A maioria dos artigos sobre usinagem sustentável começa por abordar os fusos energeticamente eficientes. Esse não é o ponto de partida correto, porque, para a maioria das peças usinadas, a eletricidade utilizada para as cortar representa uma pequena fração do seu impacto total. O fator dominante é o próprio metal: quanto foi produzido, quanto foi comprado e quanto acabou por se transformar em aparas.
Isto é conveniente, porque significa que a sustentabilidade numa oficina mecânica é, em grande medida, a mesma coisa que o controlo de custos. Os materiais, a energia, o líquido de arrefecimento e as ferramentas são todos itens de custo, e a redução de qualquer um deles melhora ambos os resultados de uma só vez. Vale a pena referir as exceções com franqueza, e este guia também o faz.
Onde é que o impacto se faz realmente sentir
A produção de metal a partir do minério consome uma quantidade enorme de energia. O seu corte posterior, por outro lado, não. A comparação abaixo utiliza valores aproximados publicados relativos à energia incorporada, que variam consoante a fonte, a região e a composição da rede elétrica que alimenta a fundição; por isso, devem ser considerados como ordens de grandeza e não como valores precisos.
| Material | Energia incorporada (aprox.) | Percurso reciclado | Implicações práticas |
| Alumínio primário | Cerca de 200 MJ por kg | A reciclagem poupa cerca de 95 por cento | A recuperação de chips é extremamente importante |
| Aço | Cerca de 20 a 25 MJ por kg | Custo do arco elétrico substancialmente mais baixo | Já é amplamente reciclado |
| Cobre | Cerca de 40 a 60 MJ por kg | Um sistema de reciclagem bem estabelecido | Elevado valor de sucata, separar cuidadosamente |
| Titânio | Várias centenas de MJ por kg | Limitada | De longe, o maior impacto por quilograma |
Daí decorrem duas conclusões. Em primeiro lugar, a reciclagem do alumínio consome cerca de um vigésimo da energia necessária para o produzir a partir do minério; por isso, o que acontece às suas lascas não é um pormenor sem importância. Em segundo lugar, o titânio contém uma ordem de magnitude superior de energia incorporada por quilograma do que o alumínio, o que significa que optar por esta liga quando seria suficiente utilizar uma liga de menor impacto ambiental constitui a decisão ambiental mais importante na maioria dos projetos.
Essa decisão cabe ao designer, não à loja. O nosso guia sobre quais as ligas a utilizar e como se usinam aborda os casos em que cada material merece verdadeiramente o seu lugar e salienta que a substituição do titânio por alumínio de alta resistência, sempre que o desempenho o permita, pode reduzir drasticamente os custos de maquinagem. A poupança ambiental segue a mesma linha.
A utilização dos materiais é o principal fator determinante
A maquinagem é um processo subtrativo, pelo que uma peça acabada é o que resta depois de a maior parte do material em bruto ter sido transformado em aparas. Vale a pena avaliar a relação entre os dois:
Utilização de material = massa da peça acabada ÷ massa do material adquirido
Em peças prismáticas simples, este valor pode ser razoavelmente elevado. Em componentes estruturais com cavidades, é frequentemente muito baixo, com a maior parte de um lingote dispendioso a acabar num contentor de aparas. As peças estruturais para a indústria aeroespacial constituem o caso extremo, em que a massa adquirida pode ser muitas vezes superior à massa final.
Stock «near-net» e planeamento de stock
As respostas práticas não têm grande glamour, mas são eficazes:
- Compre material mais próximo do formato final. Peças em bruto serradas à medida, perfis extrudidos com um formato próximo da peça ou peças forjadas e fundidas «near-net» reduzem, todas elas, o volume que tem de ser removido.
- Organize as peças de forma eficiente na placa, em vez de cortar cada peça em bruto separadamente.
- Padronizar as dimensões das peças em stock numa família de peças, para que os restos de um trabalho se tornem peças em bruto para outro.
- Reduza as dimensões do projeto sempre que a funcionalidade o permitir. Cada milímetro de dimensão total desnecessária tem de ser adquirido, transportado e, posteriormente, removido por usinagem.
- Considere a utilização de peças fabricadas por impressão 3D com formas próximas das finais, aperfeiçoadas por maquinagem, no caso de peças complexas, de baixo volume e de elevado valor. Trata-se de um nicho, mas é verdadeiramente eficiente em termos de consumo de material nos casos em que se aplica.
Segregação e recuperação de chips
As limalhas têm um valor real, e a forma como são manuseadas determina a quantidade desse valor que é recuperada. Há três fatores que reduzem substancialmente esse valor: a mistura de ligas, a mistura de metais e a saturação das limalhas com líquido de arrefecimento.
Um contentor de aparas de 6061 limpas e separadas vale consideravelmente mais do que a mesma massa de aparas misturadas, e pode ser reintegrado num fluxo de reciclagem que produz liga utilizável, em vez de ser desclassificado. A separação por liga na própria máquina, em vez de a triagem posterior, é a única abordagem que funciona de forma fiável na prática.
O líquido de arrefecimento que sai juntamente com os cavacos representa uma dupla perda: o líquido de arrefecimento é desperdiçado e os cavacos molhados têm menos valor. As centrífugas de espremedura de cavacos e as prensas de briquetagem recuperam uma parte significativa desse fluido, reduzem o volume transportado e aumentam o valor do que sai das instalações. Para uma oficina que produz grandes volumes de aparas, este equipamento costuma compensar o investimento apenas com a recuperação do líquido de arrefecimento.
Energia: o consumo durante o corte representa uma pequena parte do consumo total da máquina
Uma máquina-ferramenta não se resume apenas a um fuso. As bombas de líquido de arrefecimento, em particular os sistemas de alta pressão com passagem pela ferramenta, os transportadores de aparas, os sistemas hidráulicos, a lubrificação das guias, os refrigeradores e os sistemas pneumáticos consomem energia continuamente, quer a ferramenta esteja em contacto com o material, quer não. Em muitas máquinas, o processo de corte propriamente dito representa uma parte modesta do consumo total.
Isso altera o que vale a pena fazer:
- Reduzir o tempo de ciclo. Cada minuto poupado é um minuto de toda a máquina, não apenas do fuso. Esta é a maior alavanca energética disponível numa oficina.
- Reduza o tempo de inatividade e os movimentos de deslocamento. Os longos movimentos rápidos sem corte e as trocas desnecessárias de ferramentas consomem a mesma carga auxiliar que o tempo produtivo.
- Abordar a questão do ar comprimido. O ar é, normalmente, o serviço mais dispendioso por unidade de energia fornecida numa fábrica, e os fugas são comuns. Uma inspeção para detetar fugas é uma das medidas mais económicas disponíveis.
- Desligue o equipamento corretamente. Os equipamentos que ficam em modo de espera durante a noite, com as bombas e os refrigeradores a funcionar, consomem uma quantidade surpreendente de energia sem produzirem qualquer resultado.
- Dimensionar adequadamente e controlar os equipamentos auxiliares. Os variadores de frequência nas bombas de líquido de arrefecimento e os refrigeradores devidamente especificados reduzem o consumo contínuo.
- Reduzir as configurações. Menos configurações significam menos horas de funcionamento da máquina e menos manuseamento para a mesma peça.
Dois destes temas estão relacionados com assuntos abordados noutras publicações deste blogue. A redução eficiente do tempo de ciclo é, em grande parte, uma questão de parâmetros e percursos de ferramenta, abordada no nosso guia sobre fresagem CNC de alta velocidade. E a utilização tem uma dimensão energética que é fácil de ignorar: uma vez que as cargas auxiliares funcionam independentemente da produção, uma máquina que produz peças durante mais horas por ano distribui esse consumo fixo por mais peças, pelo que o consumo de energia por peça diminui. Esse é um dos argumentos menos óbvios a favor de operar máquinas em modo automático.
Líquido de arrefecimento: a rubrica de custos que a maioria das oficinas subestima
O líquido de arrefecimento é adquirido, mantido, monitorizado e, por fim, eliminado como resíduo regulamentado. Estudos sobre a estrutura de custos da maquinagem revelaram que os custos relacionados com o líquido de arrefecimento podem exceder os custos com as ferramentas, o que surpreende a maioria das pessoas, uma vez que as ferramentas recebem muito mais atenção por parte da gestão.
Prolongar a vida útil do líquido de arrefecimento
A maior parte do líquido de arrefecimento é esvaziada muito antes do necessário, e as causas são sempre as mesmas:
- Alteração da concentração. A água evapora-se, mas o concentrado não, pelo que um reservatório reabastecido apenas com água fica progressivamente mais fraco. Verificações regulares com um refractómetro e a utilização da mistura correta para reabastecimento evitam que isso aconteça.
- Óleo residual. O óleo de lubrificação e o óleo hidráulico que flutuam na superfície impedem a entrada de ar, o que permite o crescimento de bactérias anaeróbicas e produz o odor que, normalmente, leva ao despejo do conteúdo. Os skimmers e os coalescedores removem-no.
- Má aeração. O fluido em circulação mantém-se aeróbico; o fluido estagnado durante um fim de semana, não.
- Acumulação de partículas finas e limalhas. A filtração impede a entrada de partículas abrasivas no circuito, o que prolonga a vida útil do líquido de arrefecimento e reduz o desgaste da bomba.
Um reservatório monitorizado, com registos de pH e concentração, pode durar muito mais tempo do que um que não seja gerido. Isso significa menos concentrado adquirido, menos resíduos perigosos gerados e menos tempo de inatividade das máquinas para limpeza.
MQL, maquinagem a seco e criogénica
É possível eliminar totalmente o líquido de arrefecimento em circunstâncias específicas, sendo, no entanto, enganador apresentá-lo como uma solução geral.
| Método | Como funciona | Onde se encaixa |
| Lubrificação com quantidade mínima | Microlitros por hora de lubrificante numa corrente de ar, em vez de lubrificação por imersão | Alumínio, ferro fundido, diversas operações de fresagem; aparas mais secas com maior valor de sucata |
| Maquinação a seco | Sem qualquer fluido, recorrendo aos revestimentos das ferramentas e à evacuação de aparas | O ferro fundido e, em alguns casos, o alumínio podem ser trabalhados com ferramentas adequadas |
| Arrefecimento criogénico | Nitrogénio líquido ou CO₂ fornecido à zona de corte | Ligas de titânio e níquel; sem fluxo de resíduos líquidos, mas com custos reais de infraestruturas |
Os limites reais são importantes. A lubrificação com quantidade mínima tem dificuldades em furos profundos e cavidades fechadas, onde o que é necessário é a lavagem, e não a lubrificação, e onde o líquido de arrefecimento de alta pressão que atravessa a ferramenta desempenha um papel estrutural na remoção das limalhas. Apresentar estas técnicas como substitutos universais do arrefecimento por inundação deturpa a sua verdadeira função.
Ferramentas: menos ferramentas, utilizadas durante mais tempo
As ferramentas de metal duro são fabricadas a partir de tungsténio, um material cuja oferta é limitada e cuja produção tem um impacto significativo. Reduzir o consumo de ferramentas traduz-se numa redução tanto dos custos como do impacto ambiental, e as soluções são práticas:
- Parâmetros de corte corretos. As ferramentas danificadas devido ao atrito causado por uma espessura insuficiente da limalha ou devido à vibração constituem a maior perda evitável.
- Menor saliência e melhores suportes. A deflexão e o desvio reduzem diretamente a vida útil da ferramenta.
- Reafiação e revestimento. As fresas de ponta de metal duro podem, muitas vezes, ser recondicionadas várias vezes, o que prolonga a vida útil por uma fração do custo de uma ferramenta nova.
- Recuperação de carboneto. Os fabricantes de ferramentas implementam programas de recolha, e o carboneto reciclado requer muito menos energia do que a produção de tungsténio a partir do minério. As ferramentas gastas que são vendidas como sucata de carboneto, em vez de serem deitadas ao lixo, permitem recuperar tanto o valor como o material.
- Monitorização da vida útil das ferramentas. A substituição das ferramentas com base na vida útil medida, em vez de num critério subjetivo, evita tanto a substituição prematura como os danos colaterais decorrentes da utilização de uma ferramenta para além do seu limite de falha.
O que os designers controlam antes de um trabalho chegar à máquina
Uma parte significativa dos resíduos de maquinagem é determinada na fase de desenho, e não na oficina.
- Escolha o material com menor impacto que cumpra os requisitos, em vez do mais resistente disponível.
- Reduzir o perímetro total. O tecido é adquirido de acordo com esse perímetro, pelo que se compra tecido a mais e, posteriormente, corta-se o que sobra.
- Conceba os projetos tendo em conta as espessuras e dimensões padrão disponíveis em stock.
- Evite a usinagem de grandes volumes quando uma forma «near-net» ou um conjunto fabricado possam alcançar o mesmo resultado.
- Aplique tolerâncias apertadas apenas às características funcionais. As passagens de acabamento adicionais consomem tempo, energia e vida útil da ferramenta, e as especificações de tolerância apertadas aumentam o risco de rejeição em características que nunca necessitaram de controlo.
- Conceba o projeto de forma a reduzir o número de configurações, uma vez que cada configuração implica manuseamento, fixação e tempo de máquina.
É importante salientar a questão da tolerância, pois os resíduos são a forma mais pura de desperdício na maquinagem. Uma peça rejeitada já consumiu o seu material, as horas de funcionamento da máquina, as ferramentas e o líquido de arrefecimento, sem produzir qualquer resultado. Reduzir os resíduos supera, portanto, todas as outras medidas de eficiência da lista. O nosso guia sobre Tolerâncias das peças CNC aborda a forma de especificar características funcionais sem impor limites rígidos a todo o desenho.
Métricas que vale a pena acompanhar
As afirmações sobre sustentabilidade que não são acompanhadas de dados quantitativos são apenas marketing. Estes são os números que refletem efetivamente o desempenho e que são fáceis de recolher.
| Métrico | Como calcular | Por que é importante |
| Taxa de rejeição | Peças rejeitadas ÷ total de peças produzidas | O número com maior efeito de alavanca; o desperdício anula tudo o que já foi gasto |
| Utilização de materiais | Massa final ÷ massa do material adquirido | Reflete a maior parte do impacto incorporado |
| Energia por unidade | kWh da máquina ÷ peças produzidas | Regista simultaneamente o tempo de ciclo e a carga em inatividade |
| Consumo de líquido de arrefecimento | Concentrado adquirido por máquina por ano | Aumenta acentuadamente quando a gestão do reservatório é deficiente |
| Ferramentas por mil peças | Ferramentas utilizadas ÷ peças, por operação | Reflete diretamente a qualidade dos parâmetros e da configuração |
| Taxa de segregação de chips | Massa das aparas separadas ÷ massa total das aparas | Determina a quantidade de valor do material que é recuperada |
A taxa de desperdício deve figurar no topo dessa lista. Todas as outras métricas medem a eficiência com que os recursos foram utilizados; o desperdício mede os recursos que foram utilizados sem qualquer utilidade.
Distinguir as práticas reais do «greenwashing»
Uma vez que o tema suscita a utilização de linguagem de marketing, vale a pena esclarecer o que constitui e o que não constitui prova.
- Uma certificação é um sistema de gestão, não uma garantia de desempenho. A norma ISO 14001 confirma que uma empresa dispõe de processos ambientais e os revê, o que é significativo, mas, por si só, não significa que uma determinada peça tenha sido fabricada de forma eficiente.
- As alegações relativas ao teor de material reciclado exigem rastreabilidade. Sem documentação, uma declaração sobre material reciclado não é verificável.
- A compensação não é o mesmo que a redução. Ambas podem ter o seu lugar, mas são coisas diferentes e não devem ser apresentadas como sinónimos.
- Os números sem um valor de referência têm pouco significado. Uma alegação de redução requer que se indique um ponto de partida e um período de referência.
As perguntas úteis a fazer a um fornecedor são específicas: como é que as limalhas são separadas e o que lhes acontece, como é que o líquido de arrefecimento é monitorizado e com que frequência é substituído, qual é a taxa de rejeição em trabalhos semelhantes e se é possível comprovar alguma destas informações. As respostas vagas a perguntas específicas são, por si só, reveladoras.
Por onde começar se pretender comprar peças maquinadas
A ordem de prioridade é bastante consistente em todos os projetos. Escolha o material com menor impacto que cumpra os requisitos, reduza as dimensões do invólucro e do material em stock, defina tolerâncias apenas onde for necessário e, por fim, analise a eficiência do processo. Trabalhar nesta ordem permite abordar os fatores mais importantes antes dos menos importantes, o que é o oposto da forma como o tema é normalmente abordado.
A Yicen Precision opera mais de 300 máquinas CNC em Shenzhen, abrangendo fresagem multieixos, torneamento, electroerosão por fio, perfuração e retificação de precisão, trabalhando com 50 ou mais materiais com tolerâncias de mais ou menos 0,005 mm, e possui as certificações ISO 9001:2015, ISO 13485, ISO 14001 e IATF 16949. Os nossos engenheiros analisam cada peça antes de elaborarem o orçamento e assinalam as escolhas de materiais, as dimensões máximas e as especificações de tolerância que aumentam os custos e o desperdício sem acrescentar funcionalidade. Envie um modelo para Precisão Yicen para obter feedback sobre a conceção orientada para a fabricabilidade, ou consulte o nosso Serviços de maquinagem CNC e opções de materiais antes de finalizar uma especificação.
Perguntas frequentes
P: Qual é o maior impacto ambiental na maquinagem CNC?
R: O material, não a eletricidade. Produzir metal a partir do minério consome muito mais energia do que cortá-lo; por isso, a escolha do material e a quantidade de material que se transforma em aparas têm maior peso do que a eficiência da máquina na maioria das peças.
P: Vale mesmo a pena reciclar lascas de alumínio?
R: Sim. A reciclagem do alumínio consome cerca de 5% da energia necessária para o produzir a partir do minério. A separação das limalhas por liga e a remoção do líquido de arrefecimento antes da sua saída também aumentam substancialmente o seu valor como sucata.
P: É possível realizar a maquinagem CNC sem líquido de arrefecimento?
R: Às vezes. A usinagem a seco funciona em ferro fundido e em alguns tipos de alumínio, e a lubrificação com quantidade mínima é adequada para muitas operações de fresagem. Nenhuma das duas substitui o líquido de arrefecimento de alta pressão em furos profundos ou cavidades fechadas, onde a remoção dos cavacos é o verdadeiro requisito.
P: Como é que uma oficina pode prolongar a vida útil do líquido de arrefecimento?
R: Controle a concentração com um refratómetro e complete com fluido devidamente misturado, retire o óleo residual, mantenha o reservatório arejado e filtre as partículas finas. A maior parte do líquido de arrefecimento é deitado fora por negligência e não por se ter esgotado de facto.
P: A usinagem sustentável custa mais?
R: Normalmente, menos. O desperdício de material, a energia, o líquido de arrefecimento, as ferramentas e os resíduos são todos postos de custo; por isso, a sua redução melhora ambos os valores. As exceções são os bens de capital, como os sistemas criogénicos ou as prensas de briquetagem, que exigem uma análise de retorno do investimento.
