Usinagem CNC sem supervisão: como funciona a fresagem autônoma e quando compensa

Uma máquina-ferramenta que só funciona enquanto há pessoas no edifício fica inativa durante a maior parte da sua vida útil. Um único turno com pessoal cobre cerca de 40 horas de uma semana de 168 horas, pelo que aproximadamente três quartos do calendário decorrem com um fuso dispendioso sem fazer nada. A maquinação «lights-out» consiste em colmatar essa lacuna, operando máquinas CNC sem supervisão, normalmente durante a noite e aos fins de semana.

O nome é literal. Se não houver ninguém no edifício, as luzes podem estar apagadas. Mas o que é interessante não é o equipamento de automação. É a disciplina de processo que tem de existir para que se possa confiar numa máquina para funcionar durante oito horas sem supervisão, e é essa disciplina que distingue as fábricas que funcionam verdadeiramente sem supervisão das que apenas possuem um robô.

O que significa, na prática, a maquinação CNC «lights-out»

A maquinação sem supervisão é um espectro, e não uma capacidade única, e as oficinas referem-se a conceitos muito diferentes quando utilizam a mesma expressão. É útil especificar qual o nível que está a ser discutido.

A maioria das oficinas que funcionam sem supervisão opera nos níveis um e dois, em vez dos níveis três e quatro. Isso é importante quando se avalia um fornecedor, porque um torno alimentado por barras que funciona durante a noite e uma célula com várias máquinas operadas por robôs oferecem resultados muito diferentes. O primeiro aumenta a capacidade de produção de uma família de peças. O segundo altera a rentabilidade de toda a oficina.

Como uma célula de fresagem automatizada funciona durante o turno da noite

Vale a pena compreender esta sequência, porque cada passo representa um ponto em que a execução pode falhar.

1. Antes de os operadores saírem, a célula é carregada. As peças em bruto são colocadas no carregador do robô ou os dispositivos de fixação são montados em paletes. Os carregadores de ferramentas são verificados e qualquer ferramenta que esteja a chegar ao fim da sua vida útil é substituída.
2. O controlo verifica se as ferramentas chamadas pelo programa estão presentes, se os deslocamentos estão atualizados e se os níveis de líquido de arrefecimento são suficientes para o tempo de execução previsto.
3. O robô ou o trocador de paletes carrega a primeira peça. Uma sonda do fuso localiza-a e define o desvio de trabalho com base na peça real, em vez de numa posição presumida.
4. O programa é executado. A carga do fuso e os contadores de vida útil das ferramentas são monitorizados continuamente, e um sistema de ajuste de ferramentas a laser ou um sensor de contacto verifica as ferramentas críticas entre operações.
5. Se uma ferramenta atingir o fim da sua vida útil, o sistema passa a utilizar uma ferramenta idêntica já carregada no carregador e continua a funcionar sem parar.
6. A peça acabada é descarregada, muitas vezes após uma etapa de lavagem, e a próxima peça em bruto é carregada. O ciclo repete-se.
7. Se algo ultrapassar os limites, a máquina pára num estado seguro e envia um alerta. Não continua a cortar e a esperar.

O terceiro passo é aquele que as pessoas subestimam. Tudo o que se segue depende da localização precisa da peça sem a intervenção do olho humano, razão pela qual a sondagem e uma prática de configuração rigorosa são mais importantes numa célula automatizada do que numa célula operada por pessoal. O nosso guia para Configuração da máquina CNC aborda a prática subjacente da qual a automatização depende.

As tecnologias que tornam possível o funcionamento sem supervisão

Gestão da vida útil das ferramentas e ferramentas equivalentes

Uma ferramenta que se desgasta às 2 da manhã, sem que haja ninguém presente, continuará a cortar mal até que algo se parta. A solução é a gestão da vida útil das ferramentas: o sistema de controlo regista o tempo de corte ou o número de peças para cada ferramenta e muda automaticamente para uma duplicada, frequentemente designada por «ferramenta irmã», quando é atingido um limiar pré-definido.

Isto tem consequências para a programação. Um trabalho não supervisionado requer que as ferramentas sejam carregadas duas vezes no carregador, o que significa que este tem de ser suficientemente grande para armazenar o programa duas vezes para as ferramentas críticas. Significa também que os dados relativos à vida útil das ferramentas têm de ser reais. Um limiar estimado, em vez de medido, não constitui uma proteção, mas sim um atraso antes da ocorrência da mesma falha.

Detecção de quebras e análise durante o processo

A deteção de quebra de ferramentas identifica as falhas que a gestão da vida útil das ferramentas não consegue prever. Os sistemas de ajuste de ferramentas a laser medem cada ferramenta entre operações, a monitorização da carga do fuso sinaliza quando uma fresa consome mais corrente do que o normal e alguns sistemas detetam a assinatura acústica de uma quebra.

A medição durante o processo vai mais além. Uma sonda no fuso pode localizar a peça antes do corte, verificar uma dimensão crítica a meio do programa e aplicar automaticamente uma correção de desvio. Numa operação prolongada sem supervisão, isto também compensa o desvio dimensional gradual resultante do desgaste da ferramenta e do facto de a máquina atingir o equilíbrio térmico, o que constitui uma vantagem genuína das operações longas e contínuas, em vez de um problema associado às mesmas.

Gestão de limalhas e líquido de arrefecimento

A causa mais comum de uma falha numa execução autónoma não é uma ferramenta partida. São as limalhas. Um acúmulo de limalhas que se forma à volta de um dispositivo de fixação é recortado, o que parte as ferramentas, estraga os acabamentos e pode compactar-se ao ponto de deslocar uma peça nas suas braçadeiras.

Por conseguinte, um funcionamento autónomo fiável depende de um líquido de arrefecimento de alta pressão que atravessa o fuso para remover as limalhas das cavidades e dos furos profundos, de um transportador de limalhas dimensionado para o volume produzido, da monitorização do nível e da concentração do líquido de arrefecimento com reabastecimento automático e de uma geometria do dispositivo de fixação que permita que as limalhas caiam em vez de se acumularem. A supressão de incêndios é também um requisito essencial e não um extra opcional, especialmente quando estão envolvidos fluidos de arrefecimento à base de óleo e aparas finas.

Monitorização e alertas

Os sistemas de monitorização de máquinas comunicam o estado remotamente, pelo que se fica a saber imediatamente que uma máquina está parada, em vez de se descobrir isso só de manhã. As câmaras no interior do recinto permitem que alguém confirme o que aconteceu antes de se deslocar até ao local. O objetivo não é resolver os problemas remotamente, mas sim reduzir o tempo entre uma paragem e o reinício.

A fixação é a verdadeira limitação

O hardware de automação chama a atenção, mas são os dispositivos de fixação que, normalmente, determinam se uma peça pode ou não ser produzida sem supervisão. Um dispositivo de fixação para uma célula sem supervisão tem de desempenhar várias funções que um dispositivo de fixação com supervisão humana não tem de desempenhar.

• Manter a força de fixação durante todo o processo, sem necessidade de ajustes. Qualquer coisa que ceda ao longo das horas fará com que a peça se desloque.
• Localizar de forma repetível no mesmo ponto zero em cada ciclo, razão pela qual os sistemas de ponto zero e de troca rápida são comuns nas células automatizadas.
• Apresente a peça de forma a que um robô a possa agarrar e soltar de forma consistente, com chanfros de entrada e características de orientação claras.
• É melhor deixar as limalhas caírem do que as recolher. Os recantos horizontais e os rebaixos virados para cima enchem-se de limalhas e transformam-se em armadilhas para as mesmas.
• Permita que a peça acabada seja removida sem que seja necessário a intervenção humana para a soltar, o que exclui qualquer procedimento que exija uma batida ou uma torção.

É por isso que a produção automatizada começa normalmente com um projeto de fixação, em vez de com a aquisição de uma máquina. Se estiver a analisar estes princípios, os nossos artigos sobre concepção de gabaritos de perfuração e em escolher entre gabaritos de modelo e gabaritos de canal abordar os conceitos básicos e dedicar-se a serviços de conceção de gabaritos e dispositivos de fixação existem precisamente porque a instalação é, muitas vezes, a parte mais difícil do problema.

Que peças e materiais são adequados para a produção sem supervisão?

O sistema «Lights-out» não é uma capacidade geral aplicável a tudo o que uma oficina produz. É adequado a um perfil específico de trabalho.

A linha relativa aos materiais merece uma explicação. A vida útil das ferramentas em titânio e ligas de níquel é mais curta e menos previsível do que no alumínio, pelo que o intervalo entre intervenções é curto e a confiança num determinado limiar de vida útil da ferramenta é menor. Isso não torna impossível o funcionamento sem supervisão nestes materiais, mas significa que a duração da operação diminui e que a monitorização tem de ser mais rigorosa.

A redução do número de configurações também contribui para isso, o que constitui um dos argumentos práticos a favor da maquinagem multieixos numa célula automatizada. A nossa comparação de Maquinação CNC de 5 e 3 eixos explica por que razão a eliminação das configurações justifica o custo mais elevado da máquina.

Será que o plano financeiro é realmente viável?

A economia do sistema «lights-out» é frequentemente explicada como uma poupança de mão-de-obra, o que é enganador. A poupança não reside nos salários, mas sim na utilização: a mesma máquina, os mesmos operadores e as mesmas despesas gerais produzem mais peças por ano, porque o equipamento funciona durante horas em que, de outra forma, ficaria inativo.

Uma forma prática de verificar se está correto:

• Calcule as horas de funcionamento adicionais por ano que a automatização proporcionaria, de forma realista, e não o máximo teórico. Tenha em conta as noites em que a célula não está em funcionamento.
• Multiplique por a contribuição que cada hora de funcionamento da máquina gera, ou seja, a receita menos o custo variável da sua exploração.
• Compare isso com o custo total de chegar a esse ponto: hardware de automação, dispositivos de fixação, ferramentas duplicadas, tempo de programação e as horas de engenharia gastas a testar cada programa até atingir o padrão de funcionamento autónomo.

A terceira linha é aquela que é subestimada. O hardware é uma aquisição. O trabalho de processamento é um projeto e repete-se para cada nova família de peças que entra na célula. É por isso que o sistema «lights-out» apresenta bons resultados em trabalhos repetitivos e estáveis e maus resultados numa combinação em constante mudança de peças únicas.

Existe um segundo benefício que é mais difícil de quantificar, mas que é real. As peças fabricadas numa única série contínua, numa máquina em equilíbrio térmico estável, com o mesmo dispositivo de fixação e sem variações entre operadores, tendem a ser mais consistentes do que as mesmas peças fabricadas ao longo de vários turnos com pessoal. A consistência resulta do controlo do processo e não do facto de as luzes estarem apagadas, mas as células automatizadas garantem o controlo do processo por definição.

As limitações de que raramente se fala

• Uma falha no início de um ciclo prolongado desperdiça todo o período de funcionamento. Uma célula que pára na segunda hora de um ciclo de dez horas terá produzido durante duas horas, pelo que a fiabilidade é mais importante do que a velocidade.
• A variação da matéria-prima é um risco subestimado. Um programa executado sem supervisão parte do princípio de que a peça se encontra dentro de um intervalo de dimensões conhecido, e o material que chega com dimensões superiores ou inferiores às previstas pode danificar a ferramenta ou deixar a peça por cortar.
• O primeiro artigo ainda tem de ser inspecionado por uma pessoa. A automatização não elimina a necessidade de verificação, apenas altera o momento em que esta ocorre.
• É necessário comprovar que os programas foram frequentados antes de os deixar a funcionar de forma autónoma. Qualquer oficina que ignore este passo não está a praticar o «lights-out», está a arriscar.
• Nem todas as peças merecem ser automatizadas. O esforço de engenharia necessário para tornar uma peça apta para produção sem supervisão só compensa se houver um número suficiente de repetições.

O que isto significa se estiver a comprar peças maquinadas

Para um comprador, a automatização só é interessante na medida em que altera o que recebe. Geralmente, tem três efeitos:

• Prazos de entrega mais curtos nas encomendas recorrentes, uma vez que existe capacidade fora do horário de trabalho do pessoal.
• Maior consistência entre peças dentro de um lote, uma vez que o processo decorre sob um único conjunto de condições.
• Maior estabilidade de custos em termos de volume de produção, uma vez que o fornecedor não paga um prémio por turno para aumentar a capacidade.

As perguntas que vale a pena fazer a um fornecedor devem ser específicas, em vez de gerais. A produção decorre de forma autónoma e em que máquinas? Que sistema de monitorização da vida útil das ferramentas e das avarias está implementado? Como é que as peças produzidas durante a noite são verificadas antes do envio? A inspeção do primeiro artigo é aplicada à primeira peça da série ou à primeira peça da encomenda? As respostas permitem-lhe saber se a automatização é uma capacidade real ou apenas uma menção num site.

A questão da verificação é o mais importante. A automatização melhora a consistência, mas também significa que um processo que se desvie das especificações pode produzir uma grande quantidade de peças fora de tolerância antes que alguém se aperceba. É a inspeção dimensional documentada que colmata essa lacuna, e é por isso que práticas de garantia de qualidade e inspeção deveria fazer parte de qualquer discussão sobre produção sem supervisão, em vez de ser um tema à parte.

Decidir se a automatização se enquadra na sua cadeia de abastecimento

A verdade é que a usinagem sem supervisão é uma estratégia de produção, não uma estratégia de qualidade. Reduz os custos e aumenta a capacidade em trabalhos estáveis e repetitivos. Não traz qualquer benefício para um protótipo e pode concentrar riscos se o controlo do processo subjacente for fraco. A pergunta certa a fazer a um fornecedor não é se operam sem supervisão, mas sim se a peça específica que está a adquirir é do tipo que beneficia dessa modalidade.

A Yicen Precision opera mais de 300 máquinas CNC em Shenzhen, abrangendo fresagem multieixos, torneamento, eletroerosão por fio, perfuração e retificação de precisão, mantendo tolerâncias de mais ou menos 0,005 mm, com inspeção por CMM e relatórios de primeiro artigo como padrão em todas as encomendas. A nossa Capacidade de fresagem CNC abrange desde protótipos até volumes de produção, e os nossos engenheiros analisam cada peça para determinar qual a via que melhor se adequa a cada caso. Envie um modelo para Precisão Yicen Indique-nos a sua quantidade anual e entraremos em contacto consigo com recomendações sobre o processo e comentários sobre a conceção com vista à fabricabilidade.

Perguntas frequentes

P: O que é a maquinação CNC «lights-out»?

R: Operação de máquinas CNC sem supervisão, normalmente durante a noite ou aos fins de semana, sem a presença de um operador. Este processo baseia-se no carregamento automatizado, na gestão da vida útil das ferramentas, na deteção de avarias e na monitorização, para que a máquina possa funcionar em segurança e parar automaticamente caso algo corra mal.

P: A usinagem sem supervisão é menos precisa do que a usinagem supervisionada?

R: Normalmente, é o contrário. As peças fabricadas numa única série contínua partilham o mesmo dispositivo de fixação, as mesmas ferramentas e uma máquina em equilíbrio térmico estável, o que reduz a variação. A precisão depende do controlo do processo e da inspeção, e não da presença ou ausência de um operador.

P: Quais são os materiais mais adequados para a produção sem supervisão?

R: Alumínio, latão e aços de fácil usinagem, uma vez que a vida útil das ferramentas é longa e previsível. O titânio e as ligas de níquel são mais difíceis de processar sem supervisão, uma vez que a vida útil das ferramentas é mais curta e mais variável, o que reduz consideravelmente o tempo de funcionamento seguro.

P: O que costuma fazer com que uma execução automática falhe?

R: A gestão das limalhas é mais frequente do que a falha das ferramentas. As limalhas que se acumulam à volta de um dispositivo de fixação são recortadas, partem as ferramentas e podem deslocar a peça. O líquido de arrefecimento a alta pressão, a evacuação adequada das limalhas e dispositivos de fixação que permitam a eliminação das limalhas são as principais medidas de prevenção.

P: A usinagem sem supervisão torna as peças mais baratas?

R: No caso de trabalhos repetitivos e estáveis, sim, porque a máquina produz mais por ano sem necessidade de turnos adicionais. No entanto, isso não reduz o custo dos protótipos ou das peças únicas, em que o esforço de engenharia necessário para tornar um programa apto a funcionar de forma autónoma nunca se compensa.