tempo de impressão é relativo ao volume de material. A maioria das peças metálicas projetadas para CNC são volumosas e, portanto, levam muito tempo em uma impressora 3D.”

Várias empresas estão trabalhando para agilizar o processo, observa Styles. Mas essa tecnologia aprimorada incitará outro desafio considerável para as empresas:custo. A manufatura aditiva pode ser cara, por isso é importante entender todas as “alavancas de custo”, observa Jason T. Ray, consultor de estratégia industrial de manufatura avançada.

“Devido à novidade da AM [fabricação aditiva] e aos altos custos iniciais de investimento necessários para comprar as máquinas, os casos de uso geralmente se transformam em um martelo à procura de pregos, em vez de um processo orientado pelo custo-benefício”, observa Ray no artigo “ Calculando o custo da manufatura aditiva” para a revista Disruptive. “Quando isso acontece, a ênfase no redesenho é reduzida e as empresas acabam produzindo componentes que foram originalmente projetados para métodos tradicionais de fabricação e, portanto, capturam apenas uma fração dos benefícios de uso final associados à AM.”

Mas, como descobriu um relatório da Universidade de Nottingham, esse pode não ser o caso para sempre. Sua teoria:À medida que a tecnologia das máquinas se torna mais avançada, o argumento econômico para a adoção de aditivos na produção se torna mais viável. No entanto, enquanto as máquinas permanecerem as mesmas, o custo continuará alto.

“Embora estejamos limitados hoje, daqui a 10 anos veremos centenas de materiais disponíveis”, disse Styles ao Engineering.com. “O problema não é realmente a disponibilidade de materiais, é o tempo e o esforço necessários para trocar os materiais. Hoje leva cerca de 24 horas para virar uma máquina para um novo material.”

No entanto, existem alguns casos em que a usinagem CNC pode ser mais cara do que a manufatura aditiva. Mas há apenas uma maneira infalível de descobrir.

“A melhor maneira é simplesmente obter uma cotação para os dois processos de seu provedor de serviços de prototipagem rápida”, explica Styles. “Uma regra prática, no entanto, é esta:se a peça pode ser usinada em CNC, provavelmente é mais barato usiná-la em CNC – e em 90% dos casos, isso é verdade.”

Para completar, Styles também destaca o fato de que alguns materiais aditivos podem precisar de mais trabalho na usinagem CNC, o que inclui a remoção de suportes. Além disso, o calor apresenta provavelmente o problema mais considerável de todos, ameaçando, literalmente, rasgar os produtos.

Impressão 3D em Fábricas:Plástico, Peças, Ferramentas, Híbrido

Desafios à parte, ao prototipar em plástico, a manufatura aditiva pode trazer alguns benefícios importantes. Na usinagem CNC para prototipagem com plástico, o problema está em suas fresas cilíndricas, que dificultam a usinagem dos cantos quadrados internos que são comuns nesses tipos de projetos. Com a impressão 3D, as oportunidades de personalização – e tentativa e erro na prototipagem – fazem sentido para designers de produtos, peças e ferramentas.

A manufatura aditiva é “ideal para volumes baixos que precisam de retorno rápido e se beneficiam de economias na configuração, ferramentas e tempos de preparação semelhantes, embora o real por tempo parcial possa ser muito maior do que com um processo puramente subtrativo”, observa Bob Warfield, CEO e fundador do CNC Cookbook, em artigo sobre usinagem híbrida (onde coexistem processos aditivos e subtrativos).

O caso de manufatura aditiva para peças e ferramentas

Os casos de uso do mundo real para manufatura aditiva merecem atenção. Vários dos principais fabricantes industriais estão aproveitando ao máximo o potencial do aditivo. Aqui estão vários exemplos de grandes players industriais.

A GE espera economizar dinheiro nos 25.000 bicos de combustível para motores a jato LEAP que produz anualmente de várias maneiras. Primeiro, as técnicas aditivas usam menos material durante a produção. As técnicas convencionais exigiam que 20 peças fossem meticulosamente soldadas - e produziam uma tonelada de material descartado e desperdiçado, observa o MIT Technology Review.

“A decisão de produzir em massa uma peça crítica de liga metálica para ser usada em milhares de motores a jato é um marco significativo para a tecnologia”, escreve Martin LaMonica, do MIT Technology Review. “E embora a impressão 3D para consumidores e pequenos empreendedores tenha recebido muita publicidade, é na fabricação que a tecnologia pode ter seu impacto comercial mais significativo.”

O processo aditivo aqui usa pós de metal híbrido que são pulverizados a laser para formar, o que torna a peça mais leve, levando a economia de combustível para as companhias aéreas. O processo é mais barato de produzir para o fabricante - e a nova peça reduz o custo do cliente, resultando em uma verdadeira vantagem para todos.

Em ferramentas, a Deloitte apresenta um argumento convincente para o uso de aditivos, detalhando exemplos do mundo real em que a prototipagem rápida por meio de processos aditivos reduziu significativamente os prazos de entrega para fundições e fabricação de ferramentas internas. A Deloitte descreve como a Ford Motor Company aproveitou o aditivo de maneira importante para seus motores EcoBoost, suportes de rotor, tampas de transmissão e rotores de freio para o Ford Explorer.

“A empresa usa AM para criar rapidamente os moldes e machos de areia usados ​​para fundir peças protótipos”, observa a Deloitte. “Isso ajudou a Ford a reduzir o tempo de espera em até quatro meses e economizou milhões de dólares para a empresa.”

O caso da usinagem híbrida:aditivo e subtrativo

Falando em híbrido, os fabricantes de ferramentas de manufatura aditiva começaram a desenvolver máquinas híbridas com habilidades aditivas e subtrativas – e elas são um espetáculo para ser visto. Essas máquinas “híbridas” combinam a liberdade geométrica da impressão 3D com a natureza precisa da usinagem CNC.

“Imagine um caso em que você precise fazer volumes extremamente baixos de peças extremamente sofisticadas, por exemplo, peças de reposição para turbinas em uma instalação de manutenção”, escreve Warfield. “Uma máquina [híbrida] como essa pode ser ideal.”

No entanto, com muitas dessas novas ferramentas, os fabricantes estão limitados a produzir peças únicas e muitas vezes não podem produzir diretamente de arquivos digitais – algo que eles seriam capazes de realizar apenas com estratégias aditivas.

“É preciso pensar na impressão 3D de metal como uma tecnologia libertadora ”, enfatiza Styles. “Agora você pode projetar peças aparentemente impossíveis e ainda fazê-las, mas a chave é manter o volume de material no mínimo.”

Para grandes fabricantes, o aditivo está causando impacto. Mas mesmo como a Deloitte observa, esse impacto precisa ser colocado no contexto certo da inovação:

“Atualmente, a MA para a fabricação de ferramentas não revoluciona tanto a cadeia de suprimentos ou o design do produto, mas melhora a eficiência e eficácia das cadeias de suprimentos e produtos. No entanto, à medida que a tecnologia de AM continua a melhorar e o uso de AM para ferramentas continua a aumentar, ela pode ganhar a capacidade de impactar as cadeias de suprimentos e produtos das empresas mais diretamente, aumentando a capacidade das empresas de inovar.”

Sua loja adotou integralmente a manufatura aditiva? Quais são alguns dos seus maiores desafios com a tecnologia? Deixe-nos saber nos comentários abaixo.