Visão geral:
Reduza os tempos de ciclo, minimize erros e melhore o controle de qualidade com os recursos auxiliares de fabricação adequados. Este guia explica os principais tipos de gabaritos, dispositivos de fixação, medidores e ferramentas de montagem, onde eles são utilizados no chão de fábrica e como a manufatura aditiva oferece ferramentas personalizadas de forma mais rápida e econômica do que os métodos tradicionais.
Os auxílios de fabricação são ferramentas como gabaritos, dispositivos de fixação, medidores, modelos e ferramentas de ponta de braço robótico (EOAT) utilizadas em processos de produção e montagem. Ao invés de serem peças de uso final ou destinadas ao cliente, são ferramentas específicas para cada processo, projetadas para melhorar a precisão, a repetibilidade, a segurança e a eficiência no chão de fábrica. Tradicionalmente, os auxílios de fabricação são usinados em metal; atualmente, porém, são cada vez mais impressos em 3D para serem mais leves, acomodarem geometrias complexas e reduzirem custos e prazos de entrega em tiragens curtas ou quando os requisitos mudam com frequência.
Os principais tipos de auxiliares de fabricação incluem gabaritos, dispositivos de fixação, medidores, modelos, ferramentas de ponta de braço robótico (EOAT), auxiliares de montagem e ferramentas de conformação.
Cada tipo de auxílio à fabricação tem uma função específica a desempenhar. Pode ser orientar ferramentas, manter peças no lugar, verificar dimensões, apoiar a automação ou ajudar a evitar erros de montagem. Eles melhoram a consistência, apoiam o controle de qualidade e ajudam a manter a produção funcionando sem interrupções. Vejamos alguns exemplos comuns.
Os gabaritos orientam uma ferramenta de corte ou perfuração, de modo que a operação ocorra sempre no mesmo local e no mesmo ângulo.
Os gabaritos de perfuração são um bom exemplo. Na usinagem tradicional, a construção de um gabarito de perfuração temperado pode levar semanas. Se o projeto da peça mudar, o retrabalho acarreta custos e atrasos. Com a manufatura aditiva, geometrias complexas, buchas integradas e recursos ergonômicos podem ser impressos em questão de horas e, às vezes, até mesmo como uma única peça. Quando o projeto muda, um novo gabarito é impresso rapidamente.
Os dispositivos de fixação mantêm a peça no lugar. Os dispositivos de fixação de peças estabilizam os componentes durante a usinagem, soldagem ou montagem.
Mas criá-los por meio de métodos tradicionais geralmente significa longos prazos de entrega dos fornecedores, ferramentas de aço mais pesadas que causam tensão e fadiga ao operador, além de reprojetos onerosos quando são necessárias alterações.
Os dispositivos de fixação impressos em 3D, por outro lado, podem reduzir o peso em 50 a 80% em comparação com os equivalentes usinados em metal. Isso melhora o manuseio do material, a velocidade de troca, a segurança do operador e a ergonomia.
Para equipes que não contam com especialistas em CAD dedicados, o GrabCAD Fixturemate simplifica muito o projeto de dispositivos de fixação. Ele permite que você crie dispositivos personalizados rapidamente, sem a necessidade de habilidades avançadas em projeto CAD.
Calibradores e dispositivos de inspeção medem a precisão dimensional e a repetibilidade. Pode ser o diâmetro de um furo, uma rosca, a altura de uma superfície ou várias características ao mesmo tempo.
Para tiragens curtas ou lançamentos de novos produtos, a usinagem de medidores e dispositivos de inspeção de alumínio pode ser um exagero, considerando a duração do projeto. A impressão 3D permite a produção muito mais rápida de medidores personalizados, especialmente para formas mais complexas que seriam difíceis de usinar.
Os gabaritos são ferramentas simples de posicionamento usadas para marcação, corte, perfuração, fresagem ou alinhamento. São comuns na fabricação, em compósitos, chapas metálicas, marcenaria e montagens de grande formato, onde é necessária uma peça física de alta precisão.
Tradicionalmente, os gabaritos são cortados em alumínio, aço ou placas compostas. Assim, para programas de baixo volume ou peças grandes, a usinagem pode ser demorada e consumir muitos materiais.
Com a manufatura aditiva, os gabaritos podem ser produzidos rapidamente, mesmo em tamanhos grandes, e podem lidar facilmente com contornos complexos, marcações de alinhamento e geometria específica da peça.
As ferramentas de ponta de braço (EOAT) são os componentes montados em um robô que interagem diretamente com a peça, como garras, ferramentas a vácuo, dedos mecânicos ou dispositivos de manuseio personalizados. Em ambientes automatizados, as EOAT afetam diretamente o tempo do ciclo de produção, os limites de peso e o tempo de operação.
Tradicionalmente, o EOAT é usinado em alumínio e montado a partir de vários componentes. É durável, mas muitas vezes mais pesado do que o necessário.
A manufatura aditiva permite projetar a ferramenta em torno da peça e do robô ao mesmo tempo. É possível reduzir o peso para diminuir a carga do robô, integrar canais de vácuo internamente, combinar vários componentes em uma única peça e moldar as superfícies de contato para se adequarem a geometrias complexas.
Materiais avançados também tornaram o EOAT impresso em 3D adequado para setores mais exigentes. Materiais à prova de ESD, seguros para alimentos, resistentes ao calor e a produtos químicos permitem que os fabricantes utilizem ferramentas de manufatura aditiva em áreas como eletrônica, embalagens e produção industrial.
EOATs mais leves significam menos carga sobre o robô, o que pode melhorar a aceleração e reduzir o desgaste ao longo do tempo.
Os auxiliares de montagem apoiam os operadores durante montagens manuais ou semiautomatizadas.
Eles podem manter peças na posição correta durante a fixação, garantir a orientação para que os componentes não sejam instalados incorretamente, guiar fiação ou tubulação e apoiar sequências de montagem com várias etapas.
Em um chão de fábrica movimentado, pequenos erros podem se acumular, por isso os auxiliares de montagem são frequentemente projetados de acordo com os princípios do poka-yoke (“à prova de erros” em japonês) para impedir fisicamente montagens incorretas, em vez de depender da memória do operador ou de listas de verificação.
Os dispositivos de montagem usinados costumam ser superdimensionados para a carga que normalmente suportam. A manufatura aditiva facilita o projeto de ferramentas leves e ergonômicas, adaptadas à geometria exata da peça, economizando tempo, custo de materiais e fadiga do operador.
Um exemplo é a alça da ferramenta de travamento do pilar A da Valiant, produzida com a tecnologia P3™ e o material Dura56 na Origin® One. Ao imprimir a ferramenta em 3D, a Valiant reduziu os custos de produção em 78%, ao mesmo tempo em que melhorou a ergonomia com um manuseio mais suave e confortável para os operadores que utilizam a ferramenta repetidamente na linha de montagem.
As ferramentas de conformação incluem mandíbulas flexíveis, ferramentas de dobra, dispositivos de corte, moldes de laminação, ferramentas de termoformagem e outros auxílios para modelagem de peças.
Na produção de alto volume, as ferramentas de aço temperado ainda fazem sentido, pois são projetadas para milhões de ciclos. Mas nem todo trabalho é realizado nessa escala e, para tiragens curtas, ferramentas de transição, transições de protótipo para produção ou programas com geometria em evolução, a usinagem de ferramentas totalmente temperadas pode consumir tempo e orçamento.
A manufatura aditiva é cada vez mais utilizada para:
A impressão 3D é uma alternativa atraente, graças à velocidade, à capacidade de adaptar com precisão a geometria das ferramentas à peça, de realizar iterações rapidamente e de evitar um investimento excessivo em ferramentas de metal logo no início. Por exemplo, a Subaru utilizou a impressão 3D para reduzir o tempo de desenvolvimento de ferramentas em 50%.
Os auxílios à fabricação são utilizados nas etapas de montagem, usinagem, inspeção, soldagem, embalagem, manuseio de materiais e automação robótica. Essas ferramentas garantem a repetibilidade, reduzem o desperdício, controlam o tempo de ciclo e mantêm a produção funcionando sem interrupções no chão de fábrica. Quando produzidos por manufatura aditiva, podem ser entregues mais rapidamente e adaptados com agilidade à medida que as necessidades de produção evoluem.
Na linha de montagem, a repetibilidade é fundamental. Gabaritos e dispositivos de fixação posicionam as peças de maneira consistente para que os operadores possam aparafusar, colar ou montar componentes sem precisar adivinhar. Quando as peças são fixadas corretamente, o tempo de ciclo se estabiliza e a variação diminui.
O desafio da usinagem tradicional é a velocidade. Se uma nova variante de produto for lançada ou um padrão de furos for alterado, o dispositivo de fixação pode precisar ser retrabalhado ou substituído. A manufatura aditiva permite que os auxílios de montagem e dispositivos de fixação sejam atualizados rapidamente, reduzindo o tempo de inatividade e mantendo a linha em movimento.
Dispositivos de verificação e medidores confirmam se as peças atendem aos requisitos dimensionais. Quando as ferramentas de inspeção demoram a ficar prontas, a validação fica mais lenta e as primeiras séries de produção dependem mais da medição manual.
Com a manufatura aditiva, é possível produzir dispositivos de inspeção em dias, em vez de semanas, mesmo aqueles com geometrias complexas. Isso leva a uma validação mais rápida, grande consistência e detecção mais precoce de problemas dimensionais. No caso da Valeo, o tempo de inspeção foi reduzido de 25 minutos para apenas 20 segundos.
Os dispositivos de fixação e os gabaritos rígidos mantêm as peças na posição correta durante a soldagem ou a colagem. Se as peças se deslocarem ou ficarem posicionadas incorretamente, isso resulta em distorção, desalinhamento e retrabalho.
Os gabaritos tradicionais soldados ou usinados são duráveis, mas costumam ser pesados e demorados de produzir. As ferramentas de posicionamento impressas em 3D podem ser fabricadas muito mais rapidamente e são projetadas para serem mais leves e fáceis de manusear.
Para trabalhos de fabricação de baixo a médio volume, isso ajuda a reduzir o tempo de configuração e a controlar os custos de ferramentas, mantendo a precisão.
Mesmo em oficinas voltadas para a usinagem, os auxílios de fabricação desempenham um papel fundamental. Mandíbulas macias, gabaritos de perfuração e dispositivos de fixação personalizados mantêm as peças estáveis durante a usinagem CNC e as operações secundárias. Quando essas ferramentas demoram a chegar, as máquinas ficam ociosas ou os operadores precisam improvisar.
A manufatura aditiva permite que garras macias e guias de perfuração sejam produzidas rapidamente, muitas vezes em dias, em vez de semanas. Isso libera a capacidade das máquinas CNC para a produção de peças, em vez de ferramentas internas, e ajuda a reduzir gargalos.
Os acessórios de fabricação também são utilizados entre os processos, como bandejas personalizadas, organizadores e suportes que protegem as peças durante o manuseio de materiais, o transporte e a embalagem.
A manufatura aditiva facilita a produção de suportes leves e personalizados que se adaptam à geometria exata da peça. Isso melhora a proteção e reduz o desperdício.
Em células automatizadas, as ferramentas de ponta de braço (EOAT) precisam segurar as peças com segurança e repetir o mesmo movimento milhares de vezes por dia.
Tradicionalmente, as EOAT são usinadas em alumínio, o que funciona bem, mas pode ser mais pesado do que o necessário. A manufatura aditiva permite que a ferramenta seja moldada exatamente de acordo com a peça e, muitas vezes, torne-se mais leve.
Uma ferramenta mais leve reduz a carga sobre o robô. Em células mais rápidas, isso pode ajudar a melhorar o movimento e reduzir o desgaste do sistema ao longo do tempo.
Os recursos auxiliares de fabricação modernos impressos em 3D aumentam a eficiência da produção, melhoram a precisão, reduzem erros humanos, aumentam a segurança, diminuem os custos com ferramentas e permitem uma adaptação mais rápida às mudanças no projeto.
Não estamos sugerindo que você substitua todas as ferramentas usinadas no chão de fábrica; o aço temperado e o alumínio ainda fazem sentido para aplicações de alto volume, alta temperatura ou carga extrema. Mas, com a manufatura aditiva, em vez de proteger a ferramenta porque levou seis semanas para ser obtida, você pode dedicar algumas horas para aperfeiçoá-la, de modo que funcione melhor e se encaixe melhor. Leia sobre os desafios mais comuns relacionados a ferramentas e como a manufatura aditiva os resolve.
Os meios auxiliares de fabricação afetam diretamente o tempo de ciclo, o tempo de configuração e a velocidade de troca. Quando as ferramentas chegam mais rápido e são mais fáceis de manusear, a produção avança mais cedo e para com menos frequência.
A manufatura aditiva reduz os prazos de entrega das ferramentas de semanas para dias em muitas aplicações. Isso significa que o lançamento de novos produtos ocorre mais rapidamente, os gargalos de produção são eliminados mais cedo e as equipes não ficam esperando pela oficina mecânica para poderem seguir em frente.
Gabaritos, dispositivos de fixação e dispositivos de verificação bem projetados melhoram a repetibilidade ao controlar como uma peça é posicionada e processada. Quando a ferramenta define o processo, a variação diminui.
A manufatura aditiva facilita a integração de recursos de localização, guias de alinhamento e geometria específica da peça diretamente na ferramenta. O resultado são peças mais consistentes, menos surpresas dimensionais e redução do refugo.
Em um chão de fábrica movimentado, pequenos erros se acumulam rapidamente. Ajudas de montagem e dispositivos de fixação podem ser projetados para impedir fisicamente a orientação ou sequência incorreta, em vez de depender da memória ou de listas de verificação.
Ao incorporar a prevenção de erros na própria ferramenta, você reduz o retrabalho, evita defeitos em etapas posteriores e protege sua produtividade.
Ferramentas usinadas tradicionais costumam ser mais pesadas do que o necessário. Com o tempo, levantar e reposicionar dispositivos de fixação pesados contribui para a fadiga do operador e o risco de lesões.
Ferramentas leves produzidas por manufatura aditiva reduzem o esforço durante o manuseio de materiais e as trocas de peça. Recursos ergonômicos podem ser projetados diretamente na ferramenta, melhorando o conforto e promovendo fluxos de trabalho mais seguros para sua equipe.
As ferramentas tradicionais geralmente envolvem usinagem de metal maciço, terceirização e longas filas de fornecedores. Tudo isso se traduz em alto investimento inicial e longos prazos de entrega.
Quando a Valeo imprimiu em 3D seus dispositivos de inspeção, reduziu o tempo de inspeção em 98,7%, diminuiu os prazos de entrega de 12 semanas para 2 e economizou US$ 10.000 por dispositivo em comparação com os dispositivos usinados em alumínio.
A manufatura aditiva reduz o desperdício de material e facilita a produção de muitos auxílios de fabricação inteiramente em casa. As empresas frequentemente relatam reduções nos custos de ferramentas de até 70% e redução dos prazos de entrega de semanas para dias.
A usinagem impõe restrições geométricas. Canais internos, formas orgânicas e componentes integrados são difíceis, onerosos ou simplesmente impossíveis de produzir. Além disso, muitas vezes é necessário montar várias peças usinadas para formar uma ferramenta final.
A manufatura aditiva elimina muitas dessas restrições. As ferramentas podem ser otimizadas quanto ao peso, rigidez e ergonomia, em vez de serem projetadas em função das limitações da usinagem. Em muitos casos, vários componentes podem ser consolidados em uma única peça impressa, reduzindo o tempo de montagem e os possíveis pontos de falha.
Quando a geometria da peça muda, as ferramentas podem ser atualizadas rapidamente sem o desperdício de metal caro. Softwares como o FixtureMate também ajudam a automatizar o projeto de fixações personalizadas, agilizando a criação de ferramentas prontas para produção, adaptadas a peças e fluxos de trabalho específicos.
Uma das maiores objeções à fabricação aditiva de ferramentas é a resistência do material ou outras propriedades especiais dos materiais. Na realidade, nem toda aplicação de ferramentas exige alumínio ou aço. Muitos auxiliares de fabricação são orientados pela rigidez, e não pela resistência máxima, e polímeros de grau de engenharia e materiais reforçados com fibra de carbono oferecem a rigidez, a resistência ao impacto e a estabilidade térmica necessárias para o uso real no chão de fábrica. O segredo está em escolher o material adequado para a aplicação, em vez de recorrer automaticamente ao metal.
Materiais especiais avançados também ampliaram as possibilidades de uso das ferramentas de fabricação aditiva. Materiais seguros para alimentos, biocompatíveis, retardantes de chamas, à prova de ESD, resistentes a produtos químicos e para altas temperaturas permitem que as ferramentas impressas em 3D atendam a ambientes de fabricação mais regulamentados e exigentes, incluindo os setores médico, eletrônico, aeroespacial e de produção de alimentos.
Ferramentas impressas em 3D podem ser produzidas utilizando uma ampla gama de materiais, incluindo termoplásticos padrão, polímeros de engenharia, compósitos de alto desempenho, materiais flexíveis e resinas de produção. A escolha do melhor material depende da carga mecânica, da exposição à temperatura, da resistência química e da durabilidade exigida no chão de fábrica.
A tecnologia SAF™ também é utilizada para ferramentas de nível de produção. A Delkor reduziu os custos de produção de ferramentas em 60% e alcançou um tempo de produção de peças 50% mais rápido utilizando componentes de ferramentas de embalagem produzidos com a tecnologia SAF, mantendo a durabilidade necessária para ambientes de produção.
Os termoplásticos padrão costumam ser ideais para auxiliares de fabricação para serviços leves.
Materiais como ABS, ASA ou nylons padrão são comumente utilizados para auxiliares de montagem, gabaritos de furação para cargas moderadas, modelos e padrões rígidos, dispositivos básicos de verificação e guias de corte e fresagem.
Para ferramentas submetidas a tensões mecânicas limitadas e baixa exposição ao calor, os termoplásticos padrão são mais do que adequados, oferecem tempos de fabricação rápidos, menor custo de material e são bem adequados para tiragens curtas ou programas em evolução.
Com a tecnologia FDM, você obtém polímeros de grau de engenharia, como nylons reforçados com Nylon 12CF, e outros materiais que a tornam uma alternativa séria à usinagem tradicional. Eles apresentam altas relações rigidez/peso, forte resistência ao impacto, bom desempenho à fadiga, resistência química e excelente estabilidade dimensional.
Isso torna esses materiais particularmente adequados para dispositivos de fixação de peças, dispositivos de montagem estrutural, garras macias para CNC, gabaritos de perfuração para produção ou auxiliares de fabricação de grande formato.
Em muitas aplicações documentadas de ferramentas, as empresas relatam redução de custos de até 70% e redução do tempo de entrega de semanas para dias ao substituir dispositivos de alumínio usinados por alternativas produzidas por FDM.
Para a maioria das ferramentas estruturais que não ficam próximas a um forno ou a um processo de cura em alta temperatura, essa categoria abrange uma ampla gama de casos de uso.
Quando o calor, a exposição a produtos químicos ou o estresse mecânico aumentam, os termoplásticos de alto desempenho mostram toda a sua utilidade. Materiais como resina e polímeros avançados de alto desempenho oferecem altas temperaturas de deflexão térmica, propriedades mecânicas robustas, excelente resistência química e durabilidade a longo prazo.
Isso os torna ideais para o chão de fábrica, especialmente para:
Os materiais compósitos, e os polímeros reforçados com fibra de carbono em particular, são amplamente utilizados na fabricação aditiva de ferramentas devido à sua rigidez. Eles estão sendo cada vez mais escolhidos para dispositivos de fixação de peças de grandes dimensões, ferramentas de grande envergadura, EOAT e garras robóticas, graças à sua excelente rigidez, deflexão reduzida e economia significativa de peso em relação ao metal.
Quando a rigidez é mais importante do que a resistência máxima, os compósitos costumam ser a melhor opção de material.
Materiais flexíveis são utilizados quando as ferramentas exigem conformidade controlada em vez de contato rígido. Eles são comumente aplicados em almofadas de garras, interfaces de proteção e superfícies de contato com peças, onde os componentes acabados podem ser arranhados ou danificados.
Ao absorver vibrações e distribuir a pressão de maneira mais uniforme, esses materiais ajudam a reduzir defeitos estéticos e refugo. Materiais duráveis como o ToughONE para PolyJet combinam detalhes finos com maior resistência, enquanto os materiais elastoméricos P3™, como o P3 Stretch™ 80, oferecem suporte a auxiliares de fabricação flexíveis e aplicações de ferramentas com toque suave.
A Valiant utilizou o P3 Stretch 80 para produzir componentes flexíveis de ferramentas que aumentaram a agilidade no chão de fábrica, ao mesmo tempo em que reduziram os prazos de entrega e os custos de ferramentas em comparação com os métodos tradicionais de fabricação.
As resinas de produção e os fotopolímeros são utilizados quando o acabamento superficial e a precisão dimensional são fundamentais. Eles são ideais para dispositivos de inspeção, medidores de verificação, guias de perfuração para detalhes finos e ferramentas que precisam validar geometrias complexas.
Os materiais P3™ também são utilizados para ferramentas que exigem superfícies lisas, alta precisão e peças resistentes ou rígidas. Isso os torna adequados para aplicações de fabricação e montagem precisas, nas quais tanto a aparência quanto o desempenho são importantes.
Sistemas de alta resolução, como plataformas SLA industriais, podem produzir ferramentas grandes e precisas com superfícies lisas e tolerâncias estreitas. Em aplicações de inspeção de qualidade, esse nível de detalhe e repetibilidade costuma ser mais importante do que a resistência estrutural máxima.
