Sistemas CNC híbridos: Revolucionando a manufatura aditiva e subtrativa

Descubra os benefícios do sistemas CNC híbridos que integram perfeitamente a manufatura aditiva e subtrativa. Explore as aplicações, as vantagens e as tendências futuras em setores como o aeroespacial e o de dispositivos médicos. Saiba como os principais fabricantes estão avançando com essa tecnologia inovadora.

Sistemas CNC híbridos: Combinação de manufatura aditiva e subtrativa

Este artigo apresenta uma visão geral abrangente da manufatura híbrida, começando com uma introdução aos sistemas híbridos e sua evolução histórica. Ele contrasta a manufatura aditiva e subtrativa, discutindo suas definições, processos e respectivas vantagens e desvantagens. A necessidade de sistemas híbridos é explorada, destacando as limitações das tecnologias autônomas e os benefícios da integração de ambos os métodos. Os principais benefícios dos sistemas híbridos são examinados, incluindo maior complexidade e liberdade de design, deposição localizada de material, recursos de reparo de peças, redução de resíduos e aplicações em ferramentas e produção de baixo volume. O artigo também se aprofunda na impressão 3D CNC, detalhando a integração de processos aditivos em máquinas CNC e o fluxo de trabalho híbrido moderno. Além disso, ele discute os recursos dos principais sistemas aditivo-subtrativos, enfatizando as principais tecnologias e componentes. A tecnologia de reparo híbrido é apresentada, mostrando suas aplicações no setor aeroespacial e em peças de alto valor. O conceito de usinagem multiprocessos também é explorado, especialmente a integração do FDM em máquinas de fresagem e o projeto de plataformas híbridas modulares. Olhando para o futuro, o artigo destaca os aplicativos emergentes e as inovações na fabricação híbrida, juntamente com as tendências em software e automação. A conclusão resume o impacto da manufatura híbrida e oferece insights sobre desenvolvimentos futuros. Por fim, uma seção de perguntas frequentes aborda questões comuns relacionadas à manufatura híbrida, fornecendo respostas claras e esclarecimentos.

A fabricação híbrida está surgindo como um avanço de última geração que une a oportunidade de planejamento da fabricação aditiva com a precisão e a alta eficiência dos processos de usinagem subtrativa. Ao coordenar procedimentos coordenados de declaração de energia, por exemplo, revestimento a laser diretamente em dispositivos de máquinas controladas matematicamente por PC (CNC), os produtores podem usar os dois avanços de uma forma completamente incorporada. As primeiras tentativas de fabricação híbrida envolveram a adaptação de máquinas CNC existentes com recursos de aditivos. No entanto, a verdadeira sinergia é alcançada por meio de sistemas específicos projetados desde o início para a integração perfeita dos fluxos de trabalho de manufatura aditiva e subtrativa. Os principais OEMs, como Mitsui Seiki e a DMG Mori desenvolveram plataformas híbridas sofisticadas que montam cabeçotes de laser e bicos de alimentação de pó em eixos de máquinas de forma semelhante às ferramentas de corte comuns. Quando os processos aditivos e subtrativos são combinados em uma plataforma híbrida otimizada, surgem novos potenciais. Geometrias internas complexas podem ser construídas e, ao mesmo tempo, manter tolerâncias rígidas por meio da usinagem subsequente. A deposição localizada de vários materiais e as aplicações de reparo de peças também são possíveis. Este artigo explorará os aspectos técnicos e as implementações industriais da fabricação híbrida. Ele abordará o projeto do sistema integrado, a integração do processo aditivo-subtrativo principal, as aplicações em setores como o aeroespacial e uma perspectiva para o futuro da manufatura multiprocesso.

A fabricação híbrida é um padrão em desenvolvimento de acordo com o exame das informações. As buscas por "manufatura híbrida" começaram a subir em 2016 e continuaram a subir de forma consistente daquele momento em diante. Isso coincide com fabricantes de instrumentos de máquinas importantes, como a Mitsui Seiki e a DMG Mori, que entregaram suas estruturas de crossover economicamente acessíveis mais memoráveis por volta de 2015-2016. Termos de pesquisa relacionados, como "manufatura aditiva-subtrativa" e "Impressão CNC 3D" seguiram uma direção de aumento comparável no volume de pesquisa ao longo dos últimos anos. Além disso, o interesse provincial mostra que a fabricação de produtos de meia-raça está recebendo consideração mundial. Os Estados Unidos, a Alemanha e o Japão têm impulsionado, em grande parte, o volume de buscas até o momento, possivelmente devido à recepção entre os OEMs de aviação/automóveis e suas cadeias de estoque nesses países. Da mesma forma, a Índia surgiu como um mercado em rápida expansão para solicitações de inovação em crossovers. Em nível estadual/local dentro de países maiores, os projetos de pesquisa se alinham com os principais centros de fabricação modernos. Nos EUA, Califórnia, Washington e Michigan lideram as buscas. Na Alemanha, o interesse se baseia em Baden-Württemberg, Baixa Saxônia e Renânia do Norte-Vestfália. Isso acompanha o agrupamento de empresas de aviação, design e manufatura que adotam novas portas abertas de meia-idade. A análise geral confirma o crescente interesse e a adoção de tecnologias de fabricação híbrida em todo o mundo nos últimos anos. O acesso ampliado a sistemas de habilitação prenuncia uma expansão maior à medida que surgem mais aplicações em todos os setores.

Fabricação de híbridos

Manufatura aditiva versus subtrativa

A manufatura aditiva, por exemplo, a sinterização a laser, fabrica peças camada por camada por meio da fusão de materiais como plástico ou pós metálicos. Curiosamente, a manufatura subtrativa utiliza métodos como a usinagem com controle matemático de PC (CNC) para remover ou esmagar o material de um bloco forte ou pré-forma para fazer uma peça moldada. Ambas as abordagens têm prós e contras. A manufatura aditiva permite recursos internos complexos e liberdade de design, pois funciona com a adição progressiva de material. Entretanto, o acabamento da superfície tende a ser áspero, com linhas de camadas visíveis. Ela também é mais lenta do que os processos subtrativos. A manufatura subtrativa oferece boa precisão dimensional e acabamento de superfície a partir da usinagem de pré-formas. No entanto, ela tem dificuldades com a alta complexidade geométrica e mais material é desperdiçado.

A necessidade de sistemas híbridos

Para superar as limitações dos sistemas aditivos e subtrativos autônomos, os sistemas híbridos reúnem as duas abordagens. Isso permite tirar proveito de ambas em um único processo de fabricação e máquina. Os sistemas híbridos integram diferentes opções para adicionar e remover material, possibilitando novas funcionalidades. Ao combinar os processos, a manufatura híbrida resolve problemas como o acabamento superficial ruim da manufatura aditiva. Ela também resolve as dificuldades da manufatura subtrativa com estruturas internas complexas. Em uma plataforma híbrida, os recursos podem ser adicionados e usinados alternadamente, conforme necessário, para obter benefícios de velocidade, precisão ou propriedade do material.

Benefícios dos sistemas híbridos

Maior complexidade

Canais internos, estruturas de treliça ou celulares tornam-se possíveis, pois as camadas podem ser colocadas dentro de pré-formas usando técnicas aditivas.

Deposição localizada de material

Diferentes materiais podem ser depositados em padrões personalizados, permitindo peças multimateriais ou funcionalmente graduadas.

Reparo de peças

Os componentes danificados podem ser restaurados com a reconstrução das áreas desgastadas por meio da deposição de aditivos seguida de usinagem.

Redução de resíduos

Menos matéria-prima é desperdiçada em comparação com a usinagem de blanks sólidos, uma vez que o aditivo alimentado por pó usa apenas as quantidades necessárias de material.

Aplicações de ferramentas

Os moldes, matrizes e acessórios podem aproveitar pós metálicos mais baratos, enquanto os cortadores incorporados fornecem os acabamentos de superfície necessários.

Produção de baixo volume

Os sistemas híbridos aumentam a eficiência de peças complexas, personalizadas ou de baixo volume que, de outra forma, enfrentariam longos prazos de entrega por meio da usinagem tradicional.

Implantes médicos

A integração de materiais biocompatíveis aditivos/subtrativos produz implantes médicos e próteses intrincados e personalizados.

Impressão 3D CNC

Integração de aditivos em máquinas CNC

As primeiras tentativas de sistemas híbridos envolveram a adaptação de fresadoras ou tornos CNC existentes com recursos de manufatura aditiva. Isso foi feito com a montagem de equipamentos de deposição, como lasers e alimentadores de pó, diretamente nos fusos das máquinas. No entanto, essas adaptações iniciais apresentaram desafios devido à integração não ideal do hardware aditivo. Eles também não tinham uma verdadeira integração de processos, em que a impressão e a usinagem pudessem se alternar perfeitamente sob controle coordenado. Os sistemas híbridos modernos têm soluções mais elegantes. Fabricantes como a Mitsui Seiki projetam máquinas desde o início para fluxos de trabalho aditivo-subtrativo totalmente integrados. Lasers e bicos são projetados para serem montados e trocados como ferramentas de fresagem comuns. Os suprimentos de pó e energia podem ser acoplados automaticamente e com rapidez ao cabeçote para agilizar a deposição do material.

Fluxo de trabalho de processo híbrido

Um gêmeo digital ou modelo de simulação virtual forma a base para um processo de fabricação híbrido nessas máquinas integradas. Primeiro, uma peça é digitalizada usando um scanner a laser e os dados da digitalização são comparados digitalmente com uma versão do modelo CAD. Em seguida, o software de planejamento de processos gera automaticamente percursos de ferramentas aditivas para deposição, juntamente com percursos de ferramentas subtrativas para quaisquer etapas de usinagem subsequentes. Esses percursos de ferramentas alimentam um controlador central que supervisiona o equipamento automatizado. A peça passa por uma fabricação sequenciada que inclui a deposição de material, recursos de usinagem, mais deposição de material aditivo e outras iterações de usinagem até ser totalmente concluída. O monitoramento do processo com sensores garante a precisão dimensional e o controle térmico durante todo o processo.

Aplicações da impressão 3D CNC

As principais aplicações demonstradas até agora pelos sistemas híbridos incluem o reparo de componentes aeroespaciais desgastados, como lâminas de turbinas a gás. A capacidade de reconstruir áreas danificadas por meio da deposição local seguida imediatamente pela usinagem torna essa aplicação bem adequada. Outras aplicações incluem a criação de peças com geometrias complexas que não são possíveis somente por meio de usinagem, como recursos encapsulados com estruturas de treliça porosa. As peças multimateriais também aproveitam as capacidades híbridas de integração de materiais aditivos e subtrativos. De modo geral, ao unir a manufatura aditiva baseada em laser diretamente com operações de usinagem CNC de alta precisão, as máquinas híbridas liberam novas liberdades de projeto e ganhos de produtividade em comparação com os sistemas autônomos. Elas combinam o melhor das tecnologias de manufatura aditiva e subtrativa.

Sistemas aditivos-subtrativos

Integração da deposição em máquinas-ferramenta

Os principais fabricantes de máquinas-ferramenta desenvolveram sistemas híbridos sofisticados que integram os recursos de manufatura aditiva diretamente aos equipamentos de manufatura subtrativa. Em vez de adaptar os lasers como simples adições de parafusos, essas máquinas híbridas são projetadas especificamente para a integração perfeita de processos aditivos e subtrativos. A Mitsui Seiki projeta seus sistemas híbridos desde o início. Os lasers e os bicos de pó são projetados para serem montados com precisão nos eixos da máquina, da mesma forma que as ferramentas de corte comuns. Os bicos se conectam automaticamente por meio de interfaces de conexão rápida às peças de fornecimento de energia laser e pó. Ao projetar a integração nesse nível, os processos aditivos e subtrativos podem realmente se alternar sob um fluxo de controle unificado. Outros fabricantes importantes, como DMG Mori, Mazak e Trumpf, também oferecem plataformas híbridas dedicadas. Alguns integram a fusão seletiva a laser, enquanto outros se concentram especificamente na fabricação de filamentos fundidos ou em técnicas de deposição de energia direcionada, como o revestimento a laser. Também existem máquinas de torneamento-fresagem para peças rotacionalmente simétricas.

Principais componentes do sistema

Além de lasers e equipamentos de pó fortemente integrados, os sistemas híbridos combinam várias outras tecnologias essenciais: Fusos de múltiplos eixos e controle de movimento para acesso a peças de 5 lados. Gabinetes que mantêm atmosferas inertes para materiais reativos. Scanners que digitalizam peças e codificam assinaturas de superfície. Sondas de toque que verificam a precisão e as tolerâncias. Software modular que programa perfeitamente os percursos de ferramentas aditivas e subtrativas. Monitoramento de processos com sensores e detecção integrada de defeitos. Em conjunto, esses elementos permitem que as máquinas híbridas fabriquem componentes metálicos complexos adequados para aplicações aeroespaciais, de energia e outras aplicações de missão crítica.

Tecnologia de reparo híbrido

Um uso especializado dos recursos híbridos envolve o reparo e a reconstrução de peças de alto valor. Lâminas de turbinas complexas, impulsores e outros componentes aeroespaciais danificados podem agora ser reformados por meio de deposição aditiva local e pós-processamento subtrativo de áreas preenchidas. Ao comparar as digitalizações de peças desgastadas com os modelos CAD, os sistemas híbridos geram automaticamente percursos de ferramentas que reconstroem os volumes ausentes camada por camada. A usinagem subsequente imediata produz dimensões finais reparadas e acabamentos de superfície, evitando configurações separadas. Essa aplicação, chamada de tecnologia de reparo híbrido, aproveita a combinação de escaneamento, manufatura aditiva e usinagem CNC em plataformas dedicadas. Ela representa a prontidão industrial para que a manufatura híbrida recupere componentes ultraprecisos que, de outra forma, teriam de arcar com os custos de substituição.

Exemplos de recursos híbridos

Plataformas dedicadas da Mitsui Seiki, DMG Mori e outras demonstram recursos como a produção de carcaças de turbinas com canais de resfriamento integrados. As estruturas de fundição surgem com dutos internos que, de outra forma, seriam difíceis de usinar. A deposição a laser seguida de fresamento também produz peças flangeadas com características salientes em uma única operação. Os revestimentos aplicados por deposição de arame aumentam a resistência das peças. Componentes rotativos emergem de projetos híbridos inovadores de torneamento-fresamento em uma única fixação. Em conjunto, eles exemplificam as vantagens da integração híbrida de materiais aditivos e subtrativos.

Usinagem multiprocessos

Integração de FDM em máquinas de fresagem

Embora a maioria dos sistemas híbridos se concentre em materiais metálicos, alguns fabricantes desenvolveram plataformas híbridas que integram a impressão 3D de modelagem por deposição fundida (FDM) baseada em polímeros em fresadoras CNC. Os cabeçotes FDM são montados nos eixos das fresadoras junto com as ferramentas de corte. Isso permite imprimir peças termoplásticas inicialmente e, em seguida, fazer a transição direta para a usinagem subtrativa, se necessário. A compensação de encolhimento e as tensões de acabamento tornam-se possíveis em linha, e não como um pós-processo. Os recursos de saliência que antes exigiam estruturas de suporte podem ser fabricados aditivamente sem suportes. Metais como o titânio também podem ser incorporados em polímeros impressos em 3D usando a coordenação aditivo-subtrativa para fortalecer as aplicações finais.

Projetando uma plataforma híbrida modular

Os principais fabricantes de máquinas projetam plataformas híbridas de última geração como sistemas totalmente modulares e versáteis. Os cabeçotes de processamento são trocados rapidamente para atender a diferentes necessidades. As técnicas alternativas de deposição disponíveis podem incluir fusão de leito de pó a laser, revestimento a laser de pó soprado, manufatura aditiva de arco de arame e outras. Tamanhos de ponto variáveis, potências de laser e alimentação de pó otimizam a deposição para as tarefas. Os feixes de laser divergentes ou bem focados executam tarefas que vão além da deposição básica de material. O hardware de inspeção e as sondas de toque verificam os resultados na máquina. Os controles programam perfeitamente o sequenciamento aditivo, de varredura e subtrativo de várias etapas. A modularidade prepara os sistemas para o futuro a fim de incorporar tecnologias emergentes. Os ecossistemas abertos atraem inovadores de terceiros, expandindo o alcance da manufatura híbrida. A rigidez do núcleo garante a precisão em meio à flexibilidade modular.

Desenvolvimento híbrido futuro

A hibridização contínua produzirá aplicações inovadoras. A microestrutura das ligas multimetálicas poderá sofrer uma transição elemento a elemento. Surgem alterações de difusão e composições de materiais graduados. Elementos funcionais incorporados, como linhas de resfriamento conformal em miniatura e componentes eletrônicos proprietários, passam por fabricação na máquina. A produção em série alcança esses feitos. O software automatiza as tarefas manuais para maximizar a engenhosidade humana. O aprendizado de máquina otimiza os processos, poupando energia. Protocolos de segurança padronizados preservam a propriedade intelectual sensível em ecossistemas digitais colaborativos. Com uma integração mais estreita entre as disciplinas digitais aditivas, subtrativas e relacionadas, a produção híbrida multiprocesso traça um futuro expansivo, moldando nosso mundo por meio de uma fabricação ilimitada.

Conclusão

A manufatura híbrida representa o futuro convergente das tecnologias aditivas e subtrativas. Ao integrar as técnicas de deposição de energia direcionada, como o revestimento a laser, diretamente nas máquinas CNC, os fabricantes liberam novos potenciais que os sistemas autônomos não poderiam alcançar. Características internas complexas, integração localizada de vários materiais e aplicações de reparo de peças tornam-se realidades industriais. Os principais OEMs, como a Mitsui Seiki e a DMG Mori, estabeleceram uma liderança antecipada por meio de plataformas híbridas pioneiras criadas para esse fim. Os projetos modulares integram perfeitamente os cabeçotes de processamento como um ecossistema automatizado de várias ferramentas. O controle digital orquestra balés de produção aditivo-subtrativa intrincadamente coreografados. As aplicações em propulsão de voo, moldagem e implantes médicos estão se aproximando da produção em série. Embora ainda seja um campo emergente, a manufatura híbrida amadureceu significativamente nos últimos anos. A adoção acompanha os principais centros industriais, demonstrando a relevância em nível de produção. O diálogo técnico passa de conceitos gerais para o refinamento de fluxos de trabalho integrados em materiais específicos e normas do setor. O software está se recuperando, automatizando as tarefas que foram iniciadas com a programação manual. À medida que o campo evolui, muitas possibilidades permanecem inexploradas. Ligas multimetálicas, eletrônica incorporada e reparo automatizado de peças prenunciam o que pode surgir por meio da hibridização de disciplinas aditivas, subtrativas e digitais. Olhando para o futuro, fabricantes, pesquisadores e empreendedores continuam ampliando os limites técnicos - inspirando admiração pelas inovações de produção integrada que podem moldar a indústria e a sociedade globais.

Perguntas frequentes

P: A que setores a manufatura híbrida atende melhor?

R: Setores como o aeroespacial, de dispositivos médicos, de moldagem e outros que produzem peças complexas de baixo volume se beneficiam muito. O reparo/remanufatura de ativos como turbinas também aproveita os recursos híbridos.

P: Qual é a diferença entre um sistema híbrido e um equipamento aditivo ou subtrativo básico?

R: Os sistemas híbridos integram aditivo a laser/pó em máquinas CNC, executando percursos de ferramentas aditivo-subtrativos contínuos. As peças são impressas e depois usinadas em uma única plataforma, em vez de etapas separadas de aditivo e usinagem.

P: Que tipos de recursos são melhores para a fabricação híbrida?

R: Estruturas internas complexas, integração de vários materiais, propriedades graduadas e reparo de peças são adequados para sistemas híbridos. As formas externas passíveis de aditivo e usinagem também são beneficiadas.

P: Como o software e os controles funcionam nas máquinas híbridas?

R: Os gêmeos digitais simulam virtualmente os processos. Controles sequenciam etapas aditivas-subtrativas ou alternam automaticamente os cabeçotes de processamento. A programação gera percursos de ferramenta integrados e otimizados a partir do CAD.

P: Quais materiais os sistemas híbridos podem processar?

R: Embora focadas no processamento de metais, como fusão de leito de pó a laser e revestimento a laser, as máquinas mais novas integram polímeros Impressão 3D também. É possível utilizar uma grande variedade de metais, ligas e compostos.

P: Como as tensões residuais afetam a qualidade das peças híbridas?

R: O ajuste fino dos parâmetros do laser e a usinagem estrategicamente programada reduzem os riscos de distorção. A modelagem futura do processo térmico pode otimizar os caminhos para minimizar as tensões.