Usinagem CNC Aeroespacial de Precisão: Fabricação de Peças Leves em Titânio e Alumínio

A indústria aeroespacial global é um centro de inovação em design e manufatura, com milhões de peças metálicas complexas produzidas anualmente.

Uma ferramenta fundamental à disposição do setor aeroespacial é a usinagem CNC. A usinagem aeroespacial viabiliza a produção de componentes avançados de aeronaves a partir de metais leves como titânio e alumínio, além de ser uma valiosa ferramenta de prototipagem para departamentos de P&D aeroespaciais.

A usinagem aeroespacial abrange uma ampla gama de aplicações. Seja na aviação comercial, veículos militares ou até mesmo em viagens espaciais, a usinagem CNC desempenha um papel crucial no desenvolvimento e produção de componentes aeroespaciais de precisão.

Este artigo serve como uma visão geral de como a usinagem CNC é utilizada na indústria aeroespacial. Aborda aplicações de usinagem CNC aeroespacial, materiais para usinagem aeroespacial e muito mais.

O que é aeroespacial?

Aeroespacial é uma indústria altamente diversificada que compreende muitos subsetores, abrangendo desde a aviação comercial até a exploração espacial. Seu valor como indústria global é estimado em cerca de 800 bilhões de dólares.

A manufatura aeroespacial envolve a produção de peças para clientes comerciais, industriais e militares, sendo os governos alguns dos maiores contratantes do setor. Nos Estados Unidos, por exemplo, os dois maiores compradores de bens aeroespaciais são o Departamento de Defesa e a NASA, a agência de pesquisa aeronáutica e espacial do país.

Devido ao vasto número de subsetores aeroespaciais e à grande variedade de aplicações e produtos dentro deles, o setor aeroespacial exige uma ampla gama de tecnologias de manufatura, desde técnicas tradicionais como fundição e soldagem até tecnologias de ponta como manufatura aditiva de metais. A usinagem CNC aeroespacial situa-se entre esses dois extremos, sendo uma tecnologia consolidada que, no entanto, oferece possibilidades de design e materiais de vanguarda.

O que é usinagem aeroespacial?

Usinagem é o processo de manufatura de remoção de seções de material de uma peça bruta usando ferramentas de corte operadas por máquina. A usinagem CNC é uma versão digital da usinagem: computadores controlam ferramentas de corte motorizadas para formar novas peças de forma rápida e precisa.

A usinagem CNC aeroespacial remonta quase à invenção da própria usinagem CNC, em 1942. Uma das primeiras aplicações da usinagem CNC aeroespacial foi a produção de anteparas e revestimentos de asa. Hoje, muitas peças aeroespaciais podem ser usinadas, como transmissões, componentes de trem de pouso e componentes elétricos. A usinagem também pode ser usada para reparar ou modificar peças existentes, adicionar características detalhadas ou gravar informações textuais, como números de série.

Como muitos trabalhos de usinagem aeroespacial envolvem a produção de componentes críticos de uso final, a usinagem de precisão é necessária com centros de usinagem de 5 eixos de alta qualidade. Certas peças — componentes de motores a jato, por exemplo — podem exigir tolerâncias tão apertadas quanto 4 mícrons, muito mais rigorosas do que o normalmente aceitável na usinagem CNC.

A usinagem aeroespacial também é uma forma importante de prototipagem durante pesquisa e desenvolvimento. Máquinas CNC são adequadas para prototipar peças aeroespaciais metálicas que posteriormente serão fabricadas por fundição ou outras técnicas.

Peças usinadas aeroespaciais

A usinagem aeroespacial é responsável por muitas peças aeroespaciais, desde componentes vitais de motores a jato em titânio até peças leves de plástico para interiores de cabine.

Peças que se adequam à usinagem CNC aeroespacial são tipicamente peças de baixo volume que exigem alta resistência e características finas. Tais peças são geralmente limitadas em tamanho pelo envelope dos centros de usinagem CNC, mas vários materiais diferentes podem ser usados — geralmente ligas de titânio ou alumínio, mas com outras opções como plásticos de engenharia e compósitos também disponíveis. Algumas peças podem ser apenas pós-usinadas, após serem fundidas ou extrudadas.

A usinagem aeroespacial pode ser usada para protótipos e peças de uso final. No entanto, peças de uso final devem atender a rigorosos critérios de segurança, normas e certificações.

Peças aeroespaciais usináveis incluem (mas não se limitam a):

• Componentes de trem de pouso
• Pás de turbina e outros componentes de motor a jato
• Carcaças de motor
• Sistemas de geração de oxigênio
• Corpos de filtro para sistemas de filtração de líquidos e ar
• Conectores elétricos para sistemas elétricos
• Controles de movimento
• Atuadores
• Componentes de fuselagem
• Nervuras de asa
• Discos
• Eixos para transferência de potência
• Carcaças de mísseis e outros componentes
• Peças de cabine
• Assentos, apoios de braço e bandejas

Certificações de usinagem aeroespacial

A usinagem CNC aeroespacial é um procedimento crítico que não deixa margem para erros. Onde algumas indústrias permitem tolerâncias folgadas e variações de material, a aeroespacial exige precisão e consistência totais para garantir a segurança humana.

Diferentes aplicações e peças devem atender a diferentes normas e certificações, existindo normas específicas de países e internacionais. No entanto, uma certificação particularmente importante aplicável a muitas aplicações é a AS9100, uma norma internacional SAE concedida a fornecedores e descrita como um "Modelo para Garantia da Qualidade em Projeto, Desenvolvimento, Produção, Instalação e Serviços" na aeroespacial.

Uma extensão da ISO 9001, a certificação AS9100 não é obrigatória para toda produção de peças aeroespaciais, mas os clientes podem buscar fornecedores com a certificação para garantir a qualidade.

Outras certificações importantes para usinagem aeroespacial incluem ITAR (Regulamentos Internacionais de Tráfego de Armas), um conjunto de diretrizes do Departamento de Estado dos EUA que delineiam os requisitos dos EUA para venda e produção de tecnologia na Lista de Munições dos EUA, e Relatórios de Inspeção de Primeiro Artigo AS9102, que indicam conformidade com o requisito de verificação de peças aeroespaciais.

Tais certificações não são necessariamente obrigatórias para prototipagem aeroespacial, pois os protótipos não serão usados em aeronaves ativas.

Materiais para usinagem aeroespacial

A usinagem CNC é um processo versátil que pode ser usado para fabricar componentes tanto de metais quanto de plásticos. Na aeroespacial, no entanto, dois metais específicos reinam supremos: titânio e alumínio. Isso se deve à alta resistência (especialmente titânio) e baixo peso (especialmente alumínio) dos materiais.

Ligas de titânio

Nenhuma indústria no mundo usa mais liga de titânio do que a aeroespacial. É fácil ver o porquê: o metal tem uma excelente relação resistência-peso, resiste à corrosão e opera em alto padrão em temperaturas extremas. O titânio tornou-se um material básico na produção aeroespacial, e seu uso aumentará ainda mais no próximo século.

Aeronaves que utilizam grandes quantidades de titânio para seus diversos componentes incluem veículos comerciais como o Airbus A380 e o Boeing B787, bem como aeronaves militares como o F-22, F/A-18 e o helicóptero UH-60 Black Hawk.

Peças aeroespaciais de titânio incluem componentes de estrutura aérea e de motor a jato, como discos, pás, eixos e carcaças. Muitas delas podem ser usinadas.

Como o titânio é mais duro que o alumínio, pode ser mais difícil de usinar em CNC, causando desgaste de ferramenta e acúmulo de calor. Isso significa que a usinagem aeroespacial de titânio pode exigir RPM de máquina reduzido e maior avanço por dente. (Consulte nosso guia de usinagem de titânio para mais informações.) No entanto, como a usinagem aeroespacial normalmente envolve os equipamentos de usinagem mais avançados e de ponta disponíveis, isso raramente é um problema.

Ligas de alumínio

Outro metal amplamente utilizado na usinagem aeroespacial — e que existe há mais tempo que o titânio e os compósitos modernos — é o alumínio.

Ligas de alumínio são leves e têm alta resistência à tração. O alumínio forma um revestimento de óxido quando exposto ao ar, tornando-o resistente à corrosão, e também é altamente conformável (mais que o titânio), facilitando a usinagem CNC.

Na usinagem CNC aeroespacial, a liga de alumínio mais comum é o alumínio 7075, cujo principal elemento de liga é o zinco. Embora não seja tão usinável quanto outras ligas, o 7075 possui excelente resistência à fadiga. Muitos componentes de asa, fuselagem e estrutura de suporte são feitos deste material.

Outras ligas de alumínio usináveis para aeroespacial incluem 4047 (revestimento/enchimento), 6951 (aletas) e 6063 (estrutural). Ligas da série 6000 são geralmente consideradas mais usináveis que outras.

Superligas Inconel

A Special Metals Corporation desenvolveu uma gama de superligas de níquel-cromo austeníticas chamadas Inconel.

Um grau particular do material, Inconel 718, foi desenvolvido especificamente para aplicações aeroespaciais. Um de seus primeiros usos de alto perfil foi para o difusor do motor a jato (uma peça de altíssima pressão que une o compressor à câmara de combustão) do motor Pratt & Whitney J58, usado em veículos como o Lockheed SR-71 Blackbird.

O Inconel 718 tem sido usado mais recentemente pela SpaceX de Elon Musk no coletor do motor Merlin, que impulsiona o veículo de lançamento Falcon 9. Também é encontrado em outros componentes aeroespaciais como pás de turbina, sistemas de dutos e sistemas de escape de motor.

Como um metal endurecido por trabalho, o Inconel 718 deve ser usinado usando o menor número possível de passes; os operadores tipicamente empregam um corte agressivo, mas lento, usando uma ferramenta de corte dura. A superliga tem boa soldabilidade, no entanto.

Plásticos de engenharia

Além de metais como titânio e alumínio, a usinagem aeroespacial pode envolver o uso de plásticos de alto desempenho como PEEK, policarbonato e Ultem.

Plásticos podem ser um substituto útil para metais devido ao seu peso muito leve, boa resistência a impacto e vibração, propriedades de vedação e resistência química. Eles também oferecem isolamento elétrico superior aos metais.

A usinagem CNC aeroespacial de plásticos de engenharia pode produzir peças aeroespaciais como interiores de cabine, bandejas, apoios de braço, carcaças, pastilhas de desgaste, isolamento, tubos, componentes de válvula e painéis de instrumentos com iluminação traseira.

Uma consideração importante é que os plásticos aeroespaciais devem atender a requisitos específicos de chama, fumaça e toxicidade. Materiais adequados incluem Nylon (certos graus, incluindo Nylon 6), PEEK, Ultem e PPS.