Reconstrução de cruzamentos de trilhos usando manufatura aditiva

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

Uma vez que o desgaste é evidente nos trilhos, esses componentes podem ser reparados no local, seguindo um procedimento de solda muito preciso. O objetivo principal é reconstruir a geometria desejada por soldagem a arco, graças a uma deposição de material, e então prosseguir com a retificação do trilho de volta ao seu perfil original antes de retornar ao serviço.

Em geral, quando o cruzamento de trilhos foi submetido a vários reparos no local, reparos adicionais de soldagem a arco não são mais autorizados pelo gerente da rede, pois existe o risco de que as características mecânicas iniciais do cruzamento tenham se deteriorado muito (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 trilhos

A impressão 3D de metal tem sido usada com sucesso na indústria há várias décadas, com diferentes processos (arco, laser, etc.). Essas tecnologias de fabricação possibilitam a produção de peças com geometrias muitas vezes complexas, adicionando material e sobrepondo a quantidade necessária de camadas.

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

Neste artigo, o processo utilizado é baseado no uso de soldagem a laser com metal de adição na forma de fio tubular. Comumente referido pelos acrônimos WLAM (Wire Laser Additive Manufacturing) ou Ded-Clad-w (Wire Directed Energy Deposition), este processo consiste em fundir usando um laser de feixe focado em um fio de metal, a fim de formar um depósito no qual as dimensões são completamente controladas.

Esta técnica altamente produtiva é usada para fabricar peças grandes (vários metros). O uso de um fio tubular possibilita aumentar a produtividade, graças a uma taxa de deposição aumentada do metal de adição (o fio tubular derrete mais rápido do que uma seção completa de fio sólido). Também é possível adaptar e ajustar a química do metal de solda, ajustando a composição química do fio (enquanto permanece dentro de quantidades razoáveis de lote 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 base do material restante, uma captura 3D é realizada usando uma ferramenta de metrologia portátil. Isso possibilita simular a abordagem de manufatura aditiva a laser de fio, a fim de reconstruir a forma original do cruzamento. É então apenas uma questão de aplicar o procedimento de solda apropriado (parâmetros, ciclos térmicos, etc.) a fim de sobrepor as camadas necessárias de qualidade ideal, de acordo com a geometria desejada.

2. O novo design – alternativa técnico-econômica

Atualmente, os cruzamentos de trilhos 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 (por exemplo, aço C-Mn do grupo 1), a manufatura aditiva possibilitará a produção de grandes cruzamentos de geometria variável na liga escolhida pelo cliente:

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

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

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

Irepa Laser(1) e 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 trilhos usado 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)

→ Fio tubular Welding Alloys = HARDFACE AP-G de endurecimento por trabalho

→ Preparação = goivagem e retificação a arco-ar

→ 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 Ded-Clad a laser-fio = 11 horas

→ Quantidade de fio tubular usado = 13 kg

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

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