Fabricação aditiva para sistemas de freio de última geração

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Leve e eficiente: os benefícios adicionais da manufatura aditiva

Quando se trata dos sistemas de frenagem usados nos trens, segurança, confiabilidade e desempenho são sempre a prioridade número um. Nesses domínios, a Wabtec lidera com nossas soluções de freios Metroflexx e Regioflexx. A Metroflexx define o padrão para o setor ferroviário de transporte coletivo, enquanto a Regioflexx é nossa solução de última geração para trens suburbanos, intermunicipais, regionais e de alta velocidade.

Além de serem tão seguros quanto possível, os dois sistemas também estão entre os mais leves e eficientes do mercado, o que traz benefícios significativos para os operadores de trens. Nossos engenheiros conseguem isso por meio de dois recursos principais de projeto e fabricação: o uso de software em vez de componentes pneumáticos e a manufatura aditiva. Ao aproveitar essas soluções modernas e inovadoras, aumentamos a confiabilidade e o desempenho de ambos os produtos de freio, ao mesmo tempo em que reduzimos o tempo e os custos de manutenção e instalação e criamos várias eficiências.

Uma abordagem inovadora para design e fabricação de freios

Ao desenvolver o Metroflexx e o Regioflexx, a Wabtec deu um grande salto ao substituir alguns componentes pneumáticos que executam funções críticas de segurança em sistemas de freio por emulação de software no mesmo nível de segurança. O benefício disso é claro: um componente que não é realmente um produto físico não gera custos além do desenvolvimento e da validação, não tem peso, não cria restrições de instalação e não requer manutenção. Embora os componentes pneumáticos exijam configurações específicas do projeto, uma vez substituídos pelo software de emulação, as configurações são substituídas por parâmetros de software que só precisam ser corrigidos uma vez para o projeto.

Essa mudança é inovadora, e a Wabtec poderia ter parado por aí, mas decidimos ir ainda mais longe. Optamos por explorar o uso da manufatura aditiva para as peças pneumáticas restantes, a fim de reduzir o peso e tornar nossos produtos ainda mais vantajosos para os clientes.

Quando a manufatura aditiva é adicionada à mistura

Os componentes pneumáticos são tradicionalmente feitos de alumínio, usinados em tarugos de alumínio ou, quando os volumes de fabricação permitirem, fundidos. Cada componente é flangeado em um painel perfurado ou colado ou montado em tubo, e cada interface entre um componente pneumático e seu suporte requer fixadores e vedações para garantir a estanqueidade. Embora esse sistema garanta que os componentes possam ser desmontados facilmente para manutenção, o uso de peças extras tem um preço: as vedações em cada interface precisam ser substituídas durante a revisão do sistema de freio e podem estar sujeitas a vazamentos. Isso significa maiores custos de manutenção e degradação da confiabilidade, além de peso adicional.

Quando a Wabtec estava desenvolvendo o Metroflexx e o Regioflexx, a tecnologia de manufatura aditiva já estava revolucionando vários setores, incluindo ferrovias. Embora nossos engenheiros já tivessem minimizado o número de componentes pneumáticos usados no Metroflexx e no Regioflexx, também queríamos aproveitar ao máximo essa nova tecnologia para impulsionar ainda mais a integração física e minimizar o número de interfaces pneumáticas necessárias.

Melhoria em todas as áreas

A imagem superior na figura 1, abaixo, mostra o projeto inicial da placa principal Metroflexx com alumínio fundido e os principais componentes pneumáticos flangeados na placa, com vedações em cada interface pneumática, além de parafusos. A imagem inferior mostra o design da mesma placa Metroflexx com design de manufatura aditiva.

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Figura 1: A versão inicial do Metroflexx com chapa fundida e a versão impressa em 3D

A tecnologia aditiva traz vários benefícios: para o produto em si, para a forma como ele é produzido e durante todo o seu ciclo de vida.

Integração física

• O corpo dos principais componentes pneumáticos é totalmente integrado ao corpo da placa, limitando o número de interfaces pneumáticas e mecânicas. Além disso, o número de vedações é bastante reduzido, melhorando a confiabilidade e reduzindo os custos de manutenção.
• A tubulação interna é bastante otimizada, melhorando o desempenho pneumático. O posicionamento dos componentes na placa também pode ser otimizado, sem restrições de usinagem, facilitando a manutenção.
• A versão impressa em 3D do Metroflexx mescla nada menos que 32 peças separadas em um único componente.

Melhoria de peso

Em equipamentos tradicionais de controle de freio com rack eletrônico, painel de freio pneumático e válvulas de proteção contra deslizamento de roda, o controle de freio pesa cerca de 70 kg.

O Metroflexx, que substitui o equipamento tradicional de controle de freio, pesa 15 kg no projeto inicial com uma placa de alumínio fundido. Quando produzido com uma placa de fabricação aditiva, o peso da Metroflexx cai para 10 kg, representando uma melhoria de peso de 33%. A diferença de 5 kg não tem um grande impacto na carga útil do trem, mas faz uma grande diferença em termos de manutenção. Como unidade substituível de linha (LRU), com 10 kg, a Metroflexx (ou Regioflexx) pode ser substituída no trem por um único operador em menos de 20 minutos sem ferramentas especiais, o que significa que o reparo ou a revisão podem ser feitos em uma oficina especializada sem afetar a disponibilidade do trem. Com 10 kg, o Metroflexx e o Regioflexx são, de longe, os controles de freio integrados mais leves disponíveis no mercado.

Processando

O tempo de usinagem é reduzido em 80% e a energia necessária para produzir a peça é dividida por quatro. Nossa cadeia de suprimentos se torna mais flexível, pois não dependemos mais de fornecedores de fundição. Isso resulta em menos necessidade de transporte e na capacidade de solicitar quantidades conforme necessário, sem requisitos mínimos.

Evolução do design

O design é totalmente flexível, portanto, as modificações podem ser realizadas conforme necessário simplesmente alterando o modelo digital associado, eliminando assim os custos relacionados às modificações nas ferramentas.

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Figura 2: A versão inicial do Metroflexx com chapa fundida e a versão impressa em 3D

Testes exaustivos para garantir a segurança

Quando se trata de equipamentos críticos de segurança, como sistemas de frenagem, a Wabtec leva muito a sério os testes e a validação de nossas inovações. A fabricação aditiva não é exceção. Nossos produtos foram submetidos aos testes mais rigorosos para validar seus principais recursos de segurança.

1. Examinamos como garantir que os canais pneumáticos permaneçam limpos e livres de poluição, especificamente em tubulações e componentes.
2. Nossos laboratórios realizaram testes hidráulicos e de fadiga de alta pressão para garantir a robustez do produto sob pressão.
3. Os produtos foram submetidos a choques e vibrações para garantir que pudessem resistir a um ambiente de trem real.
4. Realizamos testes ambientais, que incluíram a exposição dos produtos a temperaturas extremas e à névoa salina.

Esse extenso programa de validação nos permitiu ter total confiança de que essa tecnologia poderia garantir o mesmo nível de segurança e durabilidade dos sistemas e componentes pneumáticos fabricados tradicionalmente.

Fabricação aditiva: camada após camada de benefícios

As vantagens oferecidas pelo uso da manufatura aditiva são inúmeras e não podem ser exageradas. Essa tecnologia não apenas reduz o peso das peças produzidas, mas também permite a integração produto-função que limita a necessidade de manutenção do equipamento. Ele reduz os tempos de fabricação e os prazos de entrega de peças de reposição, além de facilitar a cadeia de suprimentos. Esses benefícios, que são vantajosos para os operadores de trens, também são bons para o meio ambiente, pois tornam o processo de fabricação muito mais ecológico ao reduzir significativamente o consumo de energia.

No futuro, a Wabtec decidiu recentemente construir um centro europeu de manufatura aditiva em Tours, França. O site tem capacidade para fabricar peças de polímero e metal e oferece serviços para toda a cadeia de valor, desde consultoria de design, execução de prova de conceito e suporte para validação e certificação, até impressão 3D e pós-processamento (usinagem, pintura, tratamento de superfície...).

Estamos comprometidos em liberar o potencial dessa tecnologia revolucionária para criar sistemas de frenagem cada vez mais confiáveis e eficientes que ajudem a acelerar o setor de transporte ferroviário em direção a um futuro mais seguro e ecológico.