Revolucionando o setor aeroespacial:componentes estruturais impressos em 3D

Sem dúvida você ouviu muito entusiasmo em torno da impressão 3D e da fabricação aditiva nos últimos anos, estabelecendo uma expectativa (na mídia) de que a fábrica “tradicional” em breve não existirá mais. A conversa sobre novos métodos milagrosos, sobre a impressão direta de peças de plástico, borracha e metal e sobre a impressão militar e orbital de peças de reposição está anunciando um novo amanhecer.

Talvez.

No entanto, num sector, o impacto é muito real e imediato e pelo menos alguma da propaganda não é totalmente descabida!

Com os rápidos avanços que ocorrem na tecnologia de impressão 3D, a indústria aeroespacial está na linha de partida de uma jornada revolucionária, especialmente no campo de componentes estruturais de menor precisão e funções mais simples. A impressão 3D surgiu como uma técnica revolucionária para criar rapidamente peças complexas e personalizadas, desde que você não esteja tentando encontrar soluções de baixo custo.

A impressão 3D pode ser usada para fabricar componentes excepcionalmente leves e duráveis, com design que de outra forma seria difícil de fabricar, maximizando o desempenho e a eficiência de combustível, ao mesmo tempo em que adere aos padrões de segurança muito rigorosos do setor. Para compreender todo o potencial desta tecnologia inovadora, é útil examinar os principais factos e expectativas de ponta da impressão 3D e como podem aplicar-se aos requisitos de produção aeroespacial.

Neste artigo exploraremos as complexidades da impressão 3D e como ela está transformando o futuro da fabricação de componentes estruturais no setor aeroespacial, fornecendo a você uma base para poder ampliar seu conhecimento a partir de um ponto de partida confiante (e sem exageros).

Qual é a finalidade da impressão 3D de componentes estruturais aeroespaciais?

O principal objetivo da impressão 3D para componentes estruturais aeroespaciais é criar peças de uma forma que seja comercialmente viável e que cumpra rigorosamente os padrões ambientais e de segurança aplicáveis e as demandas de segurança das aeronaves. A produção rápida de peças complexas e leves e componentes feitos sob medida que permitem ciclos rápidos de manutenção/desenvolvimento e mantêm o desempenho de aeronaves e espaçonaves ajuda a fornecer voos confiáveis/seguros e econômicos. Geometrias complexas que são lentas ou impossíveis de produzir usando métodos convencionais agora podem ser feitas rapidamente usando impressão 3D. A indústria aeroespacial está iniciando um novo processo de inovação, graças à impressão 3D.

Quais componentes estruturais aeroespaciais podem ser impressos em 3D?

Os componentes estruturais aeroespaciais que se prestam à fabricação aditiva incluem:

1. Bicos de combustível.
2. Lâminas da turbina.
3. Veículos aéreos não tripulados.
4. Quadros de satélite.
5. Atuadores de superfície de controle

Como funciona a impressão 3D de componentes estruturais aeroespaciais?

Os componentes estruturais e funcionais aeroespaciais estão sendo impressos em 3D usando dados CAD (Computer-Aided Design) processados em objetos reais, depositando e fundindo material, camada por camada, para construir rapidamente peças acabadas. A lista a seguir descreve esse processo com mais detalhes:

1. Um modelo 3D projetado em CAD serve como base do processo.
2. Para criar o componente, o software de configuração de construção da impressora 3D interpreta o projeto em uma série de fatias e instruções de parâmetros de construção que podem ser lidas pela impressora.
3. A impressora 3D coloca materiais - como metais ou polímeros, em filamentos, líquidos ou em pó - na plataforma de construção, fundindo-os a si mesmo e à camada abaixo.
4. Camada por camada, a altura aumenta até que o componente seja concluído.
5. A peça é removida, limpa e pós-processada. Isso pode ser manual ou automatizado e pode envolver a remoção da estrutura de suporte, jateamento de mídia ou acabamento secundário.
6. Quando for necessária maior precisão (como faces de rolamentos ou diâmetros de furos), poderá ser necessária alguma pós-usinagem.

Além de construir rapidamente peças com geometrias complexas, reduzir o desperdício de material e produzir componentes leves com melhor desempenho, a impressão 3D oferece ao engenheiro mais liberdade de projeto do que outros métodos de fabricação.

Quais são as vantagens da impressão 3D na indústria aeroespacial?

As vantagens típicas da impressão 3D na indústria aeroespacial são:

1. A fabricação aditiva permite a consolidação de subconjuntos em componentes únicos que de outra forma seriam impossíveis de fabricar. A redução da contagem de peças também reduz o risco de FOD ou detritos de objetos estranhos.
2. As tecnologias aditivas permitem a criação de complexidade em projetos que de outra forma não seria viável, com métodos menos avançados. A impressão 3D não precisa estar em conformidade com os recursos de linha de visão exigidos pela usinagem.
3. A natureza da impressão 3D permite alterações de design de iteração rápida sem exigir nenhuma alteração no equipamento de fabricação além dos modelos no fatiador 3D.
4. Esses processos equipam projetistas e fabricantes com produção rápida e sob demanda em qualquer lugar do mundo onde haja equipamentos, reduzindo o tempo de colocação no mercado e os custos da cadeia de suprimentos e reduzindo a complexidade da infraestrutura em campo.
5. Através da aplicação estratégica e cautelosa de processos de produção aditivos, a cadeia de abastecimento torna-se mais enxuta, mais confiável e mais consistente.

Quais são as desvantagens da impressão 3D na indústria aeroespacial?

As desvantagens da impressão 3D na indústria aeroespacial incluem:

1. Dependendo da tecnologia utilizada e do nível de precisão exigido da peça em seu funcionamento, algumas dessas peças requerem pós-processamento adicional. Esta fase envolve tarefas adicionais que vão desde usinagem de precisão, passando por polimento e revestimento para refinar os componentes impressos em 3D para necessidades específicas. O pós-processamento normalmente requer trabalho manual delicado e qualificado e, portanto, aumenta o tempo e os custos de produção. Isso pode ser proporcional ao custo da peça impressa, prejudicando os benefícios indubitáveis da fabricação simplificada.
2. A notável variedade de componentes que podem ser derivados da impressão 3D é limitada pela falta de classes de materiais selecionáveis com precisão, em muitos casos. As regulamentações específicas da aviação exigem materiais especializados e rigorosamente especificados. Consequentemente, o setor da engenharia aeroespacial é limitado pelo número de opções de materiais, restringindo a capacidade da tecnologia de criar uma gama mais ampla de elementos de aeronaves durante esta fase de inovação/transição.
3. Ao mesmo tempo que aumenta a eficiência da produtividade, a produção orientada pela impressão 3D pode reduzir significativamente a eficiência de custos. Onde os custos dos componentes superam os custos do cronograma, ele não pode servir. No entanto, como método para a criação extremamente rápida de peças complexas que não são sensíveis aos custos, tem um lugar que está a tornar-se mais significativo.

Quais são exemplos de aplicações de componentes estruturais aeroespaciais impressos em 3D?

Tem havido exploração de várias aplicações de componentes estruturais impressos em 3D na indústria aeroespacial, com aceitação ainda limitada em voo. Suportes de asas, componentes de atuadores para aeronaves, pás de rotor de drones, bicos de combustível, câmaras de combustão e até mesmo partes da estrutura interna do motor são alguns exemplos de componentes rebocados e bem recebidos. Estas utilizações destacam a notável adaptabilidade e potencial deste método de fabrico no seu potencial para impactar o setor. É claro que a impressão 3D está prestes a remodelar os processos de produção do setor com as suas infinitas possibilidades.

Quais são os materiais usados na impressão 3D de componentes estruturais aeroespaciais?

Alguns dos materiais utilizados na impressão 3D de componentes estruturais aeroespaciais incluem:

1. Ligas de titânio

O titânio é um material de alto desempenho ideal para o setor aeroespacial, onde seu alto custo não é proibitivo e sua relação resistência-peso e desempenho excepcional contra corrosão são extremamente benéficos. Além disso, os processos de fabricação utilizados para produção de peças de titânio são restritos e as dificuldades de produção são consideráveis. A manufatura aditiva causa curto-circuito na maioria desses problemas de fabricação e fornece peças de alto desempenho que oferecem resistência enormemente menor à cadeia de suprimentos e dificuldades logísticas. 

2. Ligas de alumínio

O alumínio não é de forma alguma uma segunda escolha ruim em relação ao titânio, pois oferece quase a mesma relação resistência-peso e uma matéria-prima e custo de processamento (tradicional) consideravelmente mais baixos. Uma cadeia de fornecimento consideravelmente mais fácil para materiais de fabricação aditiva significa que há mais opções para escolher e que as energias de construção são mais baixas, permitindo o uso de equipamentos de menor potência ou em operações de construção mais rápidas. O alumínio geralmente oferece boas propriedades de corrosão para aplicações aeroespaciais e isso pode ser consideravelmente melhorado pela anodização, formando uma película de óxido controlada e precisa nas peças que exclui o oxigênio, mesmo quando molhadas.

3. Ligas de Níquel

As ligas de níquel oferecem desempenho extremo em altas temperaturas, bem como excelente resistência à corrosão. As peças de liga de níquel impressas em 3D têm atraído muito interesse no setor aeroespacial, especialmente para uso experimental em pás de turbinas, aplicação real em vôo em câmaras de combustão e peças de escapamento para turbinas a gás, bem como componentes de motores de foguetes em uso a quente. As superligas de níquel desempenham um papel crucial no aumento da eficiência geral e da confiabilidade de sistemas críticos.

4. Aço inoxidável

Aços inoxidáveis de vários graus são amplamente utilizados na fabricação aditiva em vários setores não aeroespaciais, trazendo resistência e resistência excepcional à corrosão para ferramentas, equipamentos industriais e muito mais. Peças impressas em 3D de aço inoxidável podem oferecer componentes estruturais e funcionais robustos e duradouros para aplicações de alto estresse na indústria aeroespacial. As peças que sustentam a operação bem-sucedida de aeronaves e espaçonaves no trem de pouso, incluindo os suportes e estruturas de suporte, são feitas desta família de ligas e devem atender às surpreendentes demandas de pouso. A combinação distinta de resistência à corrosão, resistência e durabilidade diferencia o aço inoxidável e o torna a escolha ideal para componentes críticos de resistência (em vez de críticos de peso) no setor. Apesar da maior resistência do aço inoxidável, o alumínio apresenta uma relação resistência-peso significativamente superior, mas uma resiliência menor sob carregamento cíclico.

5. Polímeros Reforçados com Fibra de Carbono (CFRPs)

Polímeros reforçados com fibra de carbono (CFRPs) estão sendo rapidamente adotados como boas opções de materiais em muitas aplicações que necessitam de baixo peso e alta resistência. O CFRP combina o baixo peso dos polímeros com a resistência dos metais. Desempenham um papel cada vez mais fundamental na indústria aeroespacial, melhorando a eficiência do combustível, reduzindo as emissões e melhorando o desempenho global/capacidade de elevação das aeronaves e naves espaciais e melhorando a resiliência aos choques. Os CFRPs podem reduzir o peso de uma aeronave em até 20%. A impressão 3D de estruturas sanduíche com diversos formatos de núcleo, utilizando fibras contínuas de carbono, pode ser aplicada a uma série de elementos estruturais na indústria aeroespacial, em comum com outros setores de alto valor. As aeronaves modernas geralmente usam estruturas sanduíche de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP) para seus elevadores, lemes e lâminas de direção como superfícies de controle de vôo.

6. Polímeros de alto desempenho

Polímeros de alto desempenho, como PEI (ULTEM), PEEK, PEKK e PPSU, exibem propriedades mecânicas notáveis e resistência a altas temperaturas em comparação com muitos polímeros padrão comumente usados em aplicações de engenharia. Polímeros como náilon, ABS (acrilonitrila butadieno estireno) ou polietileno são consideravelmente mais frágeis sob carga e calor. A combinação de fibras de carbono descontínuas com o polímero de alto desempenho PEKK proporciona um material compósito com propriedades bastante melhoradas. 

7. Compostos Cerâmicos

Os compósitos cerâmicos estão cada vez mais disponíveis para processos de fabricação aditiva, mas sua adoção é lenta devido a uma base de conhecimento restrita, fora das áreas especializadas. Suas vantagens são consideráveis:grande tenacidade, dureza e excepcional resistência a temperaturas elevadas, tornando-os ideais para aplicações aeroespaciais extremamente exigentes. As peças cerâmicas impressas com recurso ao fabrico aditivo apresentam um grande potencial para o setor aeroespacial, oferecendo peso leve, elevada resistência e grande resiliência ambiental, mas certificações de segurança necessariamente restritivas são demoradas e ainda não alcançadas. Embora técnicas como IJP e 3DP produzam materiais porosos, existem poucos tratamentos de superfície e selantes apropriados. Para saber mais, consulte nosso guia O que é cerâmica.

8. Invar®

Invar é uma liga incomum de níquel-ferro conhecida por seu coeficiente de expansão térmica extremamente baixo. Isto o torna ideal para aplicações que exigem estabilidade dimensional sob condições de temperatura altamente variáveis, cuja propriedade é transferida para a fabricação aditiva. Esta propriedade única torna-o inestimável em vários setores, incluindo engenharia aeroespacial. O uso inovador do Invar na impressão 3D é uma abordagem pioneira que ainda está em fase experimental, com a promessa de oferecer capacidades aprimoradas em termos de controle dimensional e estabilidade.

9. Tântalo

No setor aeroespacial, o tântalo é utilizado em peças críticas que estão sujeitas a operações de alta temperatura e de alto estresse. A resistência à corrosão a quente do tântalo é particularmente vantajosa em aplicações aeroespaciais, onde a exposição a gases de exaustão, umidade quente e temperaturas que variam rapidamente é comum em turbinas a gás. O tântalo, juntamente com outros metais refratários, é extraordinariamente difícil de processar por meios tradicionais, mas a fabricação aditiva evita esses desafios. As aplicações específicas incluem:pás de turbinas, segmentos de bicos para propulsão de satélites e componentes para vôo hipersônico.

10. Ligas de Cobalto-Cromo

As ligas de cobalto-cromo são usadas por sua boa combinação de propriedades – alta resistência, resistência ao desgaste e biocompatibilidade. Eles são encontrados cada vez mais em aplicações aeroespaciais, particularmente em componentes de motores de turbinas a gás, devido à sua capacidade de suportar altas temperaturas e tensões mecânicas que variam rapidamente. As ligas de cobalto-cromo servem em contextos aeroespaciais para componentes de motores, peças estruturais de aeronaves, componentes de motores de foguetes e escudos térmicos. Para obter mais informações, consulte nosso guia sobre Superligas.

Os componentes estruturais aeroespaciais impressos em 3D precisam atender a algum padrão regulatório?

Sim. Antes do serviço em aeronaves, os componentes estruturais aeroespaciais impressos em 3D precisam ser aprovados pela FAA ou EASA, após testes rigorosos. O sector dá necessariamente alta prioridade à fiabilidade e segurança para a preservação da vida (e dos equipamentos), pelo que estes componentes devem passar por rigorosos procedimentos de testes e validação. Órgãos reguladores como a Administração Federal de Aviação (FAA) e a Agência de Segurança da Aviação da União Europeia (EASA) possuem controles rígidos. Estas normas garantem a operação segura e confiável das aeronaves.

Qual é o futuro da impressão 3D de componentes estruturais na indústria aeroespacial?

O uso da manufatura aditiva na indústria aeroespacial está em trajetória de crescimento. Os fabricantes aeroespaciais estão gradualmente trocando alguns componentes de suporte de carga e de áreas quentes da fundição tradicional para a impressão 3D, apesar das atuais implicações de preço nesta oferta incipiente e de alto custo. O crescimento da penetração e da procura de tecnologia de fabrico aditivo continua a desenvolver-se no setor. Prevê-se que o uso da impressão 3D na indústria aeroespacial aumente no próximo período, como resultado de desenvolvimentos na tecnologia de impressão que estão melhorando o desempenho e reduzindo os preços. Para obter mais informações, consulte nosso guia sobre Como funciona uma impressora 3D.

Como a impressão 3D de peças estruturais aeroespaciais difere da fabricação tradicional?

O processo e os materiais utilizados na impressão 3D de componentes estruturais para a indústria aeroespacial são muito diferentes daqueles utilizados na fabricação tradicional. A impressão 3D usa técnicas aditivas para construir peças camada por camada a partir de um modelo digital, em oposição a processos subtrativos, como usinagem, ou processos de peça única, como fundição. Geometrias complexas, desperdício bastante reduzido e ciclos ágeis de desenvolvimento/teste no design são possíveis graças a isso. Vários materiais têm potencial para serem impressos em 3D como uma alternativa aos procedimentos de usinagem, moldagem ou fundição.



Kat de Naoum

Kat de Naoum é escritora, autora, editora e especialista em conteúdo do Reino Unido com mais de 20 anos de experiência em redação. Kat tem experiência em escrever para diversas organizações técnicas e de manufatura e adora o mundo da engenharia. Além de escrever, Kat foi paralegal por quase 10 anos, sete dos quais em finanças de navios. Ela escreveu para muitas publicações, tanto impressas quanto online. Kat é bacharel em literatura e filosofia inglesa e mestre em redação criativa pela Kingston University.

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