Na indústria, a fabricação de produtos baseia-se na moldagem de materiais por fusão, conformação, remoção e montagem, com o uso de tecnologias para fundição, moldagem por injeção, usinagem e forjamento, por exemplo. Nos anos 1980 surgiu a manufatura aditiva (MA), que adiciona material até ser obtida a geometria desejada ⁽⁶⁾. Os avanços na MA têm impactado a academia e a indústria, reduzindo o tempo de fabricação, simplificando a prototipagem e possibilitando a produção de peças complexas que seriam inviáveis por métodos convencionais. Além disso, a MA é mais econômica e descarta menos matéria-prima ⁽⁷⁾.

Especificamente, a manufatura aditiva por deposição a arco (MADA) usa arame-eletrodo como material de adição. O método Cold Metal Transfer (CMT), uma evolução da soldagem por gas Metal Arc Welding (GMAW), abordado neste estudo, é utilizado para fabricar peças, incluindo robôs de soldagem para sobrepor camadas de material ⁽⁴⁾. A MA de metais é crucial devido às propriedades mecânicas favoráveis dos metais, oferecendo novas soluções de fabricação ⁽²⁾.

Com aplicações nas indústrias aeronáutica, aeroespacial, automobilística e na área da saúde, a MA de metais permite a produção de peças leves e baratas em baixa demanda. O arame ER70S-6 é amplamente usado na soldagem, podendo ser aplicado na MA por ter baixo custo e alto desempenho em soldagem de aços de baixo carbono ^{(5, 9)}. Para consolidar a MA na indústria mundial, é necessário aprofundar o conhecimento sobre as características das peças, permitindo a padronização de parâmetros de fabricação, da inspeção e de testes, além de prever o comportamento mecânico dos produtos e garantir a precisão geométrica da peça ⁽³⁾. Por sua vez, a usinagem melhora o acabamento, a qualidade superficial e as tolerâncias geométricas, com destaque para o fresamento, que remove material de peças complexas.

Utilizando máquinas inicialmente aplicadas na soldagem de materiais, alguns setores da MA fazem uso delas para a sua aplicação. Com base no conceito de Controle Numérico Computadorizado (CNC), em que são definidas as trajetórias da ferramenta por meio de coordenadas, esse trabalho foi desenvolvido. Este estudo busca implementar a lógica de programação CNC para determinar a trajetória de corte da ferramenta, utilizada para fabricar cinco canais com ângulos entre 15° e 75° com passos de 15° em relação à direção de deposição de material por MA, para ensaio e réplica em cada ângulo, totalizando a fabricação de dez canais.

 

Metodologia

Para o desenvolvimento deste trabalho foi utilizado o software Fusion 360 da empresa Autodesk, gratuito para a versão de estudante, que possibilita o trabalho em um ambiente de modelagem, em que foi feita a peça com a sua geometria especificada, em um ambiente de simulação de usinagem. Neste ambiente foi possível configurar todos os parâmetros-base para a fabricação dos canais e a visualização do que aconteceria em laboratório, assim como a obtenção do código G gerado automaticamente pelo software ao executar a simulação.

Vale ressaltar que foram usados dois meios de desenvolvimento do código G: a partir da simulação que entrega automaticamente o código G de acordo com a trajetória estabelecida; e com base na geometria traçada no momento de modelagem dos canais, em que pôde-se identificar as coordenadas de entrada e saída da ferramenta em cada canal. Assim, é possível comparar as soluções computacional e manual, já que o segundo processo requer a análise técnica de um operador. Os parâmetros inseridos no software são baseados nas características da ferramenta de código G9A69050, da fabricante YG-1, que consiste em uma ferramenta de metal duro revestido em TiAlN, com 5 mm de diâmetro e quatro arestas cortantes. E os parâmetros de corte: velocidade de corte Vc = 40 m/min; profundidade de usinagem ap = 0,25 mm; avanço por dente fz = 0,020 mm; e levando à rotação n = 2548 rpm, aplicação no fresamento de topo.

A geometria da peça utilizada também é importante para a seleção dos parâmetros. Possui dimensões de 5 mm de espessura, 40 mm de largura e 160 mm de comprimento. É fabricada pelo processo de MADA-CMT com arame de soldagem de especificação ER70S-6, em que o termo “ER” indica um eletrodo em forma de vareta ou arame, o número 70 é referente ao limite de ruptura do ensaio de tração do material em ksi, a letra S indica um eletrodo sólido e o número 6 determina a sua faixa de composição química, como mostra a tabela 1.

 

Simulação

Foi modelada uma peça com as dimensões mencionadas e com os canais já posicionados (figura 1). A partir dessa modelagem foi possível identificar os melhores pontos de posicionamento dos canais, considerando que nas extremidades da peça devem ser usados fixadores para manter a peça imóvel na máquina-ferramenta enquanto são fabricados os canais, assim como determinar um espaço mínimo entre os canais para que não haja interferência durante o processo. Os parâmetros de corte, as características da ferramenta e a atmosfera lubrirrefrigerante foram configurados no ambiente de simulação de usinagem (figura 2).

 

Figura 1 – Modelagem 3D da peça com os canais realizados.

 

Figura 2 – Configurações dos parâmetros de usinagem para simulação.

 

Desenvolvimento manual

Como alternativa de solução para a implementação do código G, ainda usando o software Fusion 360, no ambiente de modelagem, foram gerados esboços 2D da peça, em que a medição das dimensões dos canais e seus posicionamentos foram inseridos, com o objetivo de identificar os pontos de início e fim da trajetória da ferramenta. Isso é baseado em uma lógica trigonométrica, para que a ferramenta percorra o menor caminho entre dois pontos que, no caso, são as arestas de um triângulo retângulo (figura 3).

 

Figura 3 – Demonstração da definição das trajetórias de usinagem.

 

Resultados

Como resultado da simulação, obteve- -se o comportamento esperado da trajetória da ferramenta para a fabricação dos canais, assim como a visualização do processo. Além disso, o código G baseado nos parâmetros inseridos foi gerado, porém, com uma complexidade maior do que o gerado pela solução alternativa, pois o sistema operacional indica a posição real da ferramenta a cada momento, exigindo mais tempo de processamento. A figura 4 ilustra a peça com o resultado da simulação, os pontos de entrada e saída da ferramenta identificados pelas caixas de texto, os canais representados pelas áreas coloridas e a trajetória da ferramenta indicada pelas linhas. A partir do ponto de entrada da ferramenta, o ângulo de inserção é alterado a cada dois canais fabricados.

Já para a solução manual, foram utilizados os valores de coordenadas X e Y identificados no esboço da peça (figura 5), representando as medidas das coordenadas de entrada e saída para o canal e réplica feitos com ângulo de 15°. Para os demais canais a lógica foi a mesma. Isso permitiu que fosse desenvolvido um código G para inserir manualmente na máquina CNC, com menor quantidade de elementos e linhas de código, o que necessita de menos tempo de processamento e maior facilidade na aplicação do mesmo, já que são geometrias simples e processos de curta duração, justificando a adoção desse tipo de método para a aplicação.

 

Figura 4 – Imagem ilustrativa da simulação após o fresamento

 

Figura 5 – Medição das coordenadas dos pontos de entrada e saída da ferramenta.

A figura 6 mostra o código G desenvolvido para o canal e réplica de 15°. É um código curto, com poucas linhas necessárias para a descrição das trajetórias da ferramenta e poucas linhas para determinar os parâmetros de corte. O mesmo se repete para os demais canais, alterando apenas os valores das coordenadas de entrada e saída da ferramenta. Por apresentar menor complexidade, decidiu-se pelo uso dos códigos desenvolvidos manualmente, pois eles descrevem a trajetória de forma direta e exigem poucas linhas de digitação. Vale ressaltar que, para os demais canais, a lógica segue a mesma apresentada para os canais de 15°. Porém, para o desenvolvimento do código por inteiro, basta definir os parâmetros uma única vez, já que as coordenadas de todos os canais podem ser inseridas no mesmo código.

 

Figura 6 – Código G feito para o canal de 15º.

 

Conclusão

Após a elaboração das trajetórias de usinagem pelo software Fusion 360, pôde-se notar que o uso do recurso facilita a visualização da peça final e das trajetórias que serão executadas. Entretanto, com o objetivo de maior aprendizagem, a versão final para estudo foi elaborada manualmente, por comandos em código G, com apoio do programa para determinação das coordenadas da trajetória. Nota-se ainda que, quanto maior a complexidade da geometria a ser usinada, maior a importância dos recursos computacionais. Conclui-se que o Fusion 360 é uma boa ferramenta de apoio para a elaboração de trajetórias para ser aplicada em estudos de usinagem em máquinas com comando numérico.

 

Agradecimentos

Os autores agradecem ao CNPq, processo 402730/2023-2, pelo apoio financeiro.

 

Responsabilidade pelas informações

Os autores são os únicos responsáveis pelas informações incluídas neste trabalho.

 

Referências

 

1) Boehler, W., 2023. “Solid wire, mild steel.” Data de acesso: 26/11/2023. Disponível em:

2) Dilberoglu, U. M. et al., 2017. “The role of additive manufacturing in the era of industry 4.0”. Procedia Manufacturing, v. 11, p. 545–554.

3) Gomes, J. F. B.; Wiltgen, F., 2020. “Avanços na manufatura aditiva em metais: técnicas, materiais e máquinas”. Revista Tecnologia, v. 41, n. 1, 9 abr.

4) Laukik, P. R.; Ravindra, V. T., 2021. “Wire arc additive manufacturing: a comprehensive review and research directions”. Journal of Materials Engineering and Performance, v. 30, n. 7, p. 4768–4791.

5) Novelino, A. L. B., 2021. “Estudo da geometria dos cordões fabricados pelo processo de manufatura aditiva por deposição a arco”. Monografia, Engenharia Mecânica, Brasília: Universidade de Brasília.

6) Volpato, N., 2017. “Manufatura aditiva; tecnologias e aplicações da impressão 3D”. São Paulo: Editora Blucher. E-book. ISBN 9788521211518. Disponível em: Acesso em: 29 jul. 2024.

7) Wiltgen, F., 2019. “Protótipos e prototipagem rápida aditiva sua importância no auxílio do desenvolvimento científico e tecnológico”.

8) Wiltgen, F., 2021. “Manufatura aditiva em metais - leve, forte e inovador”. Revista de Engenharia e Tecnologia, v. 13, n. 2, p. 47–58.

9) Zhai W, Guo Y, Aishwarya, Canturri C, Shandro R, Zhow W., 2024. “Wire arc additive manufacturing of ER70S-6S355 bimetal component”. Materials Science and Engineering: A, v. 900.