Projeto ProLMD: produção aditiva híbrida de grandes componentes através de LMD

Em 2016 surgiu uma ideia de investigação. “O objetivo era desenvolver uma tecnologia económica e robusta para o processo LMD, baseada num robô de braço articulado, e integrá-la numa cadeia de processos para o fabrico híbrido”, diz Jan Bremer, um cientista do Instituto Fraunhofer de Tecnologia Laser ILT, em Aachen. “Estamos a movimentar-nos ao longo da cadeia de processos para o fabrico aditivo híbrido com base em robôs e investigando várias tecnologias necessárias para tal. O espetro de conteúdo cobre tudo, desde cabeças de processamento, robôs e sistemas de gás de proteção até processos de soldadura, garantia de qualidade e software”.

O ‘fabrico híbrido’ é demonstrado, na prática, por três aplicações dos parceiros do projeto: MTU Aero Engines (adição de elementos funcionais num componente do motor), Airbus (reforço do componente através de nervuras em 3D) e Mercedes-Benz (adaptação de uma ferramenta de prensagem na produção de carroçarias). O projeto centra-se no reforço ou na modificação a nível local dos componentes de fabrico convencional, mas as tecnologias desenvolvidas também tornam possível as aplicações de reparação.

“Estes exemplos representam aquilo que entendemos como fabrico híbrido”, diz o cientista Jan Bremer. "É a combinação flexível de vantagens de diferentes processos de fabrico, visto que combina qualquer processo de fabrico convencional com LMD para criar uma cadeia de processos contínua". Esta flexibilidade também se pode observar no seu trabalho com os parceiros industriais, que fabricam os seus demonstradores antes da funcionalização do LMD por meio de laminagem (Airbus), de fundição (Mercedes-Benz) ou de forjamento (MTU).

Para o cientista, o fabrico de híbridos também é um bom exemplo de como se pode simplificar a diversidade de variantes complexas na produção. “Por exemplo, começa-se sempre por perfurar e recortar uma peça básica da mesma forma”, explica Bremer. “As variantes são produzidas depois com LMD. O utilizador pode, portanto, continuar a utilizar a sua puncionadora, mas depois aplicar adicionalmente reforços ao componente, por exemplo. Graças ao processo LMD e às tecnologias desenvolvidas no ProLMD, podemos atuar de forma flexível e utilizar em grande medida a automatização. Isto está em sintonia com o nosso princípio orientador: o fabrico aditivo, mas apenas naquelas partes da cadeia de processo em que resulta um valor acrescentado”.

Com este objetivo em mente, os engenheiros do Fraunhofer ILT, com sede em Aachen, juntamente com um total de sete parceiros industriais, estão a trabalhar numa célula LMD modular de alta eficiência que pode ser integrada numa cadeia de processos existente com pouco esforço.

Para aproveitar ao máximo a flexibilidade de aplicação, os parceiros estão a desenvolver processos que utilizam quer fio quer pó como material aditivo. Entre outras coisas, o Fraunhofer ILT desenvolveu uma ótica de processamento para gerar um raio anelar para a deposição coaxial de material laser, que se está a desenvolver e a utilizar no projeto conjunto ProLMD. Esta ótica gera um anel com uma distribuição de intensidade uniforme, oferecendo assim independência direcional durante a soldadura. No projeto estão a ser desenvolvidos processos com taxas de deposição na ordem de 1 a 2 kg/h a uma alta resolução geométrica.

Mas porquê utilizar um robô Kuka de vários eixos? “O que pesa a seu favor é o seu grande espaço de construção, a sua flexibilidade e a sua fácil acessibilidade”, explica Bremer. “No banco de ensaios, podemos utilizar até oito eixos para aceder a um componente de praticamente qualquer complexidade a partir de todos os lados. A tecnologia da máquina pode ser implementada com um custo incrivelmente baixo por meio de robôs”. O projeto centra-se na maquinação de componentes grandes e complexos. “Os componentes que pesem até 1,2 toneladas e tenham um diâmetro de dois metros podem ser processados no sistema de robôs”, informa o cientista.

A divisão de tarefas entre os restantes parceiros do projeto está claramente definida. A unidade de negócio Lasertec da sede da Kuka, em Würselen, é responsável pela gestão do projeto e pela integração da célula do robô, ao passo que a Laserline GmbH, de Mülheim-Kärlich, tem a seu cargo a conceção e o desenvolvimento da fonte de feixe e da ótica. A M. Braun Inertgas-Systeme GmbH, de Garching (perto de Munique), é responsável pela construção de uma célula de gás de blindagem, ao passo que a BCT Steuerungs- und DV-Systeme GmbH, com sede em Dortmund, está a desenvolver o software e a tecnologia de medição integrada na máquina.

A solução plug-in é flexível porque funciona segundo o princípio da caixa negra. “Não estamos interessados no que acontece com o componente antes ou depois”, enfatiza Bremer. "Não só trabalhamos a partir de um modelo CAD estático, mas também utilizamos a geometria real em processos adaptativos, graças a uma robusta tecnologia de sistemas e software. Os algoritmos inteligentes também permitem à célula adaptar-se e compensar os desvios extremos do componente. Quanto ao hardware e ao software, foi dada ênfase à robustez, desde o cabeçote laser e o robô até à conceção flexível de gás inerte e aos adequados algoritmos adaptados de planificação de trajetórias. Isto indica que o Fraunhofer ILT não continua somente a desenvolver o processo de soldadura, mas também investiga outros aspetos importantes, como a influência da precisão do robô na fiabilidade do processo e na qualidade dos componentes.

Enquanto o chefe de projeto da Kuka, em Würselen, tem, de forma fiável, os materiais de soldadura robotizada sensíveis à oxidação, como o titânio, numa célula de gás de proteção flexível, os engenheiros de Aachen estão a utilizar outro sistema robótico para soldar materiais à base de níquel e ferro sem célula de gás de proteção, mas com gás de proteção que flui localmente desde o bico. Caso a taxa de deposição seja maior, também utilizam um bico de gás protetor adicional com um tamanho de apenas alguns centímetros, conforme seja necessário. “Desta forma, as três soluções ficam resolvidas com um gás de proteção significativamente mais barato”, diz Bremer. “Isto reduz consideravelmente os custos de operação”. Os processos inovadores não são apenas objeto de investigação, mas também fazem parte da vida quotidiana no Fraunhofer ILT. “Com as primeiras versões do bico de gás inerte local tivemos problemas térmicos com maiores taxas de deposição”, refere o investigador. “No entanto, como os nossos colegas têm estado a trabalhar no processamento de cobre em fusão de leito de pó laser (LPBF) desde há vários anos, o seu apoio ajudou-nos a fabricar adicionalmente o componente de cobre com estruturas de refrigeração internas numa máquina de investigação e assim a resolver o problema”. Para ele, é um exemplo daquilo que é possível quando um instituto desenvolve soluções interdisciplinares.

É possível ver mais acerca do sucesso do trabalho proativo em equipa, espreitando rapidamente para o interior das salas de desenvolvimento do Fraunhofer ILT. Em Aachen existe uma grande e compacta célula robótica para o fabrico aditivo. Os participantes no projeto estão particularmente orgulhosos deste último desenvolvimento: Com o apoio financeiro adicional do BMBF, estão a criar uma versão menos dispendiosa do sistema robótico ProLMD para pequenas e médias empresas (PME). “Reduzimos a solução de um braço robótico de 3,1 m de comprimento com uma capacidade de carga de 90 kg para uns 2 m e 60 kg de capacidade de carga”, refere o cientista. “No robô grande, podemos demonstrar um sistema de troca flexível com cabeças de processamento à base de fio e pó, ao passo que na pequena célula trata-se de LMD à base de pó, medição de geometria integrada na máquina e do novo módulo CAM”.

Com a nova célula, o instituto de investigação de Aachen, em cooperação com os parceiros do projeto, está a demonstrar que também é possível criar uma célula compacta para as PME, que custa consideravelmente menos que um centro de maquinação típico.