Qual ​​é a contribuição da impressão 3D para a indústria aeroespacial?

A indústria aeroespacial é um ambiente altamente exigente . Requer elementos impecáveis ​​que possam resistir ao desgaste contínuo e às condições de alta pressão e alta temperatura. Há inovação constante e pesquisas em andamento para garantir que os componentes sejam fortes, resistentes, mas também leves , para aumentar o desempenho da aeronave, facilitar o trabalho de manutenção e tornar os funcionários mais produtivos. Essa qualidade e confiabilidade indispensáveis ​​devem ser equilibradas com os horários e reservas de voos comerciais, e a urgência e prontidão exigidas 24 horas por dia, 7 dias por semana, de aeronaves militares. Se algo der errado na cadeia de produção e logística , a disponibilidade, qualidade e até segurança voos comerciais e militares podem ser comprometidos .

A evolução da AM na indústria aeroespacial

É aqui que a manufatura aditiva entra em cena. Nos estágios iniciais da evolução da impressão 3D , era um método de fabricação extremamente inovador, mas bastante limitado. As impressoras 3D eram um investimento caro, eram lentas e muito pequenas para ter aplicações industriais em grande escala. Além disso, o mercado de materiais era muito limitado, especialmente para materiais de engenharia técnica, e os fabricantes de impressoras 3D muitas vezes só permitiam que seus próprios materiais fossem usados ​​com suas impressoras (bloqueio de fornecedor). Esses tempos na impressão 3D já se foram.

Hoje em dia, a manufatura aditiva é uma indústria totalmente desenvolvida, com uma excelente flexibilidade de design e compatibilidade material-impressora, software especializado que permite um design preciso e engenharia reversa, uma ampla escolha de materiais altamente avançados para os usos mais especializados, impressoras 3D de grande escala com grandes áreas de construção, e a capacidade de produzir peças leves que não apresentam nenhuma desvantagem em comparação com suas contrapartes CNC.

Vídeo 1. A Airbus emprega soluções AM em sua linha de produção. Fonte:Airbus.

A indústria aeroespacial busca peças leves que possam funcionar tão bem quanto os componentes de alumínio fabricados tradicionalmente . A redução de peso (lightweighting) permite que os aviões voem mais rápido, mais longe e com menor consumo de combustível. Cada 500 kg de redução de peso se traduz em cerca de 1% menos consumo de combustível, o que também significa menor emissão de dióxido de carbono.

As contribuições da AM no setor aeroespacial

Qualquer ideia de inovação na indústria aeroespacial deve passar por um processo de avaliação muito meticuloso para verificar se o novo material ou tecnologia atende aos numerosos e exigentes regulamentos da FAA para segurança de voo e aeronave , seja a aeronave comercial ou militar. Muitas aeronaves obsoletas têm componentes fabricados com materiais que posteriormente se mostraram tóxicos e precisam ser substituídos, ou materiais que simplesmente não são mais fabricados e precisam ser recriados.

Fabricação aditiva as empresas oferecem uma ampla gama de filamentos certificados pela FAA devido à sua grande resistência à tração e resistência química e térmica, mas sem efeitos colaterais prejudiciais . Exemplos de tais materiais seriam os filamentos da família PAEK, como o Essentium PEI 9085 ULTEM filamento, Essentium PEEK ou Essentium PEKK . Esses filamentos podem ser usados ​​para aplicações em voo. O filamento ULTEM PEI foi usado para imprimir peças em 3D para sistemas de iluminação, interruptores elétricos, caixas e soquetes de lâmpadas.

Imagem 1. Um canal de controle ambiental usado em um veículo de lançamento espacial. Impresso com o filamento Essentium ULTEM 9085. Fonte:Essentium.

O filamento PEEK tem sido utilizado na indústria aeroespacial para substituir peças de alumínio de motores, rolamentos, válvulas, bem como conduítes de luz para isolar e proteger cabos ópticos e sistemas elétricos dentro de um avião.

Manutenção interna flexível e imediata

O papel da impressão 3D no setor aeroespacial passou do estágio de apenas prototipagem, embora a AM ainda esteja sendo usada para esse fim. Dada a escala e o custo de fabricação na indústria aeroespacial, as formas tradicionais de prototipagem por meio de moldagem por injeção e usinagem CNC consomem tempo e recursos . A impressão 3D de um protótipo de um avião ou de sua peça reduz significativamente o custo de produção e ajustes do protótipo, desperdício de material e atrasos, além de permitir a produção de estruturas muito mais complexas do que o CNC.

Imagem 2. Um protótipo impresso em 3D de um avião. Fonte:Essentium.

Além da fabricação de componentes para satélites (antenas para espaçonaves), drones e aeronaves não tripuladas (pás de rotores e peças de motores), as aplicações AM mais comuns na indústria aeroespacial estão na produção de peças terrestres e não críticas não -componentes em voo de suporte de carga .

Como os aviões são um investimento bastante caro, as unidades de aeronaves antigas geralmente duram muito mais do que deveriam. A manufatura aditiva é a tecnologia perfeita para pequenas tarefas de manutenção . Isso envolve impressão 3D faltando ou danificado componentes não essenciais para o interior do avião , como porta-copos, bandejas, tampas de vasos sanitários, dutos de ar, painéis de instrumentos, etc. Graças ao AM, é possível recriar um elemento mesmo que falte o projeto, por meio de engenharia reversa - digitalizar a peça, processá-la no software de design e, em seguida, imprimi-la em 3D.

Imagem 3. Turbinas impressas em 3D. Fonte:Essentium.

O mesmo se aplica a todos os tipos de ferramentas, gabaritos e acessórios . A esse respeito, a inovação com impressão 3D é muito mais fácil de implementar porque o equipamento de apoio no solo não é submetido a tal escrutínio pela FAA como peças dignas de ar. Mesmo que a ferramenta original não esteja mais sendo fabricada, ela pode ser impressa em 3D a partir de planos ou adaptando o design da ferramenta com base no parafuso ou elementos que ela deve encaixar. Com a fabricação subtrativa tradicional, esse processo consumiria muito mais tempo e material. Para tornar ferramentas, gabaritos e acessórios leves, mas eficientes , materiais reforçados com fibras de carbono, fibras de vidro ou metal pode ser usado. Resultará em peças até 50% mais leves que o alumínio mas com excelente resistência e resistência à temperatura. Alguns filamentos ótimos para esse fim seriam o Essentium HTN CF25 filamento, o PA CF filamento, ou o ABS MG94 filamento. Além de força, resistência e leveza, algumas outras características que um filamento voltado para a indústria aeroespacial deve ter, são retardamento de chama e segurança ESD . O chão de produção e as zonas de manutenção são espaços com temperaturas elevadas, possivelmente materiais explosivos e estáticos - uma combinação muito perigosa tanto para os equipamentos como para os funcionários. O Essentium TPU 90A FR filamento tem propriedades retardadoras de chama, o que minimiza significativamente o risco de incêndio e sua propagação. Isso o torna perfeito para ferramentas, gabaritos e acessórios usados ​​no hangar ou ao redor do avião.

Imagem 4. Uma peça de segurança feita com o Essentium TPU 58D-AS. Fonte:Essentium.

O Essentium TPU 58D-AS , por outro lado, é um filamento projetado especialmente para a indústria aeroespacial, para a fabricação de peças que devem ser removidas antes do voo (daí a cor vermelha para chamar a atenção ). O TPU 58D-AS reduz o risco de descarga eletrostática, que é um perigo para o ser humano e para os componentes eletrônicos, extremamente importantes para o bom funcionamento dos sistemas de navegação de um avião, entre outras funções.
Essentium 9085 ULTEM Essentium PEEK Retardador de chama Essentium TPU 90A-FR Essentium TPU 58D-AS

Superando limitações logísticas

Mantendo os aviões em condições seguras e prontas para voo e missão nas indústrias aeroespaciais comerciais e militares é extremamente crucial, ainda mais crucial do que a inovação constante. A manufatura aditiva tem muitas aplicações nessas indústrias precisamente porque permite que transportadoras de passageiros, empresas de courier e exércitos tenham mais independência e flexibilidade na manutenção de suas aeronaves.

A pandemia de Covid-19 mudou o mundo de tantas maneiras. A indústria aeroespacial não foi exceção, já que muitas cadeias de suprimentos foram subitamente interrompidas por períodos de tempo imprevistos . Isso paralisou as operações de produção, manutenção e entrega devido à dependência de empreiteiras e empresas de entrega, consequência de um modelo tradicional de fabricação. Muitas companhias aéreas comerciais sofreram grandes perdas financeiras devido ao cancelamento de voos , e isso significava ter que procurar novas maneiras de reduzir custos . A manufatura aditiva pode ser a resposta para isso.

Com fabricação tradicional , como CNC, a produção de um componente à prova de ESD, componentes resistentes à corrosão e um componente de alta temperatura provavelmente exigiria o uso dos serviços caros de três contratantes diferentes , tempos de espera variados e longos (dependendo também do fornecedor do contratante), e uma entrega complicada ou impossível no caso de aeronaves militares estacionadas no exterior.

Imagem 5. Um exemplo de manufatura iterativa. Fonte:Essentium.

Outro problema é que ferramentas únicas ou peças de reposição de execução limitada são onipresentes na indústria aeroespacial. Recorrer à moldagem por injeção ou à usinagem CNC para fazer uma ferramenta única para uso único implicaria custos desnecessários e tempos de espera desnecessariamente longos. Tudo isso pode ser resolvido com a impressão 3D, já que uma única impressora 3D pode ser usada no local para produzir todas essas peças com diferentes filamentos técnicos avançados a um custo muito menor e com menor risco de atraso. Esta forma de fabricação também elimina a necessidade de armazenamento peças de reposição em todo o mundo para realizar tarefas de manutenção, já que qualquer peça necessária pode ser impressa em 3D em qualquer lugar a qualquer momento sob demanda. Todas essas pequenas melhorias levam a uma simplificação geral e encurtamento da cadeia de abastecimento e produção no setor aeroespacial, o que consequentemente reduz os custos e equilibra a pegada de carbono que os aviões deixam .

Exemplos da vida real

Um ótimo exemplo da aplicação de tecnologias AM em um contexto aeroespacial da vida real é a Axle Box companhia. Eles desenvolveram uma plataforma de drones para SkyFire , por sua silvicultura e proteção contra incêndios clientes. Esses elementos tinham que ser capazes de suportar as condições de uma operação de combate a incêndio em larga escala - fogo, água e vento. As peças foram produzidas com o menor custo e com os tempos de entrega mais rápidos em comparação com a concorrência. O meio do corpo de um drone foi impresso em 3D com o Essentium HTN CF25 filamento e tampas laterais com o PA CF filamento. Ambos os materiais tiveram desempenho além das expectativas em testes de voo , demonstrando ótimas propriedades mecânicas e alta velocidade.

Vídeo 2. Uma peça impressa em 3D para uma plataforma de pouso de drones da Axle Box. Fonte:Essentium.

Um mau funcionamento muito comum em aviões é uma falha hidráulica , principalmente devido ao peso da aeronave e às tensões que ela suporta durante o voo. O processo de reparação de uma avaria hidráulica costumava ser muito exigente em termos de tempo e mão-de-obra, pois exigia que vários técnicos acedessem à origem da avaria e depois mantivessem a substituição no local durante a instalação. Essas falhas hidráulicas ocorriam com tanta frequência e eram tão caras para consertar que um grande fabricante aeroespacial decidiu imprimir em 3D uma braçadeira que manteria a peça de reposição no lugar, sem necessidade de mão de obra adicional para auxiliar no processo .

A introdução da manufatura aditiva no setor aeroespacial foi um desenvolvimento inovador tanto para AM quanto para a indústria aeroespacial . Tem sido um desafio emocionante e transformador para o mundo da impressão 3D devido ao número de materiais especializados com propriedades avançadas que são necessários na indústria aeroespacial. E para a indústria aeroespacial foi um passo importante para uma maior flexibilidade de design, redução de custos e independência logística, graças à impressionante velocidade, escala e possibilidades de iteração que a impressão 3D oferece.