O problema com o plástico

Com os fabricantes de automóveis considerando níveis cada vez maiores de conteúdo de materiais baseados no plástico, Steed Webzell examina os desafios para as oficinas mecânicas

Uma pesquisa recente sugere que até 2020 o carro médio incorporará 350 kg de materiais baseados em plástico. Como resultado, a necessidade de métodos eficientes e econômicos de usinagem para plásticos nunca foi tão grande; e aí reside o desafio.

A falta de rigidez é a principal dificuldade na usinagem de qualquer material à base de polímeros. Todas as ferramentas de corte contam com a natureza rígida do componente a ser fabricados, razão pela qual as propriedades inerentes dos metais podem ser aproveitadas com resultados tão positivos. Em contraste, as peças de plástico tendem a “dobrar” ou “flexionar” para longe da ferramenta de corte durante a fabricação, geralmente defletindo após o corte ter passado, o que dificulta a obtenção das dimensões e tolerâncias especificadas.

Em um carro típico, peças plásticas podem incluir buchas, tampas, guias, bicos, espaçadores e suportes, por exemplo, geralmente feitos de materiais como acetil, acrílico, Delrin, nylon e policarbonato, muitos dos quais apresentam problemas de controle de cavacos durante a usinagem.

Solução de baixa frequência

Entre as empresas familiarizadas com as demandas de plásticos de usinagem estão as Plastic Turned Parts (PTP), localizada perto de Hertford, no Reino Unido. A PTP foi a primeira empresa no Reino Unido a instalar um centro de torneamento de cabeça deslizante Citizen CNC, incorporando a tecnologia patenteada de usinagem de Baixa Frequência Vibratória (LFV). Como resultado, a PTP foi capaz de eliminar problemas de controle de cavacos na produção de milhares de componentes plásticos.

“Para nós, o desenvolvimento da LFV transformou nossas operações de fresamento para que pudéssemos operar com confiança a máquina Citizen desde o início, em vez de interromper continuamente o ciclo para eliminar incômodos ‘ninhos de pássaros’ de cavacos plásticos”, explica o gerente geral Jonathan Newis.

Newis descreve o LFV como sendo especialmente eficaz durante a perfuração profunda: “Eliminamos totalmente qualquer entupimento dos canais internos de perfuração. Anteriormente, muitas vezes precisávamos configurar a máquina com duas ou até três brocas devido a problemas de cavacos, mas agora podemos ir diretamente para a profundidade com uma única ferramenta e as cavidades ficam completamente limpas.”

A PTP fornece grandes fabricantes de automóveis com componentes de plástico em grandes quantidades. Além de PTFE, os materiais à base de plásticos que passam pela oficina mecânica são muito variados, incluindo acetil, Delrin, nylon, PVC, polipropileno, polietileno, Nylatron, PEEK, PTFE preenchido com grafite e outros materiais de alto desempenho, incluindo variantes de plásticos reforçados com vidro. Os tamanhos dos lotes variam de entre 500 e 10.000.

Newis diz: “Temos as habilidades de responder à natureza exigente de alguns desses materiais”. Refletindo sobre a usinagem de polietileno, ele descreve este material como “sendo um pesadelo” com o envoltório de limalha ao redor das ferramentas e frequentemente derretendo em brocas. “No entanto, com o LFV, ele fica pronto para ser executado sem supervisão por várias horas.”

O processo LFV patenteado é diferente da usinagem de vibração ultra-sônica convencional; é totalmente programável e ativado por meio de um código G, permitindo a aplicação sob demanda em qualquer parte do ciclo de corte. É importante ressaltar que os eixos servo do sistema de acionamento da máquina são “oscilados” na direção da alimentação da ferramenta em fases que envolvem dezenas de microns, que são sincronizados com a rotação do fuso.

Parte do caminho da ferramenta inclui o “corte a ar”, que interrompe o corte que quebra as limalhas em comprimentos ou peças menores. Esse processo também reduz o início da borda construída na ponta da ferramenta, o que geralmente é uma causa de falha prematura.

É possível programar o LFV para adaptar o comprimento ideal de cavacos através de códigos P1 e P2 que definem a frequência de oscilação. Este é um benefício muito importante, pois os chipes ultra-pequenos de plástico simplesmente entopem a máquina ”.

O PTP tende a operar o fuso da máquina a 4000 rpm com taxas de avanço de 0,03 mm/R (P1) ou 0,05 mm/R (P2). P1 é usado para quebra de cavacos em geral e P2 para torneamento e furação de pequeno diâmetro.

Usinagem de compósitos

Um pouco mais a oeste, em Oxfordshire, a Shape Machining, com sede em Witney, diz que seus ganhos mais recentes em usinagem de compostos vieram como resultado do investimento em software. É por isso que a empresa está aproveitando os benefícios do software Vericut de verificação e simulação de usinagem CNC da CGTech.

A Shape Machining foi fundada pelo antigo designer chefe de Fórmula 1, Peter McCool, para fornecer ferramentas e peças usinadas compostas de fibra de carbono para as indústrias motor e automobilística. O software Vericut permite que os programadores e operadores de máquinas de cinco eixos do Shape verifiquem seus caminhos de ferramenta para evitar colisões.

McCool diz: “Nossos programadores se adaptaram rapidamente e incorporaram a execução do Vericut em nossos procedimentos operacionais padrão. Cada vez que crescemos, precisamos mudar e nos adaptar. A introdução do Vericut é parte do nosso esforço para melhorar constantemente.”

Plásticos ‘ninho de pássaros’ na mão direita sem LFV, e o processo de corte sob controle usando LFV na mão esquerda

Os programas NC são agora gravados e verificados antes que os trabalhos sejam carregados em cada máquina. Essa estratégia dá à Shape a capacidade de estender significativamente as horas de usinagem disponíveis em um dia e possibilita a introdução planejada de turnos tardios e noturnos.

É claro que compósitos como CFRP e GFRP têm um livro de regras só para eles quando se trata de usinagem. Uma observação interessante aqui é que a usinagem desses materiais é geralmente uma operação a seco. No entanto, os compostos de usinagem representam muitos desafios para os engenheiros de produção: não menos importante, a tendência para delaminação e divisão de fibras, apesar das baixas taxas de velocidade e avanço. Além disso, os cortadores estão sob estresse intenso, pois as fibras compósitas podem causar desgaste rápido, resultando em frequentes trocas de ferramentas. Para neutralizar esses problemas, ferramentas feitas de PCD ou cortadores com revestimentos semelhantes a diamante são geralmente necessários.

A usinagem a seco do CFRP também levanta várias questões em relação à saúde e segurança. A poeira fina liberada durante o corte é um motivo particular de preocupação. Para evitar colocar funcionários em risco, as empresas devem instalar sistemas de ventilação e filtragem, que não são baratos.

Lubrificantes para usinagem de compósitos

Uma empresa que trabalha com esse problema é a fabricante de lubrificantes Rhenus Lub. A empresa diz que está realizando testes em refrigerantes recém-desenvolvidos, assistidos pelo Centro de Pesquisa e Transferência da Universidade de Ciências Aplicadas de Zwickau. Ferramentas e peças de trabalho são inspecionadas quanto a desgaste e qualidade de usinagem durante testes de adequação realizados em um ambiente de produção. Os primeiros refrigerantes totalmente desenvolvidos são o Rhenus XY 190 FC e o XT 46 FC.

Devido à preocupação com o potencial do refrigerante penetrar no material, as interações entre o refrigerante e o CFRP foram estudadas em uma série de testes realizados nas piores condições hipotéticas. Os resultados foram positivos: o curto tempo de permanência do refrigerante durante a usinagem não alterou as propriedades do CFRP, e não houve sinais de que havia penetrado no material.

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