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Maquinagem com maior precisão e sem desperdício? Modelação numérica pode ser a solução

25 novembro 2020
Artigo de Tiago Fraga, investigador, e Diogo Fula, responsável pelo desenvolvimento de negócio na área das tecnologias avançadas de fabrico do INEGI. 


A maquinagem é o processo de fabrico mais comum para criar componentes metálicos de precisão. Trata-se de um processo de corte ou desbaste de um material para criar uma peça, e é transversal e complementar a todos os outros processos de fabrico, desde a fundição ao forjamento.  

A maior parte dos componentes que possuem superfícies técnicas funcionais necessitam de ser submetidos aos mais diversos processos de maquinagem, de modo a obterem a qualidade superficial e tolerâncias dimensionais exigidas para a função à qual se destinam.  

Porém, do ponto de vista económico, é um processo dispendioso, pois implica o desperdício de grandes quantidades de material e resulta numa curta vida útil das ferramentas. Ainda é convencional a utilização de métodos de afinação baseados na experiência empírica e técnicas de «tentativa e erro», razão pela qual se torna importante melhorar o processo de corte. Essencialmente, compreender os mecanismos de formação de apara e prever resultados consoante os parâmetros de corte. 

A modelação numérica dos processos de maquinagem é uma possível resposta a este desafio, que temos vindo a explorar no âmbito do nosso trabalho na área de processos de fabrico de metais, já que permitiria a estimar a vida útil das ferramentas e a qualidade obtida em função das condições de trabalho, nomeadamente os parâmetros de corte. 

O projeto de uma ferramenta de corte é um processo complexo, e a simulação numérica aparece como uma solução adequada. As simulações de elementos finitos permitem uma adequada e eficiente representação tridimensional da quebra da apara, e respetiva análise do ponto de vista do projeto de geometria ideal da ferramenta de corte.  

Modelação contribui para controlo da produção e previsão da vida útil das ferramentas 

O objetivo é simples: maximizar a produtividade, sem colocar em causa a qualidade superficial e precisão dimensional dos produtos. Para tal é determinante o controlo da produção, nomeadamente em relação às aparas, já que a maquinagem de alta velocidade resulta numa grande quantidade de aparas obtidas num curto intervalo de tempo. 

A incapacidade de controlar o tamanho e forma da apara traduz-se na paragem frequente do equipamento e aumento dos custos produtivos, podendo até colocar em causa a segurança dos operadores. O acabamento superficial, a precisão dimensional e o desgaste prematuro das ferramentas são igualmente prejudicados pelo incorreto controlo na sua formação. 

Paralelamente, também a correta estimativa do desgaste e tempo de vida remanescente da ferramenta é uma área crítica no planeamento e na otimização do processo de maquinagem. Atingir a máxima produtividade, com os menores custos possíveis, passa por determinar o material e geometria da ferramenta, para além, claro, dos parâmetros de corte adequados. E é aqui que entra a simulação numérica.  

Ao recorrer aos modelos numéricos obtermos uma visão mais aprofundada do processo de corte desde a previsão das forças de corte, pressão de contato, campo de temperatura e morfologia da apara. Informação que pode ser usada para produzir ferramentas mais eficientes e fornecer feedback sobre a sua vida útil e o grau de maquinabilidade em determinadas condições de corte. 

Também há mais valias no pós-processamento de peças realizadas por Fabrico Aditivo 

Esta solução pode ainda acrescentar valor ao processo de fabrico aditivo. A impressão 3D de metal está perto de se tornar um processo produtivo sustentável, com uma gama atual de opções de materiais metálicos ampla, capaz de obter geometrias intrincadas, tornando o processo atrativo para várias indústrias. 

No entanto, a maioria das peças metálicas fruto do fabrico aditivo irá necessitar de pós-processamento, nomeadamente maquinagem de zonas de contacto onde é necessário garantir superfícies lisas, ou simplesmente para retirar suportes de construção. Estas pós operações de maquinagem, corte e furação em peças impressas têm, porém, desafios adicionais devido ao comportamento anisotrópico derivado da construção por camadas, que acumulam tensões residuais que se distribuem pela peça de forma não uniforme. 

Razão pela qual o controlo completo das operações de corte de metal é essencial para garantir um pós-processamento bem-sucedido destes componentes, que são valiosos demais para comprometer com maquinagem defeituosa.