Superando Barreiras para Usinagem de Precisão Lights-Out

O que é Usinagem Lights-Out — e Quão Realista é?

Usinagem lights-out é um método de automação da fabricação para minimizar ou eliminar a quantidade de interação humana necessária. Esta ideia de substituir humanos por um gadget ou processo que fará o mesmo trabalho mais rápido, melhor ou mais barato não é nova.

Nos últimos anos, o fascínio pela robótica e automação continuou a crescer, inclusive no campo da usinagem de precisão. A produção totalmente automatizada lights-out — com seu potencial para aumento de produtividade, maior rendimento, economia de energia e redução de custos de mão de obra — é provavelmente o sonho de todo proprietário de oficina de usinagem.

Mas a realidade é um desafio, especialmente no mundo da usinagem de precisão. Mesmo com operações que afirmam oferecer produção totalmente automatizada lights-out, é um pouco fantasioso dizer que qualquer serviço de usinagem de precisão está "funcionando sozinho" dia e noite.

Critérios para Usinagem Lights-Out Viável

Qualquer operação de fabricação lights-out — seja em usinagem CNC de precisão ou outro método de produção — precisa ter alguns fundamentos para ser bem-sucedida:

• Toda a maquinaria, incluindo ferramentas, periféricos e programação, deve trabalhar em conjunto perfeitamente. O equipamento deve suportar operação contínua, idealmente com capacidade de auto-monitoramento e correção automática ou desligamento se surgir um problema.
• O mesmo vale para os mecanismos usados para alimentar material no equipamento, fornecer refrigerante, remover detritos e descarregar produtos acabados.
• E, contrariamente ao sonho de "nenhum humano necessário", o monitoramento remoto por uma pessoa — novamente, com capacidade de corrigir problemas menores ou desligar o sistema em caso de problema maior — é uma vantagem adicional.

Talvez o mais importante, determinar se uma máquina é capaz de operação lights-out contínua requer descobrir se ela oferece o mais alto nível de confiabilidade. A meta é um Cpk ≥ 1,67 — ou seja, a capacidade de 99,9999% das peças atenderem aos requisitos.

Isso é (literalmente) uma taxa de falha permitida de apenas uma em um milhão.

E mesmo que uma máquina possa lidar com operação lights-out, o benchmark geralmente aceito é que lights-out só é uma solução viável se proporcionar retorno sobre o investimento em dois anos.

Onde a Operação Lights-Out é Usada Hoje

Há muitas aplicações onde a robótica é uma bênção, mesmo que apenas parte do processo de fabricação seja automatizada. Em tudo, desde fabricação de cerveja até embalagem, desde centros da FedEx até armazéns da Amazon e manuseio de bagagem em aeroportos, a automação desempenha um papel importante em duas circunstâncias:

• Onde oferece confiabilidade de um em um milhão

OU

• Onde há capacidade de auto-correção do processo de forma custo-efetiva

Alguns exemplos comuns

Operações de embalagem automatizadas usam desvio go/no-go integrado para garantir qualidade durante operação lights-out. Por exemplo, uma câmera pode verificar se o produto que sai da linha está bom, e a máquina pode desviar produto ruim ou desligar-se se ocorrer um problema.

Solda por resistência robótica é amplamente usada para operação contínua na indústria automotiva. (Você pode ler mais sobre solda por resistência em nosso site.) Na verdade, é provavelmente a imagem que as pessoas mais pensam quando imaginam robôs trabalhando em uma linha de produção.

No entanto, diferentemente da fabricação de uma caixa de papelão, este tipo de operação requer um nível diferente de controle de qualidade. Afinal, você não pode simplesmente desviar um carro inteiro porque uma solda está ruim. Como verificar se um eletrodo não falhou em algum lugar em uma linha de montagem muito longa e complexa?

Aplicações ideais para automação

No Japão, a FANUC Corporation opera o que é amplamente considerado o auge da fabricação automatizada lights-out. Tem robôs operando 24×7 em um complexo gigante de 22 fábricas para produzir outros robôs para clientes como Tesla Motors e Apple. Segundo o Vice-Presidente da FANUC Robotics America, Gary Zywiol, "Não só é lights-out, desligamos o ar condicionado e o aquecimento também."

A automação também é usada em todos os tipos de processos hostis aos seres humanos. Isso inclui etapas de fabricação onde há questões de qualidade ou segurança, bem como onde um ser humano não pode trabalhar no ritmo rápido de uma máquina, como a solda por pontos automotiva descrita acima.

Portanto, quando o ambiente de trabalho ou tarefa envolve alta temperatura, alta velocidade ou substâncias tóxicas, a robótica é uma tremenda vantagem.

Desafios para Lights-Out na Usinagem CNC de Precisão

Tudo isso é muito intrigante. Mas, embora não sejamos contra a usinagem lights-out, permanecemos apropriadamente céticos sobre sua viabilidade na oficina de usinagem de precisão, onde a automação contínua não supervisionada continua sendo um desafio.

Materiais utilizados

Por exemplo, no nosso mundo, a capacidade de fazer usinagem lights-out depende não apenas da geometria da peça, mas também do material utilizado. Geralmente, um material mais macio — que não desgaste a ferramenta tão rapidamente quanto um material mais duro ou não crie muitos cavacos fibrosos que se enrolariam na ferramenta — é um melhor candidato para tarefas lights-out.

Isso significa que, com um material mais macio apropriado, você pode configurar sua máquina às 17h para funcionar a noite toda, e pela manhã encontrará um cesto cheio de peças dentro da tolerância, sem nenhuma ferramenta quebrada ou desgastada.

No entanto, um material mais duro como aço inoxidável não é recomendado por ninguém para usinagem CNC de precisão lights-out. Isso porque um material tão duro e resistente pode desgastar ou quebrar as ferramentas rapidamente. Ou você chegará pela manhã a muitas peças fora de especificação, desperdiçando a quantidade de material que carregou na máquina e prejudicando seu cronograma de entrega.

Tolerâncias requeridas

Tolerâncias são outra consideração importante. Se você tem uma tolerância de ±0,005" (0,127 mm) e um material confiável, a usinagem de precisão lights-out não é problema. Mas se você tem uma tolerância de ±0,0005" (0,0127 mm) ou inferior, está pedindo problemas.

Isso porque, dependendo do material, o processo vai desgastar a ferramenta. Se você está mantendo um diâmetro externo (DE) de 0,0002" (0,00508 mm) e executa o processo sem supervisão, pela manhã suas peças provavelmente estarão fora de especificação devido ao desgaste da ferramenta.

Materiais Recomendados e Não Recomendados para Usinagem Lights-Out

Certos materiais são naturalmente mais apropriados para usinagem CNC de precisão lights-out. Por exemplo, latão, liga de alumínio 6061 e certos plásticos que não tendem a produzir cavacos longos e fibrosos, que podem se enrolar na ferramenta, podem ser usados.

Até o aço inoxidável 303 pode ser tentado para usinagem lights-out. No entanto, primeiro você teria que programar o equipamento para rodar por algumas horas para testar a manutenção de tolerância e verificar desgaste da ferramenta.

Alguns materiais são absolutamente inadequados para produção lights-out. Isso inclui o queridinho da indústria de dispositivos médicos, aço inoxidável 304, que é difícil de usinar, produz cavacos fibrosos e gera rebarbas. Além disso, 316, 17-4 e a maioria dos outros aços inoxidáveis são difíceis de usinar e podem danificar suas ferramentas.

As superligas não podem ser usinadas lights-out, e o titânio nunca, JAMAIS deve ser deixado sem supervisão. (Já vimos vídeos de uma máquina pegando fogo por faíscas de peças de titânio — algo que parecia legal, mas definitivamente não é recomendado!)

Outros Obstáculos no Escuro

Para usinagem de precisão de milhares e milhares de peças, a variedade de máquinas CNC suíças atualizadas da Metal Cutting poderia suportar produção lights-out, pois podemos carregar o alimentador de barras e configurar a máquina para rodar automaticamente. Dependendo do diâmetro, podemos carregar até doze barras de 0,630" (16 mm) de diâmetro; com os menores diâmetros padrão de estoque inicial de 0,090" (2,25 mm), podemos carregar ainda mais.

Monitoramento necessário

No entanto, a natureza da usinagem CNC de precisão é que, durante um turno normal de oito horas, você ainda precisa de alguém por perto para monitorar o carregamento e garantir que tudo está funcionando corretamente. Então, mesmo em oficinas de usinagem de precisão que dizem rodar lights-out, você pode ter quase certeza de que alguém está lá para garantir que nada dê errado.

Problemas de carregamento de barras

A usinagem de precisão também apresenta desafios no carregamento automático de barras. Primeiro, você deve sempre considerar a tolerância de diâmetro no material que será usinado. Além disso, só porque você tem um carregador de barras não significa que ele vai carregar o material corretamente, e há uma curva de aprendizado em praticamente todo projeto realizado.

Por exemplo, quando você está trabalhando com peças de diâmetro menor, se a máquina não estiver configurada perfeitamente, ela pode tentar carregar duas barras de material de uma vez, com resultados muito ruins.

Mantendo a ferramenta limpa

Outro requisito é que o processo lights-out deve incluir ar de alta pressão ou outro método de alta qualidade para manter a área de trabalho livre de cavacos para que eles não recortem e embotem a ferramenta. Você também precisa pensar em como descarregar as peças acabadas, levando em consideração o quão delicadas essas peças podem ser, para garantir que não sejam danificadas pós-usinagem.

Confiabilidade do Lights-Out na Usinagem de Precisão

Não nos entenda mal — não estamos dizendo que a produção lights-out é impossível na usinagem CNC de precisão. Mas isso requer reunir e obter input de todas as partes interessadas e fornecedores na fase de planejamento, para garantir que você tenha:

• O material perfeito
• O dimensionamento e geometria apropriados da peça
• Cpk ≥ 1,67 no equipamento
• Tolerâncias que não sejam tão apertadas que a confiabilidade de processo de 99,9999% não seja viável

Até a usinagem mais precisa teria dificuldade em entregar confiabilidade de um em um milhão em toda a ferramenta, carregador de barras, fornecimento de refrigerante e tolerâncias apertadas. Mas se TODAS essas condições FOREM atendidas, a produção lights-out pode ser viabilizada.

Por exemplo, aqui na Metal Cutting, podemos testar qual máquina, ferramenta e material alcançarão os resultados especificados em um processo lights-out. Ou podemos testar um processo semi-lights-out, onde programamos uma máquina para produzir peças extras, não em operação contínua durante a noite, mas em um meio turno extra após o horário.

A Questão do ROI na Usinagem de Precisão

Para fabricantes que produzem o mesmo produto repetidamente, obter retorno sobre o investimento dentro do benchmark de dois anos para produção lights-out é viável. No entanto, a usinagem CNC de precisão é amplamente sobre fabricação de muitas peças diferentes em prazo mais curto.

Isso significa que para muitas oficinas de usinagem de precisão, simplesmente não há tempo para testar se suas operações podem ser executadas lights-out. Além disso, dois anos é muito tempo para essas oficinas esperarem para ver o ROI, tornando a usinagem lights-out proibitiva em termos de custo…

Aqui na Metal Cutting, todos os dias estamos tipicamente cotando novos projetos de oficina de usinagem exigindo de 200 a 20.000 peças. Embora tenhamos trabalhos que duram anos, não costumamos ter projetos que rodem continuamente por dois anos. Então, é raro que todos os planetas se alinhem e tenhamos tempo para explorar as opções para produção lights-out.

No final, a usinagem de tolerância apertada tem tantas variáveis que não pode garantir confiabilidade de um em um milhão, então ainda não é adequada para produção lights-out total. Ainda assim, quaisquer que sejam os desafios do seu projeto, a tecnologia de automação certamente continuará a desempenhar um papel crescente na produção de peças pequenas.

Mientras tanto, para dicas sobre como criar as melhores especificações para suas peças pequenas, baixe nosso guia gratuito, Como Ajustar seu Pedido de Orçamento para sua Máxima Vantagem: Perguntas Frequentes no Fornecimento de Peças Pequenas.