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O projeto de investigação tem potencial para revolucionar o processamento de materiais com EHLA3D

Makino e Fraunhofer ILT ampliam as possibilidades do fabrico aditivo

05/07/2024
A Makino e o Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT estão a utilizar o EHLA e o EHLA3D para redefinir os limites do fabrico aditivo. Ao integrar o EHLA3D numa plataforma CNC de cinco eixos, desenvolveram um processo que pode produzir, revestir ou reparar de forma eficiente geometrias complexas com materiais de elevada resistência. O resultado da colaboração: tempos de produção mais curtos e maior vida útil dos componentes em indústrias críticas, ao mesmo tempo que estabelece as bases para a inovação futura na economia circular.
O novo processo de produção com a tecnologia EHLA3D permite produzir...
O novo processo de produção com a tecnologia EHLA3D permite produzir, revestir ou reparar de forma eficiente geometrias complexas com materiais de elevada resistência. Foto: Makino.

A tecnologia laser desempenha um papel central no sector da produção, especialmente no domínio da produção aditiva. Neste contexto, o Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT e o fabricante japonês de máquinas-ferramenta Makino aventuraram-se num empolgante avanço tecnológico: transferir o revestimento a laser de extrema velocidade EHLA para uma plataforma CNC de cinco eixos. Para tal, foi necessário desenvolver uma cinemática que permitisse um movimento rápido e dinâmico da cabeça de maquinagem para o processo EHLA.

Isto permitiria o processamento flexível de uma vasta gama de formas geométricas e o revestimento dos componentes com uma enorme variedade de materiais. No início, os parceiros do projeto pensavam apenas no fabrico aditivo, mas rapidamente surgiu o tema das reparações: “As reparações são muito interessantes”, explica Min-Uh Ko, líder do grupo de fabrico aditivo e reparação de LMD no Fraunhofer ILT. “Muitos componentes dispendiosos têm de ser substituídos, mesmo no caso de pequenos defeitos. Um sistema flexível como o da Makino, com uma mesa rotativa e basculante, oferece boas opções de reparação, o que poupa custos para nova produção, evita tempos de transporte e entrega e minimiza o tempo de inatividade. Além disso, o tema da reparação é o requisito básico para uma futura economia circular”.

Min-Uh Ko, do Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT (à esquerda), e o Dr...
Min-Uh Ko, do Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT (à esquerda), e o Dr. Johannes Finger, da Makino (à direita), lideram a cooperação de investigação em que a deposição de material a laser de alta velocidade extrema EHLA foi transferida para uma plataforma CNC de cinco eixos. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen.

A função da Makino no projeto não se limitou apenas ao hardware CNC, mas também ao controlo do processo, uma vez que este teve de ser completamente redesenhado. O desafio consistiu em adaptar tecnicamente a máquina a acelerações elevadas e otimizar o controlo do processo e a cinemática da máquina, de modo a controlar com precisão a interação entre o feixe laser e o material.

A máquina-ferramenta desenvolvida pela filial da Makino em Singapura atinge uma velocidade de avanço efetiva de até 30 metros por minuto, o que representa um aumento significativo em comparação com os sistemas convencionais. Esta velocidade é particularmente vantajosa na maquinagem de componentes grandes e complexos, uma vez que reduz significativamente o tempo de produção. As melhorias técnicas resultam numa qualidade consistentemente elevada dos produtos finais e numa maior eficiência do processo de produção, o que é especialmente importante para componentes de alta qualidade nas indústrias aeroespacial e de fabrico de ferramentas.

Johannes Finger, gestor de projeto na Makino, afirma: "A Makino é conhecida mundialmente pelos seus sistemas CNC de alta precisão. A entrada no fabrico aditivo, especialmente no LMD de alta velocidade, representa uma expansão estratégica do portefólio da Makino. A máquina CNC de cinco eixos desenvolvida em conjunto permite-nos agora produzir com rapidez e precisão formas geométricas complexas com materiais difíceis de soldar, como aços de alta resistência ou carboneto. É única”.

A otimização conjunta aumenta a eficiência e a precisão

O Fraunhofer ILT aportou ao projeto a sua vasta experiência no domínio dos processos de fabrico baseados em laser e forneceu a sua infraestrutura e instalações laboratoriais especializadas. Com décadas de experiência no desenvolvimento de processos e componentes para LMD, o instituto foi fundamental na otimização dos parâmetros do processo para o processamento de vários materiais e, finalmente, na transferência da nova tecnologia para o cliente piloto industrial toolcraft AG. Isto incluiu o ajuste dos parâmetros do laser, a afinação da alimentação de pó e a otimização do controlo de movimento da máquina CNC.

“A otimização da entrada de calor é um aspeto crítico do processo EHLA3D”, explica Min-Uh Ko, especialista em materiais de renome. “A velocidade de alimentação e o jato de gás do pó desempenham um papel crucial no controlo do calor que é introduzido no material. Ao ajustar a velocidade de alimentação e os fluxos de massa de pó, podemos controlar com precisão a entrada de calor, reduzir a zona afetada pelo calor e garantir uma qualidade de revestimento uniforme.”

De acordo com Johannes Finger, a elevada velocidade de acumulação é um avanço significativo. “Utilizando taxas de alimentação elevadas e uma alimentação de pó optimizada, podemos alcançar uma eficiência consideravelmente melhorada de aplicação de material com a mesma precisão ou até maior. Desta forma, a taxa de acumulação com HS-LMD pode ser significativamente aumentada, o que melhora a eficiência global do processo de produção.”

A Makino implementou os resultados do projeto conjunto na nova máquina de processamento AML 500...
A Makino implementou os resultados do projeto conjunto na nova máquina de processamento AML 500. A máquina-ferramenta flexível atinge uma velocidade de avanço efetiva de até 30 metros por minuto. Foto: Makino.

Reparação e revestimento de componentes de elevado desempenho

Um dos objetivos do projeto era a reparação e manutenção de peças de máquinas e ferramentas de alta qualidade expostas a cargas elevadas durante o funcionamento normal. Os parceiros conseguiram atingir este objetivo com a tecnologia EHLA3D adaptada. Além disso, a tecnologia EHLA3D foi utilizada com sucesso para revestir peças de desgaste, o que melhora significativamente a vida útil destes componentes. Ao ser agora capaz de aplicar revestimentos resistentes ao desgaste com precisão e eficiência, a EHLA3D tornou-se uma solução económica para prolongar a vida útil dos componentes em várias indústrias, como a mineira e a indústria pesada. O facto de a Makino ter sido capaz de implementar os resultados tão rapidamente na nova máquina de maquinagem AML 500 demonstra, por um lado, a flexibilidade dos sistemas CNC do fabricante de máquinas. Por outro lado, as aplicações práticas também demonstram que a tecnologia EHLA3D não é apenas um conceito teórico, mas uma tecnologia avançada, robusta e aplicável industrialmente que oferece vantagens significativas em termos de custo, eficiência e desempenho. A colaboração entre o cliente industrial e o Fraunhofer ILT resultou assim em melhorias tangíveis na tecnologia de fabrico que vão muito além do ambiente laboratorial.

Um aspeto fundamental dos desenvolvimentos futuros será a identificação e validação de novas áreas de aplicação para o processo EHLA3D. Uma vez que os sistemas de materiais que podem ser processados são agora tão flexíveis, este processo EHLA alargado pode agora ser transferido para aplicações que normalmente não poderiam ser investigadas, uma vez que o processo LMD tem tais limitações. Isto aplica-se em particular a aplicações com sistemas multi-materiais e à impressão de estruturas finas.

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