Como a Impressão 3D Impulsiona a Inovação e Eficiência Aeroespacial

A indústria aeroespacial é um ambiente extremamente exigente. Requer componentes impecáveis capazes de suportar desgaste contínuo, além de condições de alta pressão e alta temperatura. Existe inovação e pesquisa constantes para garantir que as peças sejam resistentes, duráveis e leves, a fim de melhorar o desempenho das aeronaves, facilitar a manutenção e aumentar a produtividade dos colaboradores. Esta qualidade e confiabilidade indispensáveis devem ser equilibradas com os cronogramas e reservas de voos comerciais, bem como a urgência e a prontidão 24/7 necessárias para aeronaves militares. Se algo der errado na cadeia de produção e logística, a disponibilidade, a qualidade e até a segurança de voos comerciais e militares podem ser comprometidas.

A evolução da manufatura aditiva na indústria aeroespacial

É aqui que a manufatura aditiva entra em cena. Nos estágios iniciais da evolução da impressão 3D, tratava-se de um método de fabricação extremamente inovador, porém bastante limitado. As impressoras 3D eram um investimento caro, lentas e pequenas demais para aplicações industriais em larga escala. Além disso, o mercado de materiais era muito restrito, especialmente para materiais de engenharia técnica, e os fabricantes de impressoras 3D frequentemente só permitiam o uso de seus próprios materiais em suas máquinas (vendor lock-in). Esses tempos na impressão 3D ficaram no passado.

Atualmente, a manufatura aditiva é uma indústria totalmente desenvolvida, com excepcional flexibilidade de design e compatibilidade material-impressora, software especializado que permite design preciso e engenharia reversa, uma ampla gama de materiais altamente avançados para os usos mais especializados, impressoras 3D de grande formato com amplas áreas de construção, e a capacidade de produzir peças leves que não apresentam desvantagens em comparação com suas contrapartes usinadas por CNC.

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

A indústria aeroespacial busca peças leves que tenham desempenho equivalente a componentes de alumínio fabricados tradicionalmente. A redução de peso (lightweighting) permite que aviões voem mais rápido, mais longe e com menor consumo de combustível. Cada 500 kg de redução de peso se traduz em aproximadamente 1% menos consumo de combustível, o que também significa redução na emissão de dióxido de carbono.

As contribuições da manufatura aditiva na aeroespacial

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

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

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

O filamento PEEK tem sido usado na indústria aeroespacial para substituir peças de motor de alumínio, mancais, válvulas, bem como condutos leves para isolar e proteger cabos ópticos e sistemas elétricos dentro de um avião.

Manutenção interna flexível e imediata

O papel da impressão 3D na aeroespacial passou do estágio de apenas prototipagem, embora a manufatura aditiva ainda seja usada para esse fim. Dada a escala e o custo da fabricação na indústria aeroespacial, as formas tradicionais de prototipagem por injeção e usinagem CNC consomem muito tempo e recursos. Imprimir um protótipo de um avião ou de suas peças reduz significativamente o custo de produção e ajustes de protótipos, desperdício de material e atrasos, permitindo a produção de estruturas muito mais complexas do que a usinagem CNC.

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

Além da fabricação de componentes para satélites (antenas para espaçonaves), drones e aeronaves não tripuladas (pás de rotor e peças de motor), as aplicações mais comuns de manufatura aditiva na indústria aeroespacial estão na produção de peças de solo e componentes de voo não críticos e não estruturais.

Como aviões são um investimento bastante caro, unidades de aeronaves antigas frequentemente servem por muito mais tempo do que deveriam. A manufatura aditiva é a tecnologia perfeita para pequenas tarefas de manutenção. Estas envolvem impressão 3D de componentes não essenciais para o interior do avião, como porta-copos, bandejas, tampas de vaso sanitário, dutos de ar, painéis de instrumentos, etc. Graças à manufatura aditiva, é possível recriar um elemento mesmo que as plantas estejam faltando, por meio de engenharia reversa - escaneando a peça, processando-a em software de design e, em seguida, imprimindo-a em 3D.

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

O mesmo se aplica a todos os tipos de ferramentas, gabaritos e fixadores. Nesse sentido, a inovação com impressão 3D é muito mais fácil de implementar porque equipamentos de apoio em solo não estão sujeitos a um escrutínio tão rigoroso pela FAA quanto as peças aeronáuticas. Mesmo que a ferramenta original não seja mais fabricada, ela pode ser impressa em 3D a partir de plantas ou adaptando o design da ferramenta com base no parafuso ou elementos nos quais deve se encaixar. Com a manufatura subtrativa tradicional, esse processo seria muito mais demorado e consumiria mais material. Para tornar ferramentas, gabaritos e fixadores leves mas eficientes, podem ser usados materiais reforçados com fibra de carbono, fibra de vidro ou metal. Isso resultará em peças até 50% mais leves que o alumínio, mas com excelente resistência e resistência à temperatura. Alguns filamentos excelentes para esse fim seriam o filamento Essentium HTN CF25, o filamento PA CF ou o filamento ABS MG94. Além de resistência, durabilidade e leveza, outros recursos que um filamento voltado para a indústria aeroespacial deve ter são retardância a chamas e segurança ESD. O chão de fábrica e as zonas de manutenção são espaços com temperaturas elevadas, materiais possivelmente explosivos e estática - uma combinação muito perigosa tanto para equipamentos quanto para funcionários. O filamento Essentium TPU 90A FR possui propriedades retardantes de chama, o que minimiza significativamente o risco de incêndio e sua propagação. Isso o torna perfeito para ferramentas, gabaritos e fixadores usados no hangar ou ao redor do avião.

Imagem 4. Uma peça de segurança feita com 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 humanos e para componentes eletrônicos, extremamente cruciais para o funcionamento adequado dos sistemas de navegação de um avião, entre outras funções.

Essentium 9085 ULTEM Essentium PEEK Essentium TPU 90A-FR retardante de chama Essentium TPU 58D-AS

Superando limitações logísticas

Manter aviões em condições seguras, prontos para voo e prontos para missão nas indústrias aeroespaciais comercial e militar é extremamente crucial, ainda mais crucial do que a inovação constante. A manufatura aditiva tem tantas aplicações nesses setores precisamente porque permite que companhias aéreas 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, pois muitas cadeias de suprimentos foram repentinamente pausadas por períodos imprevistos. Isso paralisou operações de produção, manutenção e entrega devido à dependência de contratados e empresas de entrega, uma consequência do modelo de manufatura tradicional. Muitas companhias aéreas comerciais sofreram grandes perdas financeiras devido ao cancelamento de voos, o que significou ter que buscar novas formas de reduzir custos. A manufatura aditiva pode ser a resposta para isso.

Com a manufatura tradicional, como CNC, a produção de um componente seguro contra ESD, um componente resistente à corrosão e um componente de alta temperatura provavelmente exigiria o uso dos serviços caros de três contratados diferentes, tempos de espera variados e longos (também dependendo do fornecedor do contratado), 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 produção limitada são onipresentes na indústria aeroespacial. Recorrer à injeção ou usinagem CNC para fabricar uma ferramenta única para uso único implicaria custos desnecessários e tempos de espera desnecessariamente longos. Tudo isso pode ser resolvido com impressão 3D, pois 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. Essa forma de fabricação também elimina a necessidade de armazenar 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 suprimentos e produção na aeroespacial, o que consequentemente reduz custos e equilibra a pegada de carbono que os aviões deixam.

Exemplos reais

Um ótimo exemplo da aplicação de tecnologias de manufatura aditiva em um contexto aeroespacial real é a empresa Axle Box. Eles desenvolveram uma plataforma de drone para SkyFire, para seus clientes de silvicultura e proteção contra incêndios. Esses elementos precisavam suportar as condições de uma operação aérea de combate a incêndios em grande escala - fogo, água e vento. As peças foram produzidas com o menor custo e com os prazos de entrega mais rápidos em comparação com a concorrência. Um corpo central de drone foi impresso em 3D com filamento Essentium HTN CF25 e tampas laterais com filamento PA CF. Ambos os materiais tiveram desempenho além das expectativas nos testes de voo, demonstrando excelentes propriedades mecânicas e alta velocidade.

Vídeo 2. Uma peça impressa em 3D para plataforma de pouso de drone pela Axle Box. Fonte: Essentium.

Uma falha muito comum em aviões é a falha hidráulica, principalmente devido ao peso da aeronave e aos esforços que ela suporta durante um voo. O processo de reparo de uma falha hidráulica costumava ser muito exigente em termos de tempo e mão de obra, pois exigia vários técnicos para acessar a fonte da falha e, em seguida, segurar a peça de reposição no lugar enquanto era instalada. Essas falhas hidráulicas ocorriam com tanta frequência e eram tão caras para reparar que um grande fabricante aeroespacial decidiu imprimir em 3D um suporte que manteria a peça de reposição no lugar, sem necessidade de mão de obra adicional para auxiliar no processo.

A introdução da manufatura aditiva na aeroespacial foi um desenvolvimento revolucionário tanto para a manufatura aditiva quanto para a indústria aeroespacial. Foi um desafio emocionante e transformador para o mundo da impressão 3D devido ao número de materiais especializados com propriedades avançadas exigidos na indústria aeroespacial. E para a indústria aeroespacial, foi um grande passo em direção a 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.