OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE CORTE LASER
PARA AÇOS DE ALTA RESISTÊNCIA: A
QUALIDADE NO CORTE APLICANDO O
MÉTODO TAGUCHI
Richard Thomas Lermen (fahor )
lermenrichardt@fahor.com.br
Jonas Rigodanzo (fahor )
jonasrigodanzo@yahoo.com.br
Maicon Umann Ribeiro (fahor )
ribeiromaiconu@johndeere.com
Edio Polacinski (uri )
edio.pk@gmail.com
leandro dorneles dos santos (uri )
leandro1902@gmail.com
Atualmente, diante do atual mercado competitivo, independentemente do tipo, tamanho ou área de atuação as empresas procuram identificar estratégias competitivas variadas para responderem a concorrência. Evidencie-se que neste sentido, o processo de corte laser vem sendo utilizado em grande escala para a confecção de peças, a partir de chapas metálicas por diversas empresas, especialmente aquelas com o viés industrial. Assim, e neste contexto, destaque-se que o presente artigo teve por objetivo apresentar a otimização do processo de corte laser para aços de alta resistência, no caso de pesquisa o LNE700, aplicando o Método Taguchi. Ressalte-se que essa otimização se caracteriza por determinar quais são os melhores parâmetros de corte sobre os fatores de qualidade, tais como: rugosidade, paralelismo e arraste raia. Como procedimentos de pesquisa observe-se que se utilizou a técnica de engenharia robusta - método e análise de variância ANOVA, onde se utilizou quatro parâmetros de corte (posição focal, de pressão de gás, de energia laser e velocidade de corte) com três níveis cada Taguchi. Os resultados e conclusões deste trabalho demostraram que é possível alcançar um alto padrão de qualidade no corte, otimizando os parâmetros de corte a laser com o material utilizado, contudo, vale ressaltar que cada critério de qualidade avaliou a influência direta dos parâmetros.
2 Palavras-chaves: Corte a Laser, Aço LNE700, Taguchi, ANOVA.
3 1. Introdução
Inicialmente, evidencie-se que as empresas de uma maneira geral, especialmente as com viés industrial, procuram desenvolver estratégias para responderem a concorrência, que atualmente é muito acentuada em face da globalização e as inovações constantes. E neste sentido, muitas dessas, identificaram que o processo de corte LASER vem sendo utilizado em grande escala para a confecção de peças a partir de chapas metálicas.
Acrescente-se que este processo oferece grande precisão e qualidade, quanto às superfícies de corte. Além disso, que LASER produz um feixe de luz concentrado através da excitação dos elétrons de determinados átomos, utilizando o dióxido de carbono (CO2) sob pressão, como um meio ativo, produzindo assim uma intensa energia na forma de calor. Essa alta concentração de energia proporciona uma excelente qualidade de corte em altas velocidades.
Dessa forma, ressalte-se que o diferencial do corte LASER está na capacidade de cortar chapas metálicas, obtendo-se perfeito acabamento, nas mais diversas espessuras, indiferentemente da complexidade de sua geometria. Todavia, quanto menor for à incidência causada pelas altas temperaturas no material, melhor são mantidas as propriedades do material.
Adicionalmente, saliente-se que com o objetivo de aprimoramento de tecnologias, competitividade de mercado e redução nos custos de fabricação, empresas estão buscando utilizar aços com uma maior resistência mecânica. Esses aços se caracterizam principalmente pela alta resistência mecânica e potencial redução de peso na sua aplicação. Porém, a utilização deste tipo de material pode não trazer os resultados esperados quanto à qualidade de corte, se os parâmetros de corte não forem otimizados.
Assim, neste contexto, destaque-se que a presente pesquisa teve por objetivo apresentar a otimização do processo de corte laser para aços de alta resistência, no caso de pesquisa o LNE700, aplicando o Método Taguchi. Justifica-se a realização do presente estudo, uma vez que se espera oferecer subsídios de informações teóricas e práticas acerca da temática proposta tanto para acadêmicos, pesquisadores, bem como profissionais da área.
4 2.1. Influência dos parâmetros de corte no processo de corte laser
Segundo Bystronic (2008) o processo de corte LASER possui influências entre o feixe de LASER, gás de corte e peça, na qualidade de corte. Quando tratado da peça em especial, deve-se ter um cuidado com a composição química do material. Além das influências citadas há também a influência dos parâmetros de corte LASER no processo, tais como: posição focal, potência do LASER, pressão do gás e velocidade de corte (BYSTRONIC, 2008).
Porém, a potência do LASER depende do tipo de material e espessura a ser cortado. Quanto maior a espessura do material, maior devera ser a potência do laser (BITZEL et al., 1996).
Já a pressão do gás de corte faz relação entre o gás de corte LASER utilizado e o diâmetro do bico de corte. A Bystronic (2008) adota como gás de corte o oxigênio (O2), podendo este chegar a uma pressão de ate 10 bar para o corte autógeno. Já para Trumpf (2004), a pressão do gás deve ser ajustada de acordo a espessura do material a ser cortado.
Outro item é a velocidade de corte, a qual é aplicada em relação aos seguintes parâmetros: potência do LASER, pressão e vazão do gás (TELECURSO 2000, 2011). A definição de valores elevados para a velocidade do corte implicará em maior produção de estrias na superfície do corte, rebarbas na parte posterior da superfície atingida pelo calor, e até mesmo, a impossibilidade de realizar o corte. No entanto, velocidades baixas produzem um aumento da zona termicamente afetada e uma redução na qualidade do corte (TRUMPF, 1994).
2.2. Caracterização do corte laser
Segundo a Bystronic (2008), o corte LASER é caracterizado quanto à qualidade do corte, sendo esta, avaliada quanto aos critérios de paralelismo, rugosidade da superfície e arraste de estrias.
5 2.2.1. Paralelismo de corte
O paralelismo de corte é a distância entre duas retas paralelas, onde o perfil da fenda de corte deve apresentar um ângulo de 90º para ser considerado ideal ao paralelismo (TRUMPF, 1994).
Figura 1 - Representação do paralelismo de corte
Fonte: Bystronic (2008, p. 3-6)
Para a Bystronic (2008), quando um material com espessura de 10 mm é cortado, o mesmo pode apresentar um desvio máximo 0,1 mm para o paralelismo de corte, conforme a Figura 1.
2.2.2. Rugosidade da superfície de corte
A rugosidade apresentada pelo desenho esquemático da Figura 2 é definida pela profundidade das estrias e também pela presença de algumas crateras na superfície de corte. Sua medição é dada através da média das rugosidades de cinco seções individuais (BYSTRONIC, 2008).
6 Fonte: Mechanical (2011)
Ainda, a rugosidade de corte possui relação direta com a espessura do material a ser cortado, de modo que quanto maior a espessura maior a rugosidade da superfície. Outros fatores que influenciam na rugosidade são a pressão de gás, velocidade de corte e potência do LASER (TRUMPF, 1994).
2.2.3. Arraste de estrias
Define-se, segundo a Trumpf (1994), que o arraste deixa sobre a superfície, típicas estrias depois de aplicado o processo de corte LASER. É denominada como a distância máxima entre duas estrias na direção do corte conforme a Figura 3. Quando se aplica velocidades de corte baixas estas estrias são quase que paralelas ao feixe do LASER. Quando se tem maiores velocidades de corte mais estrias se inclinam apostas à direção de corte (TRUMPF, 1994).
7 Fonte: adaptado de Trumpf (1994, p. 2 – 42)
2.3. Técnicas de projetos e análises de experimentos
Os projetos que tem a utilização de experimentos industriais devem ser planejados em uma matriz experimental, tendo como objetivo garantir que os recursos para a execução do experimento sejam bem utilizados e que as informações sejam confiáveis (COLOMBARI, 2004).
Assim, a utilização de técnicas de projetos e análises de experimentos é uma das formas de alcançar as características de competitividade ou fatores críticos, atendendo as necessidades e expectativas dos consumidores. Essas técnicas vêm sendo utilizadas no desenvolvimento de novos produtos e processos de fabricação.
2.3.1. Método Taguchi
O método Taguchi é uma das técnicas que pode ser aplicada no intuito de otimizar os parâmetros de um processo. A otimização dos parâmetros do processo é o passo fundamental do método Taguchi na obtenção de alta qualidade, sem aumentar o custo de fabricação.
Basicamente, em projetos complexos os parâmetros de processo não são fáceis de usar, isto é, quando o número de parâmetros do processo aumenta, levando a um grande número de experimentos. Para resolver esta tarefa, o método de Taguchi como um especial projeto de matrizes ortogonais, pode ser usado para estudar os parâmetros de processo com um pequeno número de experimentos (ANAWA; OLABI, 2008).
Segundo Padke e Fiod Neto apud Alves (2009), a função perda de qualidade pode ser dividida em três condições, onde a Equação 1 se considera que quanto menor é melhor a fim
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de minimizar a resposta, a Equação 2, diz respeito ao objetivo de maximizar, de modo que, quanto maior é melhor e a Equação 3 quando a nominal é melhor, tem-se o objetivo de ter respostas intermediárias. Essas equações dependem da natureza da característica da qualidade. Nas equações 1, 2 e 3, é dada a equação Sinal/Ruído (S/N), onde “ ” é o número de estudos/observações no mesmo nível, “ ” é a resposta do experimento e “ ” é o valor médio ao quadrado, “ ” é a variância.
1)
2)
3)
2.3.2. Análise de variância ou anova
Para Usevicius (2004), a análise de variância é um método estatístico usado para determinar se há uma influência significativa no processo. Entretanto, esta análise só pode ser considerada significativa se houver pelo menos dois meios de população, ou seja, dois fatores influenciando o processo.
A ANOVA é realizada para cada resposta, indiferente do método que foi aplicado, para ver quais parâmetros de processo é estatisticamente significativo. Desta maneira que a combinação ideal do parâmetro de processo pode ser prevista (ANAWA; OLABI, 2008).
3 Materiais e métodos experimentais
A empresa alvo desta pesquisa é a John Deere, unidade Horizontina (RS), onde estão as linhas de fabricação de colheitadeiras, plantadeiras e plataformas de corte e de milho. Realizaram-se os experimentos junto ao departamento de primários, responsável pela produção das peças.
9
Já a atividade de corte do corpo de prova, realizou-se em um centro de corte a LASER. Para isso, utilizou-se o centro de corte a LASER BySpeed 3015 da marca Bystronic, ilustrado na Figura 4, com potência de 4400W e tamanho de mesa 1500 x 3000 mm. Ainda, optou-se pela utilização do oxigênio (O2) como gás de corte.
Figura 4 - Centro de corte LASER Bystronic
Fonte: Empresa pesquisada
Para o desenvolvimento do trabalho optou-se por um aço de alta resistência (LNE700), de espessura 3 mm, com um limite de escoamento de 745 MPa, limite ruptura de 814 MPa e alongamento de 18%, com a composição química demostrada na Tabela 1.
Tabela 1 - Composição química do aço LNE700
Elementos Químicos C Si Mn P S Ai Cu Nb V % 0,1 0,02 1,45 0,022 0,003 0,042 0,02 0,035 0,008 Elementos Químicos Ti Cr Ni Mo Sn N B Ca Sb % 0,088 0,49 0,01 0 0,001 0,0077 0,0002 0,0006 0,02
10 Fonte: Autores
Ainda, escolheu-se um item de produção da John Deere como corpo de prova experimental, o qual apresentou espessura de 3 mm de acordo com a Figura 5.
Figura 5: Corpo de prova.
Fonte: Empresa pesquisada
Então, realizaram-se as análises dos dados, aplicando a metodologia de variância ANOVA, onde se verificou o efeito dos parâmetros de corte para o material LNE700 em relação à qualidade de corte quanto à rugosidade, paralelismo e arraste de estrias.
Para a determinação dos parâmetros ideais quanto à qualidade do corte fez-se o uso do método Taguchi, onde quatro fatores, de três níveis cada um, foram aplicados. Determinaram-se os níveis em torno de um ponto central, correspondendo aos valores utilizados como padrões para o corte LASER. Os parâmetros de corte e seus diferentes níveis são demonstrados na Tabela 2.
Tabela 2 - Fatores analisados e seus respectivos níveis para os experimentos exploratórios
Nº Fator Unidade Notação Nível Valor
1 Posição Focal Mm p 1 2 2 1,5 3 1 2 Pressão do Gás Bar PG 1 5,3 2 4 3 3,2
3 Potência do LASER Watts(W) PL
1350 2 1100
3 900
4 Velocidade do corte m/min v
1 4,3
2 4,1
11 Fonte: Autores
Todavia, obteve-se a distribuição para a coleta dos experimentos de acordo com os fatores a serem analisados e seus respectivos níveis, aplicando o método Taguchi. Desta forma, para cada condição experimental, foram realizadas 3 repetições, resultando em um total de 27 experimentos.
4. Apresentação e análise dos resultados
Primeiramente, observe-se que se dividiu a apresentação dos resultados e as análises em três partes. Inicialmente, os resultados quanto à rugosidade de corte; em segundo lugar, o paralelismo; e em terceiro lugar, o arraste de estrias. Na Tabela 3 apresentam-se os resultados das medições que foram obtidas a partir da influência dos fatores e seus diferentes níveis sobre a qualidade de corte.
Tabela 3 - Resultados dos experimentos exploratórios com suas respectivas medições
Número de Experimentos
Parâmetros de Corte Resultados
Posição Focal (mm) Pressão do Gás (bar) Potência do LASER (Watts) Velocidade de Corte Rugosidade (um) Arraste (mm) Paralelismo Médio (um) 1 2 5,3 1350 4,3 3,00 0,167 37,838 2 2 4 1100 4,1 3,17 0,188 32,143 3 2 3,2 900 3,9 9,00 0,221 24,795 4 1,5 5,3 1100 3,9 2,63 0,160 44,211 5 1,5 4 900 4,3 5,27 0,159 30,702 6 1,5 3,2 1350 4,1 2,68 0,164 25,438
12 7 1 5,3 900 4,1 6,19 0,170 21,053 8 1 4 1350 3,9 2,66 0,173 26,606 9 1 3,2 1100 4,3 4,60 0,116 31,532 10 2 5,3 1350 4,3 3,69 0,180 40,541 11 2 4 1100 4,1 2,77 0,182 30,357 12 2 3,2 900 3,9 5,17 0,216 23,009 13 1,5 5,3 1100 3,9 2,94 0,195 44,211 14 1,5 4 900 4,3 5,39 0,152 29,825 15 1,5 3,2 1350 4,1 2,96 0,129 26,315 16 1 5,3 900 4,1 6,49 0,139 19,318 17 1 4 1350 3,9 2,66 0,179 26,606 18 1 3,2 1100 4,3 4,37 0,115 30,631 19 2 5,3 1350 4,3 3,1 0,186 41,441 20 2 4 1100 4,1 2,7 0,182 31,250 21 2 3,2 900 3,9 8,61 0,203 24,779 22 1,5 5,3 1100 3,9 3,13 0,213 44,211 23 1,5 4 900 4,3 4,67 0,161 29,825 24 1,5 3,2 1350 4,1 3,26 0,151 27,192 25 1 5,3 900 4,1 5,82 0,155 19,298 26 1 4 1350 3,9 2,00 0,143 26,606 27 1 3,2 1100 4,3 8,28 0,112 32,432 Fonte: Autores
4.1. Rugosidade do corte laser
De acordo com a análise de variância apresentada na Tabela 4, percebe-se que a potência do LASER e a pressão do gás, influenciam nos critérios de qualidade quanto à rugosidade.
Tabela 4 - Análise de variância ou ANOVA para média dos efeitos nas respostas da rugosidade
Fator Soma dos
Quadrados
Grau de Liberdade
Médias dos
Quadrados Valor de F Valor de P
Posição Focal 15,9979 2 7,9990 2,24324 0,062678 Pressão do Gás 56,7611 2 28,3805 11,50724 0,000604 Potência do LASER 210,6477 2 105,3249 42,70440 0,000000 Velocidade de Corte 15,9105 2 7,9553 3,22553 0,063500 Erro Residual 44,3943 18 2,4663 - - Fonte: Autores
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do LASER e a pressão do gás, devido ao valor de “F” ser maior nestes dois parâmetros. Ao mesmo tempo, confirma-se a confiabilidade dos mesmos sobre a rugosidade através do valor “P”, com 95% de confiabilidade que a potência do LASER e pressão do gás tem influência significativa sobre a rugosidade, ressaltando que o valor de “P” deve ser menor que 0,05 para confirmar sua confiabilidade.
4.2. Paralelismo de corte
Através da razão sinal/ruído para o paralelismo, pode-se afirmar que ambos os fatores apresentam confiabilidade, todavia, a potência do LASER e a velocidade de corte são os fatores de maior influência e confiabilidade para o paralelismo, sendo que na condição menor, a qualidade é otimizada nos níveis mais baixo dos fatores.
Desta maneira, a Figura 6 ilustra a melhor medição do paralelismo obtida a partir das nove diferentes combinações que foram testadas. A distância entre o ponto mais alto e o mais baixo é menor, apresentando o melhor resultado.
Figura 6 - Ilustração do paralelismo de corte
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Com isso, na Tabela 5, apresenta-se a análise de variância, ou ANOVA, da influência dos fatores sobre o paralelismo. Verifica-se que todas as variáveis têm influência sobre o paralelismo, sendo que os maiores valores de “F” são os que definem a ordem sucessiva dos fatores mais impactantes.
Assim, tem-se uma confiabilidade de 95% de influência dos fatores sobre a qualidade de corte, pois os valores de “P” não ultrapassam o valor de 0,05.
Tabela 5 - Análise de variância para a média dos efeitos nas respostas do paralelismo
Fator Soma dos
Quadrados
Grau de Liberdade
Médias dos
Quadrados Valor de F Valor de P
Posição Focal 23,26387 2 11,63193 144,2402 0,000000 Pressão do Gás 11,95307 2 5,97653 74,1112 0,000000 Potência do LASER 46,34857 2 23,17428 287,3695 0,000000 Velocidade de Corte 27,61414 2 13,80707 171,2127 0,000000 Erro Residual 1,45157 18 - - - Fonte: Autores
4.3. Resultados do arraste de corte
A razão sinal/ruído do arraste de estrias para os fatores analisados, na condição menor é melhor, pois demonstra que a posição focal e a velocidade de corte são os únicos fatores com influência destacada neste critério, de acordo com a amplitude dos pontos a partir da linha central do gráfico. Assim, a pressão do gás e a potência do LASER têm pouca influência no paralelismo.
Isso posto, na Tabela 6 apresentam-se os resultados referentes aos parâmetros com maior influência sobre o arraste de estrias, onde a posição focal e a velocidade de corte se destacam por apresentar os maiores valores de “F”. Confirma-se 95% de confiabilidade dos mesmos através do valor de “P”, pois não ultrapassam o valor máximo de 0,05.
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Fator Soma dos
Quadrados
Grau de Liberdade
Médias dos
Quadrados Valor de F Valor de P
Posição Focal 29,11549 2 14,55774 25,64406 0,000005 Pressão do Gás 5,39131 2 2,69565 4,74851 0,022074 Potência do LASER 2,84185 2 1,42093 2,50302 0,109869 Velocidade de Corte 20,20213 2 10,10106 17,79344 0,000054 Erro Residual 10,21833 18 - - - Fonte: Autores
Já a Figura 7, compreende a relação dos parâmetros de corte nos seus melhores níveis, posição focal (1 mm), pressão do gás (3,2 bar), potência do LASER (1100 Watts) e velocidade do corte (4,3 m/min), onde se obteve uma otimização do processo de corte LASER em relação ao arraste de estrias, pois se percebe que a inclinação das linhas são praticamente imperceptíveis.
Figura 7 - Ilustração do arraste
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A seguir serão apresentadas as conclusões do presente artigo, a partir de todas as atividades de pesquisa realizadas.
5. Conclusões
Com o desenvolvimento deste trabalho, utilizando-se de bibliografias, experimentos e análises de resultados, faz-se importante apresentar algumas conclusões. Frente a essas exigências quanto à otimização de processos e para melhores níveis de qualidade, a utilização do método Taguchi se mostrou de grande importância para o projeto de experimentos, a fim de possibilitar analisar as diferentes variáveis do processo, onde que qualquer pequena modificação dos fatores gera significativas modificações nos resultados.
Para complementar a análise dos resultados, a ANOVA se mostrou como uma análise de grande significância ao se definir quais são os fatores de maior influência e a confiabilidade destes sobre o processo.
Contudo, as informações obtidas no referencial bibliográfico referente à qualidade de corte possibilitaram fazer comparativos com os resultados, sendo que, para alguns resultados a influência dos parâmetros de corte foi comprovada, como no caso do paralelismo e da rugosidade de corte. Porém, quanto ao arraste de estrias, a influência dos parâmetros não se confirmou em relação à velocidade de corte.
Todavia, entre os critérios de qualidade definidos, o paralelismo é aquele que apresenta maior influência dos parâmetros e maior confiabilidade nos resultados, de maneira que os maiores níveis dos parâmetros apresentam os resultados mais satisfatórios em relação à qualidade do corte.
Assim, a rugosidade de corte foi o critério de qualidade que menos teve influência dos parâmetros no resultado. No entanto, faz-se necessária a análise através do método experimental Taguchi para avaliar a importância de todos os fatores sobre o resultado final. Por fim, destaque-se que em relação ao arraste de corte, a posição focal e a velocidade de corte influenciam significativamente a qualidade de corte.
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