Durante a produção e a manutenção de equipamentos podem acontecer contratempos em projetos, processos, materiais, dentre outros, que afetam diretamente a indústria e podem, dessa forma, causar inúmeros prejuízos, tanto material, quanto financeiros, como atrasos na linha de produção. Além disso, com a chegada da quarta revolução industrial, o aumento da competitividade torna-se inevitável. A digitalização da produção com o objetivo de agilizar e otimizar processos de produção, criar rastreabilidade, reduzir desperdícios de materiais e de insumos, tornou-se o desafio atual da produção. E somando a tudo isso, a conversão para a “indústria verde” não será apenas um fator competitivo, mas obrigatório. Dessa forma, ao se adaptar para Indústria 4.0, torna-se imprescindível a aplicação de simulação numérica nos mais diversos processos de produção, com destaque para a simulação de processos de soldagem e da manufatura aditiva.
As simulações numéricas apresentam-se como uma poderosa ferramenta para a previsão de problemas que podem ser evitados, diminuindo assim o retrabalho e desperdícios fabris. Dentre os muitos resultados que as simulações podem trazer, destaca-se as previsões térmicas; as previsões de distorções e tensões; e a otimização de projeto e processos.
- i) Previsões Térmicas
Durante o processo de soldagem ou da manufatura aditiva ocorre uma variação brusca e localizada de temperatura na peça, podendo gerar problemas de distorções, tensões e transformações microestruturais. Assim, com o uso de técnicas numéricas, é possível prever campos de temperaturas ao longo do tempo e taxas de aquecimento e resfriamento de qualquer material e formato de estrutura. Basta ter as propriedades térmicas corretas para o software de elementos finitos, por exemplo. A Figura 1 mostra o campo de temperatura de processos de soldagem e manufatura aditiva de metais.
(a)
(b)
Figura 1. Campo de temperatura (a) processo de soldagem de chapas de aço (b) manufatura aditiva de alumínio
- ii) Previsões de Distorções e Tensões
Além do campo de temperatura, com o uso de análises estruturais é possível prever distorções e tensões térmicas durante o processo e tensões residuais ao fim dele. De posse destas informações, é possível modificar o projeto e os processos envolvidos na fabricação da peça minimizando estes problemas. A Figura 2 mostra exemplos de simulação de distorções e tensões residuais.
(a)
(b)
Figura 2. (a) Distorção em painéis de embarcações depois da soldagem, (b) Tensões residuais longitudinais em chapas unidas por soldagem.
iii) Otimização de projeto e processos
A simulação numérica pode otimizar o projeto de peças e processos de soldagem e principalmente de manufatura aditiva. A otimização pode ocorrer com relação geometrias da união juntamente com a previsão de distorções da estrutura e tensões residuais analisando, por exemplo, a vida a fadiga de juntas soldadas. Além disso, é possível aplicar otimização paramétricas de peças a serem fabricadas por soldagem. E por último existem também as otimizações topológicas. Este tipo de otimização possui vários critérios, sendo que, um dos mais utilizados é minimizar a quantidade de material da peça sem que haja piora da rigidez ou da resistência da peça. Esta otimização é muito aplicada em manufatura aditiva a laser e em alguns casos em manufatura aditiva a arco. A Figura 3 mostra a evolução do projeto de uma viga que sofre flexão.
(a)
(b)
(c)
Figura 3. Projeto de otimização topológica de uma viga sob flexão (a) Geometria da viga com carregamento localizado de flexão, (b) Campo de tensões, (c) Geometria da viga ao final da otimização topológica
É importante pontuar também que há dificuldades na implementação da simulação numérica, tais como a necessidade de mão-de-obra especializada; demanda pelo uso de máquinas computacionais de alto poder de processamento; e conhecimento físico dos processos que serão realizadas as simulações.
Embora sejam limitações importantes, o Laprosolda/UFU tem procurado, ao longo das últimas duas décadas, contribuir para o uso de simulações numéricas na indústria, auxiliando na digitalização da cadeia produtiva, reduzindo desperdícios e aumentando a competitividade, sem esquecer da questão ambiental de produção. Dessa forma, a simulação numérica apresenta-se como uma ferramenta indispensável para a indústria moderna no cenário da Indústria 4.0.
Esse artigo foi escrito para a Newsletter de dezembro de 2023 da ABS – Associação Brasileira de Soldagem pelo Prof. Douglas Bezerra de Araújo da Laprosolda-Embrapii, Universidade Federal de Uberlândia.