Reconstrução de cruzamentos de vias utilizando manufatura aditiva

Um dos componentes fundamentais das redes ferroviárias, sejam elas de alta velocidade ou urbanas, é o cruzamento ferroviário. Localizado no centro dos desvios e cruzamentos está o jacaré, cujo propósito é garantir a continuidade das rotas de cruzamento. Como resultado de sua função, esta parte da via está sujeita a tensões significativas, tais como altas cargas/pressão e impacto, resultando em desgaste e deformação do trilho.

Quando o desgaste se torna evidente nos trilhos, esses componentes podem ser reparados no local, seguindo um procedimento de soldagem muito preciso. O objetivo principal é reconstruir a geometria desejada por meio de soldagem a arco, graças à deposição de material, e então proceder à retificação do trilho para retornar ao seu perfil original antes de voltar à operação.

Em geral, quando o cruzamento da via passou por vários reparos no local, reparos adicionais por soldagem a arco não são mais autorizados pelo gestor da rede, pois existe o risco de que as características mecânicas iniciais do cruzamento tenham se deteriorado excessivamente (devido aos diferentes ciclos térmicos que ocorrem durante as operações de soldagem). O cruzamento desgastado é então descartado (para ser reciclado) e substituído por um novo.

Com a manufatura aditiva, podemos repensar o ciclo de vida desses cruzamentos de vias

A impressão 3D de metal tem sido utilizada com sucesso na indústria há várias décadas, com diferentes processos (arco, laser, etc.). Estas tecnologias de fabricação tornam possível produzir peças com geometrias frequentemente complexas, através da adição de material e sobreposição da quantidade necessária de camadas.

Esta nova forma de projetar e fabricar abre um campo de possibilidades ao trazer vantagens significativas em termos de tempo de produção, mas também de custos.

Neste artigo, o processo utilizado baseia-se no uso da soldagem por feixe de laser com metal de adição na forma de arame tubular. Comumente referido pelas siglas WLAM (Wire Laser Additive Manufacturing) ou Ded-Clad-w (Wire Directed Energy Deposition), este processo consiste na fusão utilizando um feixe de laser focado em um arame metálico, a fim de formar um depósito no qual as dimensões são completamente controladas.

Esta técnica altamente produtiva é utilizada para fabricar peças grandes (vários metros). O uso de um arame tubular torna possível aumentar a produtividade, graças a uma taxa de deposição elevada do metal de adição (o arame tubular funde mais rápido do que uma seção completa de arame sólido). Também é possível adaptar e ajustar a química do metal de solda modificando a composição química do arame (mantendo-se dentro de quantidades razoáveis de lotes de produção).

1. Reconstrução – uma alternativa ecologicamente correta

A reconstrução por manufatura aditiva WLAM estende o ciclo de vida do cruzamento. Portanto, em vez de ser enviado para uma usina siderúrgica para ser reciclado, o cruzamento pode ser completamente recondicionado em uma oficina especializada.

O primeiro passo é remover a parte do cruzamento que foi afetada pelo desgaste, garantindo que apenas o material original “saudável” e não afetado permaneça.

Após verificar a qualidade do metal de base do material restante, uma captura 3D é realizada utilizando uma ferramenta de metrologia portátil. Isso torna possível simular a abordagem de manufatura aditiva por laser de arame para reconstruir a forma original do cruzamento. Trata-se então apenas de aplicar o procedimento de soldagem adequado (parâmetros, ciclos térmicos, etc.) para sobrepor as camadas necessárias de qualidade ideal, de acordo com a geometria desejada.

2. O novo design – alternativa técnica-econômica

Até o momento, os cruzamentos de vias são peças fundidas com uma composição química que varia de acordo com as redes e necessidades. Ao sobrepor as camadas necessárias em um suporte de base (ex: aço C-Mn grupo 1), a manufatura aditiva tornará possível produzir grandes cruzamentos de geometria variável na liga escolhida pelo cliente:

• aço de baixa e média liga proporcionando dureza significativa (350-600 HB);
• aço de alta liga para responder a tensões/desgastes significativos;
• aço austenítico Cr-Mn ou Cr-Ni-Mn com propriedades de encruamento;
• empilhamento de camadas com várias ligas para responder às tensões da forma mais precisa possível.

O uso do processo laser-arame Ded-Clad na manufatura aditiva oferece várias vantagens:

• redução dos custos de produção;
• personalização de componentes;
• melhoria do desempenho global.

A Irepa Laser(1) e a Welding Alloys France(2) combinaram seus conhecimentos e habilidades em soldagem a laser e manufatura aditiva para produzir uma demonstração.

Algumas informações importantes:

O cruzamento de via utilizado era sucata e estava pronto para ser reciclado

→ Material de base = 400 HB

→ Dimensão da peça: 1.870 x 800 x 370 mm (370 kg)

→ Arame tubular Welding Alloys = encruamento HARDFACE AP-G

→ Preparação = Goivagem por arco-grafite e esmerilhamento

→ Geração de um modelo 3D usando um scanner 3D de luz branca = 30 min

→ Programação offline (definição de abordagem, parâmetros e simulação de pós-processamento) = 1 hora e 30 minutos

→ Tempo de reconstrução pelo processo laser-arame Ded-Clad = 11 horas

→ Quantidade de arame tubular utilizada = 13 kg

(1) A Irepa Laser é uma empresa cooperativa orientada para a comunidade (SCIC) especializada em processos a laser e materiais. Oferece aos seus clientes soluções industriais sob medida para apoiá-los em seus projetos de desenvolvimento de produtos e industrialização. Atua em nível nacional com foco europeu. A natureza de suas atividades e sua pegada estão no centro das questões sociais relacionadas às pessoas, ao meio ambiente ou à ética. Diante desses desafios, a Irepa Laser e seus parceiros visam tornar-se líderes em processos de fabricação inovadores e responsáveis utilizando lasers.

(2) A Welding Alloys France SAS é uma subsidiária do Grupo Welding Alloys, um grupo familiar estabelecido em mais de vinte países em todos os continentes. Seu propósito é melhorar a durabilidade dos equipamentos industriais de seus clientes. Sua competência: revestimento por soldagem de materiais resistentes ao desgaste. Para isso, desenvolve e fabrica seus próprios arames de soldagem e suas próprias máquinas de soldagem automáticas, mas também oferece, graças a equipes de soldadores especializados, o reparo das instalações / peças de seus clientes in situ, ou em suas oficinas.