Impressão 3D de peças, acessórios e outras ferramentas de

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Impressão 3D de peças, acessórios e outras ferramentas de manufaturaComo conseguir uma extrema redução de tempo e custo, tornando suas ferramentas de manufatura personalizadas através da fabricação aditiva. Por Joe Hiemenz, Stratasys, Inc.

Os objetivos fundamentais da fabricação — melhorar a qualidade, diminuir o tempo de produção e reduzir os custos — são os principais motivos por que as peças e acessórios são tão abundantes. Não importa se a operação é totalmente automatizada ou inteiramente manual; as peças e os acessórios são implantados ao longo de operações de manufatura com o objetivo de reduzir custos, enquanto os processos de produção são acelerados.

Quando expandida para além de peças e acessórios para incluir todas as ferramentas de manufatura que servem como auxílio operacional, esses processos são ainda mais difundidos. Eles variam de escaninhos e porta-ferramentas para 5S (uma metodologia de organização no local de trabalho) até modelos, moldes e medidores. Incluem sofisticados terminais robóticos (garras) e bandejas rudimentares, escaninhos e classificadores para organização e transporte. Não importa o nome, a descrição ou a finalidade da aplicação, as ferramentas de manufatura aumentam os lucros e a eficiência, mantendo a qualidade.

Apesar de as ferramentas de manufatura estarem bastante difundidas, muitas fábricas não usam essas ferramentas em todo o seu potencial. Fabricá-las leva tempo, dá trabalho e custa dinheiro. Para aproveitar melhor os recursos limitados, há uma opção: a fabricação aditiva. Ela é simples e automatizada, rápida e barata. Isso permite que você implemente mais peças e acessórios, ao mesmo tempo em que ganha a capacidade de otimizar seu desempenho.

Impressão 3D de peças, acessórios e outras ferramentas de manufatura


Ao simplesmente substituir seus métodos atuais pela fabricação aditiva para produzir peças e acessórios, você pode reduzir seus custos e acelerar a entrega. Somente por esses fatores, os sistemas de fabricação aditiva justificam-se facilmente, com curto prazo de retorno. Porém, este não é o maior impacto sobre os resultados. A fabricação aditiva reduz o limiar para que se justifique a produção de uma nova ferramenta, o que lhe permite lidar com necessidades não satisfeitas durante todo o processo de produção.

Se você olhar ao redor do chão de fábrica, na área de montagem e no laboratório de controle de qualidade, quantas novas oportunidades encontraria para uma peça ou acessório? Qual seria o seu valor? Poderia ser:

• reduzir desperdícios e retrabalho?

• diminuir o tempo de mão de obra direta?

• melhorar a produtividade do processo?

• melhorar o controle do processo e arepetitividade?

E em relação aos resultados, quanto lucro a mais a empresa obteria?

E o que é mais importante: por que essas peças ou acessórios não estão sendo usados nessas operações, atualmente, se têm valor? Provavelmente, elas não eram justificáveis. Embora haja uma vantagem em se ter uma peça ou acessórios, o retorno sobre o investimento não era grande o suficiente para justificar o esforço. Você poderia achar que seu tempo e dinheiro eram mais bem gastos em outros lugares.

Uma vez que nunca há tempo suficiente ou dinheiro no orçamento para fazer tudo o que você gostaria de fazer, a fim de tomar a decisão de produzir uma ferramenta de manufatura, deve-se estabelecer prioridades para:

• os processos que não são possíveis semuma peça ou acessórios

• as necessidades mais óbvias e urgentes

• as maiores ameaças e os problemas maisprováveis

• aquilo que for mais rápido para implementare produzir resultados

• aquilo que for mais fácil de ser implementado

Decidir onde e quando usar uma peça ou acessório não é diferente de qualquer outra decisão diária que tomamos. Uma ação é realizada quando o valor supera o investimento ou o caminho oferece pouca resistência.

A fabricação aditiva reduz o limiar de se ter que justificar o investimento por aumentar seu retorno e diminuir os obstáculos entre uma boa ideia e uma solução. Isso acontece por simplificar o processo, reduzir os custos e diminuir o tempo de desenvolvimento.

Quando se utiliza a modelagem de deposição fundida (FDM - Fused Deposition Modeling) como a abordagem de fabricação aditiva para produzir as peças e os acessórios, o processo tem apenas três etapas: preparar o arquivo CAD, construir a ferramenta e o pós-processamento. Ao contrário dos métodos de fabricação convencionais, a FDM requer pouca experiência e trabalho direto mínimo.

Em muitos casos, as peças e os acessórios são fabricados com apenas 15 minutos de dedicação ao trabalho. E o mais importante, eles são fabricados com pouco treinamento sobre como funciona o processo e sem necessidade de experiência prévia. No conjunto, isto faz da FDM uma opção ideal de "self-service" para as peças e os acessórios. De acordo com Natalie Williams, Gerente de Qualidade de Produtos da Thogus, uma empresa de moldagem por injeção, especializada na fabricação de materiais de volume com alto nível de engenharia, "É muito mais fácil para mim, modelar um acessório e imprimi-lo eu mesma do que projetá-lo e fabricá-lo através de usinagem externa".

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SUPERANDO OBSTÁCULOS

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Para a Thogus, a fabricação aditiva é fácil e rápida. "Para um dispositivo CMM de 12 cavidades, o prazo de execução, se terceirizado, seria de 7 a 10 dias. Eu o fabriquei durante a noite", ela diz. Fabricantes que usam impressoras 3D FDM para criar ferramentas de manufatura personalizadas, muitas vezes, observam uma redução no tempo de desenvolvimento de 40% a 90%. A fabricação aditiva também pode aumentar o retorno sobre o investimento, substancialmente, reduzindo o custo de uma peça ou ou acessório. Normalmente, as empresas conseguem economias de 70% a 90% se comparados aos dispositivos que são usinados ou fabricados por terceiros. Para o dispositivo de 12 cavidades da Thogus, a economia foi de 87%. “A oficina terceirizada queria 1.500 dólares pelo dispositivo. Eu o fabriquei, gastando menos de 200 dólares em materiais,” diz Williams.

Embora fabricar algo “suficientemente bom” possa ter acrescentado alguns segundos à operação ou aumentado a taxa de desperdício em uma pequena porcentagem, a economia poderia não ter garantido mais investimentos na ferramenta.

Antes de criar seu primeiro modelo CAD em 3D e carregá-lo no sistema Fortus, considere os materiais e a tolerância dimensional. Ainda que a fabricação aditiva seja ideal para produzir muitas das ferramentas de manufatura, pode não ser adequada para todas elas.

De acordo com a Gerente de Controle de Qualidade da Thogus, é mais simples, rápido e barato fabricar seus próprios acessórios com a tecnologia FDM do que terceirizar a fabricação.

Quando os dispositivos foram cotados em 12.000 dólares, com um prazo de sete dias, a Thermal Dynamics optou por fabricá-los com FDM para economizar 10.000 e muitos dias.

A melhor equipe NASCAR, Joe Gibbs Racing, usa FDM para fabricar acessórios, sendo que alguns deles têm sido usados há mais de dois anos e isso reduziu o tempo de desenvolvimento e os custos em uma média de 70%.

Ao tornar o processo de fabricação de ferramenta mais rápido e mais acessível, a fabricação aditiva aumentará o número de peças, acessórios e outras ferramentas de manufatura, que irão melhorar os resultados. A fabricação aditiva também pode otimizar o desempenho na produção de ferramentas. Antes da fabricação aditiva, os projetos que eram suficientes para a execução do trabalho eram aceitáveis para as peças e os acessórios. Devido às despesas e ao esforço de projetar e manufaturá-los novamente, as revisões foram reservadas somente para aquelas peças e acessórios que não funcionavam conforme especificado.

A fabricação aditiva muda esse raciocínio. Por alguns dólares, ela pode entregar a ferramenta de manufatura da próxima geração para ser colocada em uso no dia seguinte. Para uma ferramenta que tenha um desempenho abaixo do esperado, tudo que se precisa é de um pouco mais de tempo e da iniciativa de reprojetá-la. Ao se fazer isso, alguns segundos na operação de montagem são perdidos, por exemplo, mas esse tempo é compensado. Se um trabalhador fabricar 500 itens por dia, uma economia de dois segundos reduz o trabalho direto em 70 horas, por pessoa, anualmente. Para a mesma peça, uma redução de 1% em resíduos e desperdício, economizaria 1.250 peças por ano.

Os resultados: a fabricação aditiva diminui o limiar para que os fabricantes possam colocar mais peças e acessórios, com design otimizado, em uso. Isso faz com que mais dinheiro entre em sua empresa.


IMPLEMENTANDO UMA ABORDAGEM DE FABRICAÇÃO ADITIVA

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A principal consideração em relação aos materiais é se o plástico será suficiente. Tradicionalmente, as peças e os acessórios têm sido fabricados em metal. Para alguns deles, portanto, o metal pode ser um requisito. Para outros, o metal pode ter sido apenas uma opção prática, pois é propício para fresamento, torneamento, flexão e fabricação. Neste caso, a fabricação aditiva pode ser uma opção. Com uma gama de materiais para escolher, o processo de fabricação FDM pode oferecer resistência química (petróleo, solventes), resistência térmica (até 390 ° F / 200 ° C) e as propriedades mecânicas resilientes.

Ferramentas de manufatura de plástico também podem oferecer algumas vantagens inesperadas.

Por exemplo, a Thogus usa partes anexas robóticas feitas com FDM que absorvem o impacto. No caso em que o braço do robô colide com um obstáculo, a peça FDM é susceptível de isolar o braço de danos, o que evita reparos caros e tempo de inatividade. Outro exemplo é a BMW que utiliza ferramentas de plástico, porque elas são mais leves para as mãos e mais fáceis de manusear, reduzindo a fadiga do trabalhador. Ao decidir se vai utilizar a fabricação aditiva na fase inicial de projetos para

DESIGNO seu estoque atual de peças e acessórios foram projetados, considerando-se as capacidades e limitações dos métodos de fabricação usados para criá-los. Ao aderir às regras do design para manufaturabilidade (DFM), você o tornou prático, manteve-o a um custo mínimo, com prazos razoáveis. Estas regras não se aplicam à fabricação aditiva. Elas não têm nenhuma influência sobre o tempo, custo, qualidade, desempenho ou praticidade.

Em alguns casos, aderir às regras antigas de DFM pode ter o efeito oposto. Então, jogue fora as velhas regras e comece o projeto com uma ardósia que não foi usada ainda e um novo design. A natureza aditiva do processo fornece-lhe uma liberdade inigualável de design. O que pode ter sido impraticável agora é realista e razoável. Peças e acessórios podem ter características complexas e configurações de forma livre, sem adição de tempo e custo. Na verdade, acrescentar complexidade pode até reduzir o custo e tempo. Por exemplo, cavidades, furos e canais reduzem o consumo de material, tempo de fabricação e o tempo total do processo.

Esta ferramenta ergonômica e mais leve da BMW reduz a fatiga para as mãos do trabalhador.

Usando FDM, a BMW imprime peças e acessórios, o que não seria possível com a maquinaria e o método de fabricação convencionais. A impressão em 3D permite que eles sejam mais fáceis de usar e mais funcionais.

Ao usar a fabricação aditiva para recriar uma garra com canais internos a vácuo, a empresa Digital Mechanics eliminou cinco mangueiras externas que dificultavam as operações.

Para alavancar a fabricação aditiva, deixe a função e o desempenho da peça ou do dispositivo/acessório ditarem o design. Siga o exemplo de empresas como a Digital Mechanics AB e BMW. A Digital Mechanics AB capitalizou a liberdade de design para uma garra/pinça robótica movida a vácuo.

produção de ferramentas, para maior precisão na dimensão, escolha peças que requerem tolerâncias maiores que 0,005 polegadas (0,127mm). Tolerâncias menores são possíveis, mas, como regra, adote este valor para manter o processo simples.


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Quando era fabricada de modo convencional, a garra tinha mangueiras externas saindo dela. Com a fabricação aditiva, para cada "dedo" da garra foi dado um canal de vácuo interno, que eliminou as mangueiras.

Para a BMW, a liberdade de design permite que os trabalhadores da linha de montagem tenham uma ferramenta que alcança as partes inferiores, atrás e dentro dos para-choques. Os engenheiros de produção focaram, exclusivamente na função, o que resultou uma ferramenta formatada de modo a alcançar os para-choques.

A liberdade no design também pode melhorar a ergonomia das ferramentas de manufatura. O peso, o equilíbrio e a posição da ferramenta têm efeitos diretos sobre o conforto do técnico, o ciclo de tempo do processo e a facilidade de acesso e armazenamento. Para alcançar a ergonomia ideal, simplesmente, projete-a em suas ferramentas. Por exemplo, a BMW redesenhou um dispositivo para o alinhamento de seu emblema a fim de melhorar o equilíbrio e reduzir o peso. Isso diminuiu a tensão do trabalhador e melhorou o tempo para a fixação do emblema da marca.

Uma maneira muito simples para alavancar a liberdade de design é consolidar a montagem em uma só parte. Muitas vezes, as peças e os acessórios são compostos de muitas partes. Isto é desnecessário com a fabricação aditiva. Se reproduzir uma ferramenta existente, comece com um novo design que consolida tantos componentes quanto possível em uma única peça. Se for projetar um novo item, crie-o inteiriço, em uma única peça. Apenas separe as partes quando for vantajoso para o funcionamento da peça ou do dispositivo.

• Elimine o desafio da tolerância

Obviamente, as partes precisam ser montadas.Isso leva tempo, principalmente para itensespecíficos, como peças e acessórios, nosquais o encaixe perfeito não é garantido.

• Reduza a documentação e a sobrecargaA soma das partes é menor que o todo, quando se trata de tempo e custo. Consolidar peças reduz o custo das ações, tais como design, documentação, cotação, pedidos e gestão de inventário.

GESTÃOJá não considere mais suas peças, acessórios, dispositivos e outras ferramentas de manufatura como ativos. Em vez disso, pense neles como despesas, e objetos descartáveis. Para serem considerados ativos, as peças e os acessórios são armazenados (inventariados) entre os períodos de uso. Eles permanecem em estoque até que a linha de produtos seja eliminada ou quando eles não possam mais ser reparados, devido ao desgaste. Na produção de ferramentas através de métodos convencionais, elas são valiosas demais para serem jogadas fora como itens descartáveis, devido ao tempo, ao custo e aos esforços de fabricação.

Entretanto, esta abordagem traz muitos custos indiretos. Há custos para o espaço na prateleira (despesa de armazenagem); custo para gerenciar e controlar o estoque; e custo para localizar uma peça ou acessório, quando necessário. Para ferramentas usadas esporadicamente, estes custos podem ser bastante significativos.

O oposto pode ser verdadeiro com a fabricação aditiva. Muitas vezes, leva mais tempo para inventariar as peças e acessórios do que para refazê-los. Assim, as empresas adotam uma abordagem de gestão chamada de armazenagem digital, na qual apenas o arquivo digital é contabilizado no inventário. Pode parecer impensável desfazer-se de uma ferramenta de manufatura em perfeito estado, mas para aquelas de uso pouco frequente, esta abordagem reduz os custos e o trabalho.

Manter as tolerâncias de tamanho é caro. Se duas partes de acoplamento são combinadas em uma, em seguida, todos os custos e as preocupações com o controle das tolerâncias das partes complementares são eliminados.

• Elimine o tempo de montagem


Integrar as partes em um só componente apresenta muitas vantagens:

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Fabrique um acessório quando necessário. Quando seu trabalho está feito, envie-o com o material de sucata para a reciclagem. Então, armazene seu projeto entre períodos de uso. Esta abordagem de "print-on-demand" (imprimir quando solicitado) também é útil quando a substituição é necessária para a fabricação de uma ferramenta quebrada ou quando é preciso fazer duplicatas para aumentar a produção, a fim de atender a um aumento inesperado nas vendas.

CONCLUSÃOA fabricação aditiva pode levar a grandes mudanças que maximizam os lucros, eliminando o desperdício de cada segundo e centavo, a partir do processo de fabricação. Para aqueles que não estão prontos para jogar fora as diretrizes de design de longa data, basta substituir os processos de fabricação usuais pela fabricação aditiva. De qualquer maneira, a economia no chão de fábrica e na produção de peças e acessórios será substancial.

Se você possui um CAD 3D para desenhar e acesso a uma máquina de fabricação aditiva, está pronto para começar a produzir as ferramentas de manufatura, com menos de 15 minutos de prática de trabalho. Combine a simplicidade com a redução de tempo e de custos de 40% a 90%, e você vai entender por que a fabricação aditiva impulsiona as empresas a produzirem mais peças, acessórios e ferramentas de manufatura do que nunca.

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