Fornecimento eficiente de fluido de corte em ferramentas de fresamento fabricadas aditivamente

Fornecedores Relacionados

No campo da manufatura em rápida evolução, a busca pela eficiência, sustentabilidade e economia levou a pesquisas inovadoras e avanços tecnológicos. Uma dessas áreas de inovação é a aplicação de processos de manufatura aditiva no projeto e produção de ferramentas de corte.

O uso de fluido de corte (refrigerante, MWF) é indispensável no fresamento de materiais e componentes exigentes e difíceis de usinar, como componentes estruturais aeroespaciais feitos de ligas de titânio. O fresamento produtivo usando fluido de corte em altas pressões de fornecimento apresenta à indústria de manufatura grandes desafios para reduzir custos econômicos e ecológicos. Em particular, aumentar a vida útil da ferramenta e reduzir o uso necessário de fluido de corte pode contribuir significativamente para uma fabricação sustentável, competitiva e com economia de recursos na Alemanha. A produção de ferramentas complexas, projetadas individualmente e refrigeradas internamente, usando processos de fabricação convencionais, é muito complexa, dispendiosa e só possível até certo ponto.

A liberdade geométrica de projeto dos processos de fabricação aditiva oferece um enorme potencial em termos de fornecimento de fluidos de corte individualizado, focado e com baixas perdas. Ao processar materiais em pó metálico, o processo Laser Powder Bed Fusion (LPBF) pode ser usado para redesenhar o fornecimento de fluido de corte de ferramentas de corte intercambiáveis. Essas possibilidades foram exploradas no projeto Tacoma (AiF) no Laboratório de Máquinas-Ferramenta e Engenharia de Produção (WZL) da Universidade RWTH Aachen. O objetivo era explorar o potencial das ferramentas de fresamento fabricadas aditivamente usando o processo LPBF no que diz respeito a um fornecimento adaptado de fluido de corte para aumentar a vida útil da ferramenta e a confiabilidade do processo. Usando o exemplo de ferramentas de fresamento intercambiáveis ​​com assentos de pastilha tangenciais, foram demonstradas as possibilidades e limites de canais de fornecimento de fluido otimizados e um design de bico focado. O projeto terminou em março de 2023, após um período de três anos e colaboração com o Instituto Fraunhofer de Tecnologia Laser ILT e um amplo consórcio de empresas participantes das áreas de fabricação de ferramentas, produção de máquinas-ferramenta, aplicações e periféricos para fluidos de corte.

No projeto de pesquisa Tacoma, foram desenvolvidas ferramentas de fresamento intercambiáveis ​​de linha única e multilinha com baixas perdas e fornecimento de fluido de corte direcionado, fabricadas usando o processo LPBF e analisadas em experimentos de usinagem. As descobertas foram utilizadas em diretrizes e recomendações de design para PMEs. Após a qualificação de um aço cimentado de baixa liga 18MnCrMoV4-8-7 no processo LPBF, geometrias adequadas de canal e bico foram identificadas em investigações de mecânica de fluidos. Utilizando a liberdade geométrica do projeto, foi possível reduzir as perdas de fluxo de volume em até 21% e moldar o jato livre do fluido de corte de maneira mais focada por meio de formatos de bicos adaptados.

Os resultados foram então utilizados no projeto de um sistema de fornecimento de fluido adaptado na ferramenta de fresamento. O projeto foi apoiado por simulações numéricas de CFD para poder fazer afirmações sobre a capacidade de desempenho antes mesmo da validação experimental. Ao testar uma ampla variedade de variantes de fornecimento com alta complexidade geométrica e diversidade em ferramentas de fresamento fabricadas aditivamente para desbaste do aço tratado termicamente 42CrMo4+QT e da liga de titânio Ti-6Al-4V, foram extraídas variantes adequadas e descobertas para um fluido de corte ideal conceitos de fornecimento foram obtidos. O fornecimento focado e com baixas perdas do fluido de corte para a aresta de corte da ferramenta, que está sujeita a altas cargas mecânicas e térmicas, resultou em aumentos de vida útil da ferramenta de até 70% em comparação com a ferramenta de referência. Ao mesmo tempo, a vazão volumétrica foi reduzida quase pela metade, reduzindo significativamente a necessidade de energia elétrica da máquina-ferramenta.

O enorme aumento na eficiência e no desempenho em uso pode compensar os custos económicos e ecológicos adicionais no processo de fabrico de ferramentas de corte fabricadas aditivamente. Num cálculo de custo exemplar, o preço da ferramenta fabricada aditivamente foi estimado em quase 50% mais alto do que a ferramenta de referência fabricada convencionalmente. Levando em consideração toda a vida útil da ferramenta, os custos operacionais das ferramentas fabricadas pela LPBF foram 39% inferiores aos custos calculados para a ferramenta de acordo com o estado da técnica. Os resultados de uma avaliação do ciclo de vida de acordo com a norma DIN EN ISO 14040/44 também mostraram o potencial para um impacto ambiental reduzido durante a utilização da ferramenta. A pegada de CO2 calculada para a vida útil da ferramenta foi reduzida em 20% devido ao uso mais eficiente do fluido de corte e à vida útil prolongada das pastilhas de corte.