Toyota usa ferramenta impressa em 3D para o Yaris Hybrid. E a inovação vai mudar a indústria
A Toyota recorre a um novo material de alumínio e a um método de impressão 3D para fabricar ferramentas de fundição sob pressão grandes e complexas.
Na corrida incessante para fabricar carros com mais eficiência, cada componente conta. Agora, a Toyota está visando uma etapa crucial da fabricação, usando a impressão 3D avançada para criar ferramentas de fundição em massa. O projeto tem como objetivo reduzir os tempos e os custos de produção, potencialmente mudando uma parte importante da forma como os veículos são fabricados.
Embora o grande inlay de ferramenta de fundição sob pressão desenvolvido em conjunto pelo Fraunhofer Institute for Laser Technology, MacLean-Fogg e Toyota ainda não tenha sido implantado na fabricação de produção de rotina, é uma demonstração promissora de algo que o setor de AM vem divulgando há muito tempo — o fato de que a impressão 3D pode produzir rapidamente moldes personalizados com canais de resfriamento conformados que aumentam a eficiência e que não podem ser fabricados de outra forma.
O projeto comprovou, de acordo com o Fraunhofer, a escalabilidade e a viabilidade de um inserto grande construído aditivamente com o novo aço para ferramentas L-40 e um sistema de fusão de leito de pó a laser de grande formato. A Toyota já está usando ferramentas de molde menores na produção em série e descobriu que elas proporcionam uma vida útil significativamente mais longa do que as ferramentas fabricadas tradicionalmente.
Essa ferramenta de fundição sob pressão, projetada para a carcaça da transmissão do Toyota Yaris Hybrid, incorpora canais de resfriamento conformes que seguem de perto os contornos complexos de uma cavidade de molde, em vez de seguirem em linhas retas, como acontece com os canais perfurados tradicionais. Em uma ferramenta de fundição sob pressão de carcaça de alumínio, eles proporcionam uma extração de calor mais uniforme e eficiente em toda a superfície da cavidade, o que reduz os tempos de ciclo ao permitir uma solidificação mais rápida e consistente. Isso reduz a probabilidade de pontos quentes, porosidade e distorção, levando a uma melhor qualidade de fundição, além de aumentar a vida útil da matriz ao minimizar a fadiga térmica.
Depois que o inserto do molde foi construído, ele foi recozido com alívio de tensão e suas superfícies funcionais foram fresadas convencionalmente. A alta precisão dimensional do corpo da base aditiva exigiu apenas um acabamento final preciso, sem entrada de material adicional.
No centro do desenvolvimento está um novo aço para ferramentas chamado L-40, criado pela MacLean-Fogg especificamente para a manufatura aditiva. O material tem uma tendência muito menor de rachar durante a impressão e o pós-processamento e apresenta propriedades mecânicas fortes, incluindo alta dureza, resistência à tração e resistência ao impacto.
O projeto contou com a impressora 3D LPBF de grande porte baseada em pórtico da Fraunhofer ILT, que oferece um volume de construção de 1.000 × 800 × 350 mm e pode fabricar de forma reproduzível componentes com mais de 20.000 cm. Essa escala de produção aditiva era limitada anteriormente por tensões residuais, distorção e baixo desempenho em aços para ferramentas convencionais, como H11, H13 e M300.
Uma inovação na impressão 3D LPBF foi o módulo de substrato aquecido da Fraunhofer, que mantém a plataforma de construção a cerca de 200 °C durante a produção. Essa inovação minimiza o estresse térmico e reduz ainda mais o risco de rachaduras em construções tão grandes, de acordo com a Fraunhofer.
Os resultados indicam vantagens claras para a vida útil e a eficiência da ferramenta, diz a Fraunhofer.
“Para superar essas limitações, precisamos de uma nova geração de máquinas e materiais especificamente adaptados aos requisitos das ferramentas HPDC de grande formato”, explica Niklas Prätzsch, líder do grupo de tecnologia de processo LPBF na Fraunhofer ILT. “Foi exatamente essa combinação que foi o objeto das últimas mudanças que implementamos.”
A conquista do Fraunhofer ILT mostra que, com a combinação certa de material, tecnologia de máquina e estratégias de projeto, agora é possível produzir aditivamente ferramentas de fundição sob pressão grandes e pesadas. Isso abre novas oportunidades para o setor automotivo, no qual ferramentas escalonáveis e duradouras com gerenciamento térmico aprimorado podem apoiar a produção mais flexível de componentes de veículos e reduzir os prazos de entrega.
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