ESTAMPAGEM INCREMENTAL DE CHAPAS (ISF)

A estampagem incremental de chapas (ISF) é um processo de fabricação inovador e, razoavelmente acessível, cuja definição, segundo Kopac (2005), consiste num processo de estampagem de chapas de metal, no qual um blank é conformado por um punção de tamanho pequeno, comandado por controle numérico, seja num centro de usinagem CNC, por intermédio de um braço de robô ou, até mesmo, por meio de sistemas especiais.

Dessa maneira, a estampagem pode ser realizada com matriz bastante simplificada ou até mesmo sem matriz. O processo parece ser muito interessante para pequenos volumes de produção e também para a prototipagem rápida de componentes de chapas customizados. O processo de estampagem incremental é, na verdade, um termo que descreve uma série de métodos de estampagem de chapas de metal. Em comum, estes métodos têm uma capacidade de formar geometrias com matrizes simples ou até com a ausência delas, ambos a baixo custo.

O processo ISF não requer ferramentas caras para produzir peças complexas de chapas de metal, e o equipamento de estampagem pode ser adequado para uma grande quantidade de produtos sem grandes trocas ou investimentos complementares (AMBROGIO et al., 2012).

Diversos grupos de investigação têm feito pesquisas na área de estampagem incremental. A maior parte destas pesquisas é relatada para máquinas comerciais de ISF, ou seja, estampagem utilizando centros de usinagem CNC ou similares (LAMMINEN, 2005). As variações de ISF podem ser divididas dentro de duas categorias principais: estampagem de superfícies convexas ou superfícies côncavas, FIGURA 9 (FRITZEN, 2012). Kitazawa et al.

(2001) e Kitazawa et al. (1997) têm focado estampagem incremental num torno, enquanto Jeswiet et al. (2005), Kim et al. (2001) e Leach et al. (2001) têm estudado a aplicação da tecnologia de estampagem incremental CNC para formas não simétricas – assimétricas, formadas sobre superfícies côncavas num centro de usinagem CNC. Neste último, o blank ou matéria-prima permanece estacionária, e a estampagem ocorre usando o controle CNC da ferramenta (BAMBACH et al., 2004).

FIGURA 9 - ESTAMPAGENS CONVEXA E CÔNCAVA.

(a) ISF convexa, positiva. (a) ISF côncava, negativa.

FONTE: Fritzen (2012).

A estampagem de superfície côncava foi a primeira variação da ISF, conhecida como estampagem CNC sem matriz (Dieless NC Process Forming), sendo introduzida no Japão por Matsubara em 1994, como um método para prototipagem e fabricação de produtos a partir de chapas de metal para pequenas séries. O método foi originalmente desenvolvido para as necessidades da indústria automobilística, entretanto, atualmente, também é usado em outras finalidades indústrias (LAMMINEN, 2005).

De acordo com Sena (2009), pode-se dizer que a estampagem incremental é um novo método de deformação plástica que permite criar um produto com determinada configuração/geometria, sem a utilização de punção e/ou matriz com características complexas. Na última década, esta tecnologia tem se desenvolvido intensamente como uma nova linha de pesquisa relacionada ao processo de conformação de chapas. A designação atribuída para este método de deformação por sucessivos incrementos abrange, ademais, várias técnicas que possuem aspectos em comum. Embora a técnica de deformação incremental possa ser interpretada de diferentes maneiras, segundo Ambrogio (2011), este processo distingue-se, obrigatoriamente, pelas seguintes características:

a) Ferramenta genérica de pequena dimensão;

b) Ausência ou utilização de matrizes dedicadas;

c) Contato contínuo entre a ferramenta e a chapa;

d) Movimento tridimensional 3D e controle do punção (FIGURA 10).

FIGURA 10 - CONFORMAÇÃO INCREMENTAL, CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES.

FONTE: Ambrogio (2011).

A seguir, na FIGURA 11, apresenta-se as diferentes configurações ou técnicas referentes ao processo de conformação incremental assimétrica – ISF (JESWIET et al., 2005).

FIGURA 11 - VARIANTES DO PROCESSO DE CONFORMAÇÃO INCREMENTAL ASSIMÉTRICA.

Fonte: Jeswiet et al. (2005).

a) Conformação incremental por ponto único (SPIF)

b) Conformação incremental por dois pontos (TPIF)

c) Conformação incremental por dois pontos com suporte estático

d) Conformação incremental por dois pontos com matriz dedicada sistema de fixação da chapa

ferramenta ou punção d_t: diâmetro do punção

p: passe em Z (Δz) t: espessura da chapa

α: inclinação da parede

f: avanço

As configurações 11 (a) e 11 (b) possuem um sistema de fixação para a chapa fixo, enquanto nas configurações 11 (c) e 11 (d) o sistema movimenta-se na vertical, sincronizadamente com a ferramenta de deformação da chapa. A última configuração – FIGURA 11 (d) – apresenta uma matriz dedicada com forma pré-definida, ou seja, mostra um gabarito com determinada geometria que permite imprimir a forma final da peça sobre a matriz modelo, deslocando, simultaneamente, o sistema de suporte da chapa no intuito de viabilizar o adequado ajustamento de posição chapa/ponta do punção.

Estas últimas duas configurações – 11 (c) e 11 (d) –, normalmente, são implementadas em máquinas exclusivamente dedicadas a esta técnica de deformação incremental, enquanto no caso das configurações 11 (a) e 11 (b), normalmente são associadas às máquinas-ferramentas CNC’s, tipicamente um centro de usinagem tradicional, por exemplo. Deste modo, pode-se dizer que a estampagem incremental assimétrica apresenta dois principais tipos de variantes, a deformação incremental por único ponto (SPIF, do inglês “Single Point Incremental Forming”); e a deformação incremental por dois pontos (TPIF, do inglês “Two Point Incremental Forming”) (RAUCH, 2009).

2.2.1 Conformação Incremental Assimétrica por Ponto Único (SPIF)

A investigação da deformação assimétrica incremental por ponto único foi impulsionada por Jeswiet et al. (2005), entre outros, demonstrando que este método pode ser implementado numa máquina-ferramenta CNC de três eixos, incluindo a aplicação dos softwares CAD/CAM, para planejar a trajetória da ferramenta de conformação, o punção, possibilitando a fabricação de peças complexas. Desse modo, neste tipo de estampagem incremental, a superfície da chapa não está suportada, ou seja, é deformada em forma “livre”

pela ferramenta que desliza sobre a superfície da chapa, como ilustrado anteriormente pela FIGURA 11 (a).

A deformação plástica é gerada pela ferramenta em rotação ou não, acoplada ao eixo vertical principal do sistema CNC, por meio de incrementos negativos executados gradualmente no eixo Z da máquina. O sistema de fixação nas extremidades da chapa evita que esta se desloque enquanto a conformação ocorre. Durante a deformação da chapa, a ferramenta de conformação está em contato com a superfície interna do componente que está sendo fabricado, gerando, incrementalmente, uma concavidade. Além da flexibilidade de aplicação e utilização de ferramentas de baixo custo, existem ainda outras vantagens

relacionadas à aplicação do processo de estampagem incremental assimétrica por ponto único, a saber (CERRO et al., 2006):

 Este processo SPIF dispensa qualquer tipo de matriz, no entanto, precisa de uma zona de suporte que possibilite criar o ângulo de deformação na zona fixada;

 As tensões originadas na zona de mudança de ângulo são facilmente corrigidas e controladas pela pressão do punção;

 Normalmente, é dispendioso fazer protótipos em chapa, sendo que, com esta técnica, o custo de fabricar esses mesmos protótipos é substancialmente menor;

 A estampabilidade dos materiais é, aparentemente, acrescida;

 Uma máquina convencional de CNC pode ser utilizada para aplicação deste processo;

 O tamanho do componente só é limitado pelo tamanho da mesa da máquina CNC;

 A qualidade do acabamento superficial dos componentes pode ser controlada;

 O funcionamento e modo de operação são, relativamente, pouco ruidosos;

 Facilidade de alterações no leiaute da unidade fabril devido o equipamento ser de menor dimensão e peso, facilitando o transporte para grandes distâncias.

No entanto, Jeswiet et al. (2005) também relatam que existem algumas limitações neste processo, tais como:

 O tempo de formação do componente aumenta com a profundidade da geometria da peça a estampar;

 A utilização deste processo está limitada à produção de pequenos lotes de peças;

 Ocorre recuperação elástica, tornando necessário o desenvolvimento de algoritmos de correção da geometria projetada;

 A formação de paredes verticais não pode ser efetuada em um único passo.

Logo, percebem-se claramente vantagens tecnológicas que compensam o contínuo desenvolvimento do processo e, em especial, oportunidades para a redução dos custos de fabricação, gerando, até mesmo, ganhos em termos de versatilidade para o catálago de produtos da empresa.

2.2.2 Conformação Incremental Assimétrica por Dois Pontos (TPIF)

A conformação incremental assimétrica por dois pontos – TPIF, como ilustrado anteriormente na FIGURA 11 (b), é uma variante da estampagem incremental assimétrica por ponto único – SPIF. A sua designação se deve ao contato simultâneo de dois pontos com a chapa em deformação, ou seja, o contato da ferramenta principal de conformação e o contato da ferramenta auxiliar de conformação situada na zona inferior da chapa.

As características que as diferenciam são: a ausência do elemento de apoio inferior para criar o ângulo de deformação na chapa, no caso da SPIF e; no caso da TPIF, o uso de uma segunda ferramenta – apoio auxiliar – de conformação, localizada em posição oposta à ferramenta principal de conformação.

A principal utilização deste tipo de estampagem incremental com contra-ferramenta é na produção de peças de alta complexidade e precisão dimensional. A ferramenta auxiliar necessita de uma trajetória de conformação distinta da trajetória da ferramenta principal, com movimento controlado e independente, tendo como requisito o uso de uma máquina específica ou um mecanismo auxiliar a ser implementado na máquina CNC (SILVA, 2008).

Ademais, as variantes do processo de estampagem incremental assimétrica por dois pontos também podem ser denominadas por negativas ou positivas. Park e Kim (2003) realizaram um estudo de modo a classificar o processo segundo as características de conformação durante a formação da peça, sendo atribuída a designação negativa para a peça que apresenta uma superfície côncava na face em contato com a ferramenta de conformação, ilustrada na FIGURA 12 (a); e a designação positiva à formação de uma superfície convexa que está em contato com a ferramenta de conformação, representada pela FIGURA 12 (b).

FIGURA 12 - CONFORMAÇÃO NEGATIVA (A) E CONFORMAÇÃO POSITIVA (B).

FONTE: Park e Kim (2003).

2.2.3 Conformação Incremental Assimétrica por Dois Pontos com Suporte Estático

Neste processo, a chapa movimenta-se verticalmente e em conjunto à zona de fixação – deslocamento sincronizado –, por meio de um sistema de colunas guias, sobre um suporte estático que auxilia na conformação, enquanto a ferramenta esférica forma o perfil geométrico na chapa. O suporte estático cria uma força de apoio na chapa, atuando como um punção fictício, também responsável pela determinação da forma geométrica final da peça (SENA, 2009).

FIGURA 13 - ESQUEMA REPRESENTATIVO DA CONFORMAÇÃO INCREMENTAL COM SUPORTE ESTÁTICO.

FONTE: Jeswiet et al. (2005).

A figura 13 mostra a representação do equipamento de estampagem incremental assimétrica por dois pontos com suporte estático e, ao lado, a trajetória da ferramenta de conformação – FC para formar um tronco de cone invertido na respectiva chapa.

2.2.4 Conformação Incremental Assimétrica por Dois Pontos com Matriz Dedicada

Esta técnica utiliza os mesmos componentes que o processo descrito anteriormente, com exceção do tipo de suporte usado no contato com a superfície inferior da chapa. Em lugar do suporte local estático, utiliza-se uma matriz dedicada, normalmente fabricada em materiais maciços de baixo custo, como, por exemplo, em resina ou material polimérico. Porém, pode-se dizer que esta técnica de estampagem incremental não é verdadeiramente livre de matriz em comparação com a técnica de estampagem incremental por ponto único, FIGURA 14, (SENA, 2009).

FIGURA 14 - ESQUEMA DE ESTAMPAGEM INCREMENTAL POR DOIS PONTOS COM MATRIZ DEDICADA.

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FONTE: O autor.

De um modo geral, as vantagens associadas a estes dois tipos variantes da estampagem incremental por dois pontos, com suporte estacionário e com matriz dedicada, são: a inexistência de erros de forma em regiões planas; e o rigor geométrico da peça final produzida, superior à técnica de estampagem por ponto único “livre”. No entanto, a complexidade e o custo deste tipo de estampagem incremental com suporte/matriz são maiores em relação ao processo de conformação por ponto único – SPIF. A razão se deve ao aumento de componentes necessários para efetuar esta técnica de conformação, refletindo-se no custo de produção do dispositivo e do próprio processo.

2.2.5 Vantagens e Limitações do Processo de Estampagem Incremental Assimétrica

Segundo Meier et al. (2011), a utilização do processo de fabricação de produtos em chapas por estampagem incremental é favorável e recomendável nas seguintes aplicações:

punção chapa

matriz

sistema de fixação da chapa – móvel guias de ajustamento – sincronizadas

punção

 Na fabricação de peças para reposição ou produção de pequenos lotes de componentes: isto quando as peças já não são produzidas pelos fabricantes de origem ou, então, a fabricação pelo processo convencional de estampagem apresenta um custo superior;

 Na prototipagem rápida, nas etapas de desenvolvimento e concepção de novos produtos: quando não é suficiente a simulação computacional e a fabricação de um protótipo auxilia a análise funcional e de forma do produto;

 Em aplicações da medicina: em que este método permite a fabricação de próteses com as características exclusivas de cada paciente;

 Na obtenção de produtos customizados: que podem agregar valor ao formato padrão do mesmo, como eletrodomésticos caracterizados, por exemplo.

Outrossim, a estampagem incremental de ponto único tem aplicação na produção de lotes pequenos e, em especial, onde a forma dos produtos tende a variar em um curto espaço de tempo, podendo ter tanto geometrias simples como também complexas. Desse modo, segundo Kumar & Kumar (2015), as principais vantagens desse processo são:

 Produção de peças diretamente do arquivo CAD;

 Inexistência de matriz;

 Alterações do projeto podem ser facil e rapidamente realizadas;

 Aumento de conformabilidade do material;

 Pode ser realizada numa máquina CNC convencional;

 Devido à natureza incremental do processo, as forças são pequenas;

 Dimensão das peças são limitadas apenas pela máquina-ferramenta;

 Boa qualidade de acabamento da superfície pode ser alcançada.

Por outro lado, as desvantagens verificadas no processo são cruciais para grandes lotes de produção. Nesse sentido, Kumar & Kumar (2015), citam também:

 Maior tempo de conformação em comparação ao processo de estampagem convencional;

 Limitada a pequenos lotes de produção;

 A formação de ângulos retos deve ser alcançada por meio de estratégias em várias fases de conformação;

 O retorno elástico ocorre, embora possa ser minimizado usando algoritmos de correção;

 Menor precisão da geometria, particularmente em raios convexos, arestas e áreas de dobra.