Como justificar o investimento em uma Prensa-Servo?
Por: Dennis Boerger - Aida-America Corp., Dayton, OH: 937/237-2382, www.aida-global.com
Apresentamos aqui, o problema que enfrenta nosso gerente de produção fictício: os níveis de negócios estão muito bons e ficamos sem capacidade nas nossas prensas. A diretoria tem a ideia de comprar uma ou mais prensas adicionais para atender aos compromissos de produção. Ao desenvolver um orçamento para justificar o investimento, chegamos a uma encruzilhada.
Historicamente, sempre procuramos adquirir prensas mecânicas ou hidráulicas de boa qualidade, mas recentemente tomamos contato com a tecnologia das prensas-servo e precisamos decidir se é adequada à nossa empresa. Ainda que a tecnologia-servo aumente o investimento inicial, talvez possamos recuperá-lo em um prazo razoável com as reduções de custos a serem obtidas, como resultado do uso de tal tecnologia.
Os ganhos á que nos referimos, especificamente são:
1) Aumento do PPM (Peças por Minuto)
Como o servo-acionamento fornece a capacidade de controlar a velocidade de deslocamento da prensa em qualquer ponto do curso, podemos aumentar significativamente a velocidade do ciclo enquanto retardamos a velocidade do martelo durante a conformação. Isso nos permite aumentar a taxa de ciclos por minuto, enquanto trabalhamos o material a uma velocidade mais lenta do que experimentaríamos com um movimento excêntrico padrão, com acionamento por volante, eixo excêntrico e biela (Fig. 1).
Também podemos operar a prensa-servo com um movimento tipo pêndulo (Fig. 2), configurando o programa para usar apenas a parte inferior do curso da prensa, girando o eixo ou as engrenagens excêntricas para frente e para trás. O movimento do pêndulo fornece a capacidade de alternar de uma operação de conformação pesada de longo curso para uma conformação leve de curso curto, utilizando-se a mesma prensa e garantindo a velocidade de conformação ideal, para qualquer operação de estampagem.
O servo-acionamento fornece a capacidade de controlar a velocidade do martelo da prensa em qualquer ponto do curso, permitindo aumentar a velocidade dos deslocamentos em vazio, enquanto trabalha o material a uma velocidade mais lenta do que com um movimento excêntrico padrão (Fig. 1). Uma prensa-servo também pode operar com um movimento tipo pêndulo (Fig. 2), usando apenas a parte inferior do curso da prensa, acionando engrenagens excêntricas para frente e para trás.
2) Melhoria da qualidade do produto e redução dos custos de ferramental
A transição para aços de alta resistência e materiais exóticos difíceis de conformar na indústria automotiva e outras indústrias, forçou a indústria de conformação de metais - inclusive os fabricantes de prensas - a evoluir.
Esses materiais são mais resistentes e duros do que os aços convencionais aos quais eles estão substituindo, exigindo que os fabricantes aumentem a tonelagem e os tamanhos das mesas das prensas, para acomodar as ferramentas mais complexas, necessárias para produzir peças satisfatórias. Mesmo com esses incrementos das prensas, muitas vezes ainda permanece difícil, se não impossível, produzir peças que atendam aos requisitos de forma e tolerância, definidos pelos clientes.
À medida que a tonelagem da prensa e o tamanho da mesa aumentam, o mesmo ocorre com o preço de compra do equipamento. Por exemplo, um fabricante de componentes automotivos, solucionou esse problema alterando o processo de uma peça difícil e com problemas crônicos de qualidade, de uma prensa mecânica de 1.200 toneladas para uma prensa-servo de 800 toneladas. O ciclo foi programado para que o martelo executasse três golpes em sucessão rápida no PMI (Ponto Morto Inferior). Este procedimento mostrou-se muito mais efetivo na obtenção da qualidade do produto do que estampar com mais tonelagem ou adicionar estações de calibragem ao ferramental (Figuras 3-4). A eliminação das estações de calibragem ao ferramental, reduziu a tonelagem total necessária e permitiu o uso de uma mesa de prensa mais curta, minimizando o custo da prensa e das ferramentas.
Fig. 3 e 4 - Ciclo programado para que o martelo execute três golpes em sucessão rápida no PMI (Ponto Morto Inferior).
3) Redução do custo de Matéria-prima
Os problemas do processo de conformação de chapas metálicas, geralmente obrigam que as especificações da matéria-prima se tornem mais restritas e, como resultado, o preço do material aumenta. O curso programável de uma prensa-servo, geralmente permite que os fabricantes trabalhem com especificações mais abertas de sua matéria-prima, conseguindo economias significativas de custos. Em um caso, um produtor automotivo da América do Norte instalou uma linha de quatro prensas-servo para produzir componentes da suspensão e carroceria e teve uma queda nos custos das matérias-primas como resultado (Fig. 5).
Fig. 5- Um fabricante do mercado automotivo norte-americano que instalou esta linha de quatro prensas-servo conseguiu abrir as especificações de sua matéria-prima e teve uma queda nos custos dos materiais, como resultado.
4) Redução dos custos de manutenção
A capacidade de controlar a velocidade durante o curso, mais especificamente, durante a parcela de trabalho do curso da prensa, permite se reduza o choque e a vibração associados às operações de conformação de metais. Reduzir a velocidade do punção durante a conformação também reduz significativamente a geração de calor, com uma melhoria correspondente na vida da ferramenta.
Considere a ferramenta de corte mostrada na Fig. 6. Quando utilizada em uma prensa mecânica convencional, a operação requer 114 toneladas e resulta em quase 14 toneladas de carga reversa. O nível de ruído excede á 101 dB. Levando-se esta ferramenta para uma prensa, permitiu-se o uso de um perfil silencioso de corte, o que reduziu a tonelagem em 8%, a carga reversa em 72% e o nível de ruído para 75 dB. Como resultado, a vida da ferramenta mais do que dobrou e os efeitos negativos da tonelagem reversa foram quase eliminados.
Além disso, eliminar o volante e o motor principal, bem como o mecanismo de freio-fricção, reduz o custo de manutenção da prensa, já que estamos eliminando componentes de desgaste, como o'rings, selos e discos de fricção.
Fig. 6 - Mover esta ferramenta de corte para uma prensa servo-acionada permitiu o uso de um perfil de corte silencioso do movimento do martelo, que reduziu a tonelagem em 8%, a carga reversa em 72% e o nível de ruído de mais de 100 dB para apenas 75 dB. Como resultado, a vida da ferramenta mais do que dobrou e os efeitos negativos da tonelagem reversa foram quase eliminados.
5) Operações Adicionais ou Secundárias Reduzidas ou Eliminadas
A capacidade de programar o movimento do martelo e incorporar operações secundárias na primeira operação proporciona aos usuários de prensas-servo, economias significativas. As montagens na própria ferramenta, rosqueamento e soldagem tornam-se muito mais práticas em uma prensa-servo porque o tempo necessário para estas operações pode ser programado em todos os ciclos da prensa.
Os fabricantes também podem eliminar operações de recozimento após a estampagem, em processos com prensas-servo, devido aos programas precisos de velocidade utilizados para formar aços de alta resistência ou materiais exóticos, como ligas de magnésio e titânio, ligas de Inconel e até mesmo alguns graus de alumínio de alta resistência. Muitas vezes, reduzir a velocidade de formação reduz o aquecimento do material que está sendo trabalhado, o que limita o endurecimento do material e melhora a conformabilidade. No entanto, em outros casos, a adição de elementos de aquecimento na matriz e um tempo programado no ciclo da prensa, permitem o aquecimento do material que está sendo conformado, o que pode melhorar significativamente a estampabilidade.
6) Redução do consumo de energia
Ao aplicar bancos de capacitores devidamente dimensionados a um sistema de controle de servo-acionamento, os fabricantes usuários de prensas-servo, podem reduzir significativamente o consumo de energia, de 10% a 50%, ou mais.
No gráfico de acompanhamento da distribuição de carga de uma prensa-servo (Fig. 7), a linha azul claro, representa a posição do curso da prensa e a linha azul escuro representa a energia necessária para formar a peça. A linha verde mostra a energia extraída da rede principal da fábrica. A energia residual consumida vem de capacitores recarregados durante a parte não trabalhada do ciclo da prensa. Neste exemplo, o pico de carga na rede principal da fábrica é reduzido em 67%. Isto comparado a uma prensa mecânica padrão que continua a consumir uma grande quantidade de energia durante a parcela não trabalhada do ciclo, uma vez que o motor principal trabalha arduamente para que o volante volte a acelerar entre os ciclos, representa significativa economia de energia elétrica.
Fig. 7 - Aplicando grande capacitância a um sistema de controle de servo-acionamento, pode-se reduzir significativamente o consumo de energia, entre 10 a 50 por cento, ou mais. Neste exemplo, o pico de carga na linha principal da fábrica é reduzido em 67%.
7) Trabalhando com as peças "difíceis"
Muitos fabricantes mudam a produção de todos os seus trabalhos mais difíceis para as prensas-servo. Como resultado, muitas vezes, produtos "perdedores" transformam-se em "vencedores", desfrutando de uma taxa de rejeição reduzida e aumento de PPM (Peças por Minuto), ou seja, maior produtividade. Some-se isso um benefício adicional: a liberação de capacidade produtiva nas prensas convencionais, para os trabalhos mais fáceis.
Um fabricante proprietário de prensas-servo notou recentemente, que está ganhando concorrências para usa empresa, devido ao declínio por parte dos seus concorrentes, que julgam o trabalho muito difícil e não apresentam orçamentos competitivos.
8) Aumento da flexibilidade produtiva ampliando oportunidades em novos produtos e mercados
O aumento do uso de aços de alta resistência, ligas de alumínio e materiais exóticos, são um bom sinal para fabricantes que investem em prensas-servo. Fabricantes tradicionalmente focados na indústria automotiva podem ampliar sua capacidade com o uso de prensas-servo e ampliar sua atuação em outros mercados. Da mesma forma, aqueles que se concentram no mercado de eletrodomésticos podem arriscar-se no mercado automotivo, devido à flexibilidade das prensas-servo.
De volta ao início da questão ...
Após nossa investigação sobre a tecnologia das prensas-servo, chegamos a uma conclusão: toda operação de estampagem é diferente e nem todos os trabalhos de conformação de metal, funcionarão melhor em uma prensa-servo, mas a grande maioria, irá. As prensas-servo tem flexibilidade para atender quase todas as dificuldades encontradas durante a conformação dos metais. Uma prova disso é o número de usuários de prensas-servo que compram uma segunda ou terceira prensa, depois de terem adquirido experiência com sua primeira máquina.
Vemos a tecnologia das prensas-servo como a onda do presente e do futuro próximo, e acreditamos que aqueles que acreditarem e se moverem neste sentido, terão uma vantagem competitiva no mercado de estampagem de metais. Nós vamos fazer o movimento!