As ferramentas são frequentemente tratadas como algo secundário em projetos de automação. Mas quando se trata de lasers, elas se tornam um elemento crítico do projeto. Seja para soldagem, corte ou tratamento de superfícies, os sistemas a laser exigem um nível mais alto de precisão, consistência e repetibilidade das ferramentas do que outras tecnologias de processo. Mesmo o melhor equipamento a laser não consegue superar uma apresentação inadequada das peças.
A função das ferramentas é aparentemente simples: fixar e orientar a peça de trabalho para que o laser possa fazer o seu trabalho. Mas fazer isso de forma confiável, ao longo de milhares de ciclos — levando em consideração variações na geometria da peça, carga do operador, distorção térmica e acesso do feixe — muitas vezes não é nada simples.
Aqui, iremos delinear as principais considerações ao projetar ferramentas para automação a laser. E, mais importante, iremos destacar por que as ferramentas a laser exigem uma mentalidade diferente. Isso irá ajudá-lo a criar ferramentas melhores e também a entender por que a maioria dos fornecedores de equipamentos de automação muitas vezes não está equipada para satisfazer os seus requisitos de ferramentas.
Requisitos para ferramentas a laser
Os processos a laser são geralmente menos tolerantes com fixações inadequadas do que outros métodos, especialmente a soldagem a laser. Enquanto métodos como a soldagem MIG podem tolerar pequenas folgas ou desalinhamentos, os lasers exigem tolerâncias mais rigorosas e maior repetibilidade.
Por exemplo, a soldagem de filetes com localização inconsistente das bordas das peças pode produzir lacunas na solda, corte excessivo e redução da resistência da solda. Portanto, as ferramentas devem garantir um bom encaixe para aplicações de soldagem (normalmente muito menos que 0,040"), bem como distâncias de afastamento consistentes e acesso ao feixe em geometrias complexas.
Os sistemas a laser também exigem consistência – e a automação geral beneficia-se muito de entradas repetíveis. Se as peças se deslocarem, desviarem ou variarem de um ciclo para o outro, o laser nem sempre consegue compensar. Ferramentas eficazes garantem que o processo ocorra sempre no mesmo local.
Depois, há a questão da entrada térmica. Embora os processos a laser sejam rápidos, soldaduras longas ou exposição repetida ainda podem causar distorção induzida pelo calor. As ferramentas devem antecipar e neutralizar essas forças antes que elas afetem negativamente a soldadura finalizada.
A peça em si também é parte integrante do projeto da ferramenta (e, muitas vezes, de todo o processo de automação). Um erro comum é utilizar um processo a laser para sua produção, qualidade e precisão sem considerar a otimização do projeto da peça para aproveitar ao máximo.
Às vezes, uma alteração relativamente pequena, como mudar de uma junta em filete para uma junta sobreposta, pode tornar um processo a laser mais fiável e oferecer melhor suporte a ferramentas compatíveis com laser. Mas esses tipos de otimizações nem sempre são óbvios para os fornecedores de ferramentas que se concentram exclusivamente na fixação de peças.
O papel mais amplo das ferramentas
Além de todos os detalhes mencionados acima, é importante compreender o papel geral que as ferramentas desempenham no seu sistema e processo de automação. Elas não servem apenas para fixar a peça. Elas afetam a confiabilidade, a eficiência e a precisão de todo o processo a laser.
Isso significa que uma boa ferramenta deve ser projetada tendo em mente o processo, e não apenas a peça. Para fazer isso de forma eficaz, ela deve cumprir quatro funções interdependentes:
- Permita um carregamento e descarregamento eficientes
- Segure as peças com firmeza e repetidamente durante o processo
- Fornecer acesso desobstruído aos locais de processamento para o feixe de laser
- Manter a integridade mecânica e a fiabilidade ao longo do tempo
Otimizar cada um destes aspetos requer estratégias de design diferentes. E cada um apresenta potenciais armadilhas. Vamos explorá-los individualmente.
Carregamento/Descarregamento
Os ciclos de carga e descarga afetam diretamente a produtividade, a segurança e o tempo de atividade da automação. Seja o sistema totalmente automatizado ou assistido por operador, as ferramentas devem facilitar o posicionamento rápido, preciso e repetível das peças.
Para peças carregadas manualmente, acessórios mal projetados podem levar a erros de alinhamento, fadiga do operador ou até mesmo riscos de segurança. Idealmente, os acessórios são projetados no contexto de toda a célula de trabalho. Isso significa considerar a orientação e a fixação das peças para otimizar a interação com o operador e o sistema de automação (planeamento de trajetória).
Para sistemas de alto rendimento, minimizar o tempo de carregamento é crucial. Recursos como encaixes de localização automática ou pinos-guia podem ser usados para tornar a colocação das peças rápida, fácil e à prova de erros.
Se o carregamento de peças for robotizado, as características e capacidades da ferramenta robótica de extremidade do braço (EOAT) devem ser levadas em consideração. Isso é necessário para garantir que o dispositivo de fixação faça a interface de forma confiável e repetível com a EOAT, ciclo após ciclo.
Ferramentas virtuais também podem ser usadas para simular sequências de carregamento e validar zonas de alcance e espaço livre durante a fase de projeto. Isso ajuda a evitar surpresas no futuro e aumenta a probabilidade de que os sistemas de automação funcionem perfeitamente em condições reais de uso.
Participação acionária
Quando se trata de fixação de peças para automação a laser, não existe uma abordagem única que sirva para todos os casos. Em última análise, cada aplicação é única.
Ao mesmo tempo, obter a fixação correta das peças é imprescindível. Em termos simples, nenhum processo – a laser ou outro – funcionará se não for realizado no local correto.
Um dispositivo de soldagem a laser projetado para ajustes rápidos na fixação de peças, levando em consideração vários modelos diferentes de peças.
Mas segurar uma peça não se resume apenas a prendê-la. Trata-se de controlar a variação. Mesmo pequenas alterações no alinhamento da referência ou no movimento do plano de deslizamento podem comprometer um processo a laser.
Felizmente, nem sempre é necessário esperar pelas fases de prototipagem e produção inicial para identificar problemas causados pela variação.
Frequentemente, ferramentas como a Análise de Simulação de Variação (VSA) ajudam a revelar problemas de fixação de peças antes mesmo do início da fabricação. A geometria da peça, além de todos os dados e tolerâncias, são inseridos no software VSA. Vários métodos estatísticos são então usados para prever como as peças se deslocarão na ferramenta devido a variações de fabricação e como esses deslocamentos afetarão aspectos como a localização da solda e a precisão do corte.
Usando o VSA, é possível modelar como as tolerâncias das peças e o design do dispositivo interagem e prever se as ferramentas posicionarão as peças de forma consistente dentro dos requisitos do processo. A análise ajuda a avaliar estratégias de referência e localizar fontes de variação que podem afetar a qualidade. Quando os problemas são identificados, o VSA fornece as informações necessárias para fazer alterações no conceito do dispositivo, na geometria da peça ou no design da junta de solda necessárias para melhorar a capacidade do processo.
Para soldagem em particular, a Análise de Distorção de Soldagem (WDA) modela a resposta térmica da peça para identificar onde pode ocorrer distorção. Como em qualquer forma de VSA, se o comportamento modelado revelar problemas potenciais, podem ser feitas alterações na peça, nas ferramentas ou no processo para eliminá-los.
Acesso ao processo
Por mais eficaz que seja a fixação da peça, o processo ainda não funcionará se o feixe de laser não conseguir atingir a área de processamento ou acessá-la no ângulo correto. O acesso ao processo é um dos elementos mais negligenciados no projeto de ferramentas.
É bastante comum que os processos a laser exijam ângulos de incidência, folgas ou trajetórias de movimento específicos. Soldas ou trajetórias de processo complexas podem exigir movimento dinâmico do feixe ou até mesmo o reposicionamento da peça no meio do ciclo. Em aplicações de limpeza, a distância de afastamento é tão crítica quanto o acesso lateral.
Ferramentas concebidas para fixar múltiplas características numa única peça, permitindo ao mesmo tempo o acesso do feixe para um processo de digitalização a laser de alta velocidade.
As considerações sobre o acesso ao processo não podem esperar até a integração. Essas escolhas devem ser feitas na fase de projeto das ferramentas. Às vezes, as escolhas de ferramentas podem até afetar as especificações do próprio sistema de automação (alcance necessário do braço robótico, por exemplo).
Durabilidade
A consistência é fundamental em qualquer processo automatizado. Uma vantagem importante dos lasers em relação aos métodos mecânicos é que a ferramenta a laser em si nunca se desgasta. A maior estabilidade do processo e a eliminação quase total do tempo de inatividade para substituição de ferramentas são as principais razões pelas quais os lasers se tornaram tão populares no processamento industrial de materiais.
Idealmente, os acessórios também devem demonstrar um nível semelhante de consistência ao longo do tempo. Nos sistemas a laser, isso significa resistir ao desgaste causado por fixações repetidas, ciclos térmicos e, possivelmente, até mesmo exposição ocasional a feixes dispersos.
Tenha em mente que a durabilidade não se resume apenas à resistência mecânica. A métrica mais importante é a repetibilidade ao longo de milhares de ciclos.
Introdução à automação a laser
O sucesso da automação a laser depende de muito mais do que apenas um bom equipamento (embora isso também seja importante). Depende da qualidade das ferramentas que suportam o processo. Os lasers exigem tolerâncias mais rigorosas, posicionamento mais consistente das peças e um design de fixação mais inteligente do que a maioria dos outros métodos de fabrico. E embora o laser em si não se desgaste da mesma forma que as ferramentas mecânicas, a estabilidade do processo a longo prazo ainda depende de ferramentas que mantenham a precisão ciclo após ciclo.
Com tantos fatores a considerar, muitas vezes vale a pena trabalhar com um integrador de laser experiente.
Na IPG, trabalhamos consigo como um parceiro completo de automação a laser, desde a análise de materiais a laser até o desenvolvimento de processos, integração, suporte contínuo e design de ferramentas.
Começar é fácil – envie-nos algumas peças de amostra, visite um dos nossos laboratórios de aplicação globais ou simplesmente conte-nos sobre a sua aplicação.
