A incrível evolução da impressão 3D no setor aeroespacial e de defesa

Eles podem não ser equipamentos críticos para o voo ainda, mas as peças impressas em 3D para aeronaves comerciais e militares e naves espaciais estão facilitando a redução de peso e custos de material. Tradução:há ROI aqui para casos de uso muito específicos e ganho funcional com a economia sendo bem utilizada.

A manufatura aditiva tem um futuro brilhante. Mas quão brilhante será para a indústria aeroespacial e de defesa? Exploramos como as peças impressas em 3D estão causando impacto hoje – e analisamos algumas das limitações.

Conversamos com especialistas em engenharia da 3D Systems e da 3DDirections para descobrir para onde está indo a manufatura aditiva e a impressão 3D no setor aeroespacial e de defesa. Mas primeiro, vamos olhar para a evolução da indústria nesta vibrante vertical.

A história da impressão 3D e peças aditivas para aeroespacial e defesa

A indústria aeroespacial e de defesa, especialmente as forças armadas dos EUA, foi uma das primeiras a adotar peças impressas em 3D, mas principalmente para testes e simulações, porque as classificações de incêndio e toxicidade dos plásticos não estavam à altura dos metais para o voo - tanto no espaço quanto acima as nuvens.

Essas peças de teste foram usadas principalmente em drones e satélites, explica Bryan Newbrite, engenheiro de aplicação da 3D Systems. Entre 2008 e 2013, plásticos feitos de aditivos como Bluestone foram usados ​​em testes para coisas como túneis de vento e peças de dutos, mas resinas cerâmicas também foram usadas para simulações.

Esses casos de uso foram bons para imitar o fluxo do vento. Essas peças nunca foram usadas com humanos. Antes dessa era, em meados da década de 1990, algumas peças 3D eram usadas para fundições rápidas.

As coisas começaram a mudar por volta de 2007 a 2013.

“A maior mudança no setor aeroespacial foi, na verdade, o desenvolvimento da sinterização seletiva a laser retardadora de chamas”, diz Newbrite. “É uma das poucas coisas que você começou a encontrar em uso na aviação comercial… Basicamente, pegava nylon 12 ou nylon 11 e adicionava retardantes de chama para que passasse no teste de chama.”

Isso foi significativo porque significava que o material poderia reter um pouco de calor sem pegar fogo – e poderia se apagar rapidamente sem liberar fumaça tóxica.

Foi usado pela primeira vez em satélites. A principal razão? Retorno do investimento.

“Custa US$ 40.000 a US$ 50.000 por quilograma para colocar um satélite em geoestacionário”, diz Newbrite. “Então, se você pode projetar um suporte estrutural ou um membro interno de um satélite e cortar alguns quilos, bem, o custo real adicional de ter que construí-lo com aditivos é mais do que resolvido.”

Um momento crucial na história da impressão 3D no setor aeroespacial:o bocal de combustível do motor LEAP da GE

Uma das peças aditivas mais notáveis ​​feitas para a aviação comercial foi um bico de combustível impresso em 3D pela GE, para o motor LEAP. É um exemplo brilhante de como os esforços de pesquisa e desenvolvimento se concretizam – e atraem muita atenção para a inovação.

“A forma como a GE teve sucesso neste projeto foi que eles apenas tiveram que usar força bruta para que isso acontecesse, o que significou que eles construíram milhares e milhares desses bicos para poder qualificá-los como peças viáveis ​​​​que podem ser impressas, ” explica Chris Barrett, presidente e fundador da 3DDirections, consultor de manufatura aditiva e especialista em engenharia mecânica.

Barrett trabalha para a Universal Technology Corporation como cientista pesquisador e é Ph.D. candidato na Youngstown State University, em Ohio.

“A maneira como eles tinham que fazer isso antes é basicamente toneladas de camadas de papel alumínio de diferentes tipos espremidas juntas”, diz Barrett. “E essa foi a única maneira de obter a complexidade necessária. Para a versão 3D, ele usou a mesma abordagem em camadas, mas imagine fazer isso manualmente.”

De acordo com a GE, os bicos impressos em 3D são “cinco vezes mais duráveis ​​que o modelo anterior” e a abordagem aditiva “permitiu que os engenheiros usassem um design mais simples que reduziu o número de brasagens e soldas de 25 para apenas cinco”.

Um tema comum de impressão 3D e manufatura aditiva:a redução de peças, etapas ou peso

Tanto Barrett quanto Newbrite apontam que a maioria das peças impressas em 3D para aeroespacial e defesa não são críticas de voo hoje. Apesar da incursão da GE com bicos de combustível, a produção de alto volume é um problema.

“Com o tempo, tenho certeza de que as tecnologias e abordagens aditivas serão alcançadas”, diz Newbrite. “Mas em termos de custo, você realmente não vê muito disso agora em produção. As grandes aeronaves comerciais tornaram-se muito eficientes. Realmente, a maioria dos casos de uso no momento está fortemente focada em militares, drones, aeronaves não tripuladas e satélites, onde o peso realmente importa.”

Os métodos tradicionais de fabricação com máquinas CNC avançadas e de precisão continuarão a dominar a indústria porque continuam sendo os mais econômicos.

“Geralmente é de 10 a 100 vezes o custo do tradicional”, diz Barrett. “Então, ele precisa mostrar uma melhoria de 10 a 100 vezes como parte no final do dia.”

No entanto, existem alguns aplicativos em uso hoje e muitos outros que estão sendo avaliados. Os grandes OEMs comerciais e de defesa, incluindo Boeing, Airbus, Honeywell, GE e Lockheed Martin, estão investindo fortemente em pesquisa de manufatura aditiva.

Barrett aponta para outro projeto de P&D da GE que tentou imprimir a maioria das peças de um motor de avião – um turboélice avançado, ou ATP – e foi bem-sucedido usando superligas de titânio.

“A GE pegou um motor feito de 855 peças e reduziu para cerca de 12”, diz Barrett. “Eles foram capazes de reduzir o peso do motor em 100 libras e aumentar a eficiência de combustível em 20 por cento.”

Veja todos os componentes impressos em 3D do mecanismo ATP da GE. Fonte:GE

A redução de peso também permitiu um aumento de 10% na potência em relação ao seu antecessor. Este motor está planejado para entrar em produção para o avião Cessna Denali da Textron Aviation.

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Impressão 3D para Aeroespacial e Defesa:MRO e peças sobressalentes 

Um dos casos de uso mais interessantes para impressão 3D é a fabricação de peças de reposição para aeronaves legadas, como as encontradas nos C-130 e B-52. As aeronaves são mais antigas, mas ainda são usadas para transportar cargas e tropas – e suas peças estão se tornando cada vez mais difíceis de substituir, explica Barrett.

O problema? Os aviões podem ficar parados por longos períodos – às vezes por vários anos devido à falta de peças sobressalentes. Algumas dessas aeronaves datam de 50 anos e as empresas não fabricam mais peças para elas – ou faliram. As empresas dispostas a fazer peças de reposição podem levar anos para concluí-las.

“Quando começamos a pesquisar isso, descobrimos que algumas dessas partes, porque ficaram no avião e foram espancadas por tantas décadas, se esticaram e deformaram à medida que o avião se esticou e deformou”, diz Barrett. “Então cada parte é um pouco diferente, porque a curva de 90 graus agora não é mais de 90 graus, pode ser de 85 graus. Bem, eu não posso fazer um molde de gesso que dê conta de todas essas diferenças. Portanto, é um caso perfeito para impressão 3D.”

Empresas como a 3D Systems e outras podem fazer peças personalizadas para cada plano trazendo scanners 3D para um plano, criando arquivos digitais e imprimindo cada peça sob medida para se adequar à forma e geometria daquela peça em sua condição atual.

Veja MRO e peças de reposição sendo feitas para aeronaves militares legadas. Fonte:Sistemas 3D

Esse projeto de peças de reposição de legado envolve várias organizações públicas e privadas por meio de uma iniciativa chamada Maturation of Advanced Manufacturing for Low-Cost Sustainment, ou MAMLS, que é financiada pelo Laboratório de Pesquisa da Força Aérea.

Um fabricante que fez incursões com aviões C-130 é a Metro Aerospace, uma empresa apresentada no Better MRO no International Manufacturing Technology Show 2018. A Metro Aerospace está entregando peças de microvane para os militares. Microvanes são feitos de um composto de polímero leve, não corrosivo e durável que inclui contas de vidro e nylon.

Leia tudo sobre os desafios e o sucesso de produção da Metro Aerospace no artigo “ Como levar uma peça impressa em 3D ao mercado aeroespacial .”



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