Aplicações Inovadoras de Manufatura Aditiva: Transformando Indústrias de Alta Tecnologia

O uso de componentes de software de manufatura aditiva está crescendo em indústrias de alta tecnologia. Segundo a empresa de pesquisa de mercado MarketsandMarkets (M&M), a produção de impressoras 3D e saídas de manufatura aditiva cresceram em valor para US$ 3,5 bilhões em 2017. Os principais adotantes de manufatura aditiva foram as indústrias de dispositivos médicos, aeroespacial e automotiva.

Isso não é surpreendente. Na manufatura aditiva, o custo de imprimir uma forma complexa é o mesmo de um design simples, especialmente em pequenas quantidades.

Dispositivos Médicos e Cirurgia

As vantagens da manufatura aditiva são uma bênção para a indústria médica. Ao aproveitar a manufatura aditiva, a indústria médica está construindo implantes altamente personalizados para aplicações odontológicas e ortopédicas. Como a manufatura aditiva remove o custo de ferramentaria e configuração (necessários na manufatura subtrativa), médicos não precisam se preocupar com economias de escala ao propor implantes e próteses personalizados ao paciente.

Além disso, a manufatura aditiva também permitiu que fabricantes produzissem designs muito complexos e altamente delicados, como juntas projetadas para se conectar com ossos humanos. Para produzir estas soluções, impressoras 3D devem fabricar estruturas de rede fractal minúsculas nas quais o tecido ósseo pode se fundir, fornecendo assim uma conexão forte entre o implante e o osso. Não há outra maneira de produzir tais formas.

Da mesma forma, implantes e inserções dentárias envolvem tanto personalização incrível quanto design muito complexo para alcançar um ajuste preciso. Há precisão considerável no processo de implante dentário. Primeiro, começa com um raio-X da sua boca para examinar seus ossos. Segundo, o cirurgião deve perfurar um buraco para o implante dentário. No entanto, o cirurgião deve garantir que o implante (como o parafuso para o implante) esteja perfeitamente alinhado com como seus dentes estão arranjados. Graças à impressão 3D, dentistas agora podem garantir implantes personalizados. Estes implantes e guias de perfuração relacionados são projetados sob medida em software CAD especializado de impressão 3D e então manufaturados com alto grau de automação.

Para cirurgia cerebral, médicos construirão um dispositivo personalizado seguindo uma tomografia computadorizada de seu paciente. Como em odontologia e ortopedia, isso envolve produzir um implante que se ajuste precisamente ao crânio do paciente e guie as ferramentas do cirurgião durante a operação. Novamente, software 3D especializado automatizou o design destes auxiliares cirúrgicos.

Aeroespacial e Infraestrutura

A aeroespacial tem sido pioneira na adoção de manufatura aditiva. Recentemente, seus esforços resultaram em uma peça impressa em 3D para uso em motores turbofan comerciais.

O motor turbofan LEAP — uma joint venture da General Electric (GE) e Safran Aircraft Engines — é equipado com bicos de combustível impressos em 3D. A Administração Federal de Aviação dos EUA liberou o bico para uso a bordo de aeronaves comerciais em 2015. Não apenas esta peça pesa 25% menos que sua predecessora em motores de geração anterior, mas, segundo a GE, é cinco vezes mais durável.

Ao fornecer benefícios substanciais em economia de combustível e redução de emissões de carbono em aeronaves equipadas com motores LEAP, a peça impressa em 3D também simplifica a cadeia de suprimentos de produção. A impressão 3D permitiu que a GE substituísse 20 peças diferentes por apenas uma unidade. Não apenas isso simplifica o processo de manufatura, mas também reduz custos de manutenção do ciclo de vida.

O uso de software CAD e engenharia assistida por computador (CAE) 3D é uma peça essencial para os esforços de design e desenvolvimento da indústria aeroespacial. A GE aproveitou CAD/CAE para realizar os estudos de design, simulação e análises necessários para desenvolver o novo bico e avaliar sua viabilidade antes de prosseguir para a fase de prototipagem.

Imagine a economia de custos envolvida para companhias aéreas operando dezenas dessas aeronaves, especialmente ao longo de um período de 20 anos. Estes são os benefícios diretos da manufatura aditiva, então pode-se ver como seu crescimento no manuseio de outros subconjuntos e componentes estenderá ganhos para fabricantes, fornecedores e consumidores em uma multitude de outras áreas.

Além de otimizar para redução de custos, a impressão 3D também permitiu que indústrias realizassem manufatura muito complexa. Considere trocadores de calor. Estes dispositivos têm um grande número de tubos, aletas e outras entradas para fazer fluido quente passar de um lado e fluido frio pelo outro. Mas seu processo de montagem requer soldar as aletas de resfriamento e inseri-las em uma caixa estanque. É um processo de manufatura trabalhoso e demorado com margem considerável para falha.

Mas com impressão 3D, o trocador de calor pode ser manufaturado em uma única etapa consolidada. Pode levar um período de tempo relativamente longo para manufaturar a única unidade, mas o resultado final é muito mais confiável. Como o LEAP, o objetivo é consolidar o número de peças necessárias para montagem, além de imbuir melhorias significativas de desempenho.

O Futuro da Manufatura Aditiva

As tecnologias envolvidas na manufatura aditiva estão aumentando em capacidade e diminuindo em preço. Além disso, novas aplicações de manufatura aditiva estão sempre sendo encontradas. No entanto, ainda existem grandes obstáculos em controle de processo e previsibilidade de processo.

Em termos de controle de processo, a manufatura aditiva carece de padrões da indústria para governar o processo de manufaturar matérias-primas em peças acabadas. Manufatura tradicional — incluindo manufatura subtrativa — beneficia-se desses padrões (ex: comportamento metalúrgico durante o processo de usinagem, estampagem ou forjamento). Existem referências padrão da indústria para engenheiros consultarem.

No entanto, a indústria ainda não construiu esses padrões para manufatura aditiva. Por exemplo, empresas aeroespaciais individuais — como a GE — estão construindo regimes de controle proprietários para seus esforços de manufatura aditiva, enquanto o fornecedor individual de impressão 3D carece de regimes de controle e padrões da indústria inteiramente. Isso pode ser melhor remediado por organismos de padrões desenvolvendo certificações de conformidade comuns disponíveis para uso por todos, especialmente fabricantes menores.

Finalmente, a previsibilidade do processo ainda é um grande desafio para aqueles usando impressoras 3D. Otimizar a orientação da peça, material de suporte e parâmetros de processo requer considerável tentativa e erro. Mas isso também apresenta uma enorme oportunidade para aqueles desenvolvendo as ferramentas de software usadas em impressão 3D. Simulação baseada em física seria um grande passo adiante. Combinar este elemento de simulação com informações de processo específicas da máquina dos fabricantes de impressoras 3D ajudará fabricantes a reduzir suas taxas de erro e sucata.

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