Revolucionando a indústria aeroespacial:materiais, processos e classificações avançadas de impressão 3D

A impressão 3D, também conhecida como manufatura aditiva, é altamente valorizada na indústria aeroespacial. Numa indústria onde as reduções de peso ou arrasto podem levar a enormes poupanças de custos, a impressão 3D permitiu aos fabricantes aeroespaciais criar aeronaves mais leves e mais eficientes em termos de combustível, de uma forma mais económica. A indústria aeroespacial foi uma das primeiras a adotar amplamente a impressão 3D na fabricação de componentes-chave, e o processo redefiniu os limites do design e da fabricação. Os engenheiros aeroespaciais têm sido fundamentais no desenvolvimento de determinados processos de impressão 3D, e a indústria continua a colher os benefícios hoje, à medida que a impressão 3D amadurece como processo de fabricação.

Desde gabaritos e ferramentas de protótipo até peças de uso final, como bicos e até mesmo corpos de foguetes, a impressão 3D na indústria aeroespacial pode ser usada tanto para auxiliar o processo de fabricação quanto para satisfazer aplicações específicas dentro de uma aeronave. Este artigo discutirá a impressão 3D na indústria aeroespacial, os materiais e processos utilizados e suas diferentes aplicações.

O que é impressão 3D?

A impressão 3D, também conhecida como manufatura aditiva, é um processo de fabricação que cria peças camada por camada até que toda a peça tridimensional esteja completa. É o oposto dos processos de fabricação subtrativos, como a usinagem CNC (controle numérico computadorizado), onde o material é removido de uma peça para criar peças. A impressão 3D pode ser usada para fabricar bugigangas, ferramentas simples e componentes avançados usados ​​em diversos setores, como aeroespacial, automotivo, médico, maquinário e muito mais. Embora a tecnologia de impressão 3D exista desde a década de 1980, a sua utilização explodiu desde o início do século XXI, à medida que a produção aditiva se tornou uma alternativa sólida para produzir peças que requerem vários processos de fabrico.

Quando a indústria aeroespacial começou a usar a impressão 3D?

A indústria aeroespacial foi uma das primeiras indústrias a implementar a impressão 3D na década de 1990. Desde o início da tecnologia de impressão 3D na década de 1980, a indústria aeroespacial tem sido um dos maiores contribuintes para o desenvolvimento de processos e tecnologia de impressão 3D. Hoje, a indústria continua a ser um dos maiores beneficiários do processo e é responsável por cerca de 15%-20% da receita total gerada pela indústria de fabrico aditivo (dependendo da fonte e das flutuações do mercado).

Como começou a impressão 3D na indústria aeroespacial?

A origem da impressão 3D na indústria aeroespacial remonta ao final da década de 1980. Na época, os maiores benfeitores da impressão 3D eram os militares dos EUA e a indústria de defesa. Esses setores utilizaram amplamente os plásticos como uma alternativa mais barata aos metais para realizar testes e simulações de vários sistemas e componentes de aeronaves.

A impressão 3D foi usada principalmente para prototipagem e testes na indústria aeroespacial até meados dos anos 2000, quando se tornou possível imprimir plásticos retardadores de chama em 3D por meio de processos como sinterização seletiva a laser (SLS) e modelagem por deposição fundida (FDM). À medida que os avanços na impressão 3D continuaram ao longo das primeiras duas décadas do século 21, o seu uso em aplicações aeroespaciais expandiu-se. Agora, ele é usado para aplicações em todo o ciclo de vida de componentes aeroespaciais, incluindo prototipagem e validação de projetos, ferramentas, gabaritos para manutenção de aeronaves, peças de uso final em motores a jato e interiores de aeronaves.

Que tipos de materiais são usados na impressão 3D para aplicações aeroespaciais?

Vários materiais diferentes são usados em aplicações da indústria aeroespacial. Os materiais comuns usados estão listados e descritos abaixo:

1. Cerâmica

As cerâmicas são materiais inorgânicos e não metálicos. Eles são ótimos para aplicações aeroespaciais devido à sua resistência à corrosão, leveza, resistência a altas temperaturas e resistência ao desgaste. No entanto, as cerâmicas são excepcionalmente duras e quebradiças, tornando-as difíceis de fabricar em peças. O caulim e a argila porcelana são dois exemplos de cerâmicas que podem ser impressas em 3D para a confecção de peças. A impressão 3D em cerâmica pode ser usada para fabricar componentes de espelhos de satélite feitos de carboneto de silício, com o objetivo de reduzir o peso e melhorar a relação rigidez-resistência.

2. Fibra de Carbono

As fibras de carbono são fios longos, excepcionalmente finos, mas fortes de átomos de carbono. Os compósitos de fibra de carbono são ideais para aplicações aeroespaciais, pois são tão fortes quanto o aço, mas mais leves que o alumínio. Isso permite que os fabricantes melhorem o desempenho das aeronaves integrando peças de fibra de carbono impressas em 3D nas estruturas e estruturas das aeronaves. No entanto, a fibra de carbono é cara e difícil de produzir, o que limita as potenciais aplicações que pode ter na indústria aeroespacial.

3. Metal

Os metais são materiais naturais ou ligados que são excelentes condutores de calor e eletricidade em comparação com outros materiais. Metais aeroespaciais comuns como alumínio, titânio e superligas à base de níquel são amplamente utilizados devido à sua resistência à corrosão e altas relações resistência-peso. Metais impressos em 3D são usados ​​em componentes de motores, estruturas, estruturas e equipamentos eletrônicos. Uma grande desvantagem dos metais é que eles são relativamente densos, e o uso excessivo de metal em uma aeronave pode afetar adversamente o desempenho da aeronave e a eficiência de combustível.

4. Polímeros

Polímeros são materiais compostos por cadeias repetidas de moléculas. Exemplos comuns de polímeros na indústria aeroespacial incluem termoplásticos sintéticos como Nylon, PEEK e ULTEM 9085 (uma forma de polieterimida). Esses materiais podem ser usados ​​para imprimir em 3D componentes internos, como encostos de assentos, painéis de parede e dutos de ar. Geralmente, os polímeros são ótimos para aplicações aeroespaciais, pois são leves e duráveis. No entanto, os polímeros são fracos em comparação com os metais e não podem ser usados ​​para aplicações de alta carga, onde o metal é frequentemente preferido. Para obter mais informações, consulte nosso guia O que são polímeros.

5. Inconel®

Inconel® é uma superliga à base de níquel-cromo valorizada por sua resistência a altas temperaturas e excelente resistência à fluência e à corrosão. Em aplicações aeroespaciais de impressão 3D, o Inconel® é frequentemente usado em motores de turbina a jato para fabricar bicos de combustível. A principal desvantagem do Inconel é que é um material caro. Para obter mais informações, consulte nosso guia O que é Inconel Metal.

6. Compostos

Os materiais compósitos são compostos por dois ou mais materiais constituintes cujas propriedades se complementam. Os materiais compósitos apresentam benefícios estruturais, como alta resistência e baixo peso, além de maior resistência ao desgaste. Materiais compósitos para impressão 3D em aeronaves levam a aeronaves mais leves e estruturalmente mais resilientes, uma vez que as propriedades desejáveis ​​de diferentes materiais se sinergizam. Uma desvantagem dos materiais compósitos impressos em 3D é que eles podem ser caros.

Uma ilustração de um componente estrutural aeroespacial impresso em 3D.

Quais são as etapas do processo de impressão 3D na indústria aeroespacial?

A impressão 3D pode ajudar a validar o design e a função das peças e pode ser usada para volumes de produção de pequeno a médio porte. As partes do processo de impressão 3D usado na indústria aeroespacial estão listadas e descritas abaixo:

1. Projeto

Os projetos aeroespaciais geralmente começam como modelos conceituais que mostram um componente específico da aeronave. Os modelos são criados em software CAD e depois exportados para um formato de arquivo compatível com impressão 3D, como .stl.

2. Preparação

Antes que um projeto possa ser fabricado em uma impressora 3D, alguns trabalhos de preparação devem ser concluídos para garantir a qualidade de impressão ideal. Os métodos de preparação serão diferentes dependendo da geometria da peça, do tipo de impressão 3D e da impressora utilizada. Os modelos de peças devem ser configurados e orientados nas impressoras de maneira a garantir a qualidade ideal. Além disso, algumas impressoras, como as impressoras FDM (modelagem de deposição fundida) e SLS (sinterização seletiva a laser), exigem que a base de impressão ou plataforma de construção seja aquecida antes do uso. 

3. Impressão

Após os modelos 3D serem configurados conforme desejado e os sistemas de impressão 3D estarem devidamente preparados de acordo com o tipo de impressão 3D e máquina de impressão utilizada, as peças podem ser fabricadas. Os tempos de impressão variam de alguns minutos a vários dias, dependendo do tamanho da peça e do tipo de impressão utilizada.

4. Pós-processamento

Quando a impressão 3D for concluída, as peças poderão ser removidas da bandeja de construção. A maioria das peças impressas em 3D requer algum pós-processamento. No entanto, as peças impressas por um método podem exigir mais pós-processamento do que aquelas produzidas por outro método. Por exemplo, as peças impressas em FDM muitas vezes requerem apenas a remoção do material de suporte, enquanto as peças impressas em DED (deposição de energia direta) requerem processos de usinagem adicionais para obter as dimensões desejadas.

5. Teste

Após a conclusão do pós-processamento, a peça impressa em 3D é testada e avaliada. Se forem necessárias modificações no projeto, a impressão 3D permite que os designers criem e testem rapidamente novos projetos. Quando a função pretendida de uma peça impressa em 3D é satisfeita, a peça pode ser impressa em 3D para produção em lotes pequenos a médios ou fabricada por métodos mais tradicionais.

6. Certificação de peças

A certificação de peças é uma etapa vital na indústria aeroespacial para garantir que os componentes impressos em 3D atendam aos rigorosos requisitos regulatórios, de segurança e de desempenho. Os processos de certificação podem incluir testes de materiais, testes mecânicos e adesão a padrões aeroespaciais, como os da Administração Federal de Aviação (FAA) ou da Agência de Segurança da Aviação da União Europeia (EASA). As peças podem precisar passar por extensos procedimentos de validação para comprovar sua confiabilidade, durabilidade e desempenho em condições aeroespaciais reais. 

Depois que uma peça é certificada, ela pode ser aprovada para uso em aeronaves de produção e aplicações aeroespaciais, garantindo a conformidade com as regulamentações do setor e os padrões de segurança.

Quais são os diferentes tipos de impressão 3D usados na indústria aeroespacial?

Existem vários tipos diferentes de impressão 3D que podem ser usados na indústria aeroespacial. Eles estão listados abaixo:

1. Modelagem de Deposição Fundida (FDM)

A modelagem por deposição fundida (FDM) é um tipo de impressão 3D que utiliza um filamento termoplástico extrudado para fazer peças camada por camada. O plástico derretido é extrudado de um bocal para uma bandeja de construção. Quando a primeira camada esfria, a camada seguinte é depositada. Esse processo se repete, camada por camada, até que toda a peça esteja concluída. A impressão FDM na indústria aeroespacial foi originalmente usada para fins de prototipagem e verificação de projeto, mas, recentemente, tem sido usada para produzir peças funcionais de aeronaves.

2. Estereolitografia (SLA)

A estereolitografia (SLA) é um processo de impressão 3D que utiliza resina polimérica fotossensível posicionada com precisão e curada por luz UV para formar peças camada por camada. O SLA oferece resolução muito alta e é frequentemente usado para fazer modelos para testes em túneis de vento. 

3. Sinterização Seletiva a Laser (SLS)

A sinterização seletiva a laser (SLS) é um processo de impressão 3D que sinteriza e funde com precisão pós termoplásticos para formar peças camada por camada. Quando uma camada é concluída, mais pó é depositado, a bandeja de construção desce e o processo se repete. O SLS é ótimo para produzir peças com geometrias complexas em altas resoluções. A impressão 3D SLS na indústria aeroespacial é comumente usada para produção em pequenos lotes de componentes flexíveis de fluxo de ar, como dutos de ar, e peças resistentes ao calor, como molduras de bicos.

4. Fusão por feixe de elétrons (EBM)

A fusão por feixe de elétrons (EBM) é um processo de impressão 3D que usa pó metálico eletricamente condutor e feixes de elétrons para fabricar peças camada por camada. O processo de impressão deve ocorrer no vácuo para evitar que as moléculas do gás interfiram na energia emitida pelo feixe de elétrons. O feixe de elétrons aquece o pó metálico a temperaturas extremamente altas para derretê-lo e fundi-lo para formar peças. O EBM pode ser usado para fabricar peças metálicas, como componentes de motores.

5. Deposição Direta de Energia (DED)

A Deposição de Energia Direcionada (DED) é um processo de impressão 3D que usa uma fonte de energia, como um feixe de elétrons, laser ou arco de plasma, para derreter o pó ou filamento à medida que é depositado a partir de um bico. O processo é semelhante ao EBM, mas não requer vácuo para ser concluído. A impressão DED é comumente usada para fabricar peças metálicas em motores de turbina a jato e pode ser usada para reparar peças metálicas que foram fabricadas tradicionalmente

Quais são os diferentes tipos de máquinas de impressão 3D usadas na indústria aeroespacial?

Os diferentes tipos de máquinas de impressão 3D utilizadas na indústria aeroespacial são descritos abaixo:

1. Máquinas de fusão em leito de pó (PBF)

As máquinas de fusão em leito de pó (PBF) são máquinas de impressão 3D que depositam pós e os fundem por meio de processos como SLS ou EBM. As vantagens das máquinas PBF incluem a capacidade de reciclar pó não utilizado para futuros processos de impressão, uma ampla seleção de materiais plásticos e metálicos para escolher e suporte mínimo necessário para produzir peças. As desvantagens das máquinas PBF incluem os altos requisitos de energia para imprimir peças, peças suscetíveis à distorção térmica e tempo de impressão lento.

2. Máquinas de modelagem por deposição fundida (FDM)

As máquinas FDM são máquinas de impressão 3D que criam peças extrusando filamentos de plástico camada por camada. As máquinas FDM têm várias vantagens, incluindo baixo custo, tamanho reduzido e uma ampla variedade de materiais disponíveis para impressão. No entanto, as máquinas FDM também apresentam desvantagens. As peças impressas por FDM são propensas a deformar e são fracas nas direções perpendiculares às camadas de impressão. Além disso, as máquinas FDM são propensas ao entupimento dos bicos e frequentemente exigem calibração do leito.

3. Máquinas de estereolitografia (SLA)

As máquinas SLA são máquinas de impressão 3D que fabricam peças curando polímeros fotossensíveis com uma tela LCD emissora de UV ou laser. As vantagens das máquinas SLA incluem a capacidade de imprimir peças altamente precisas e precisas, a capacidade de economizar resina não utilizada para trabalhos de impressão futuros e a capacidade de imprimir padrões complexos e intrincados. No entanto, as desvantagens das máquinas SLA incluem altos custos iniciais e de manutenção e as resinas não são ecologicamente corretas.

4. Máquinas de Deposição Direta de Energia (DED)

As máquinas de deposição direta de energia (DED) são impressoras 3D que produzem peças usando uma fonte de calor focada, como laser, arco de plasma ou feixe de elétrons, que derrete o pó ou filamento. As principais vantagens de uma impressora DED são que ela permite que a estrutura granular das peças impressas seja controlada e que peças grandes sejam feitas com poucas ferramentas. As desvantagens das máquinas DED incluem peças feitas com pouca precisão e a necessidade de pós-processamento para obter as dimensões desejadas. Além disso, as máquinas DED são caras e podem custar mais de US$ 500.000, o que pode ser uma barreira para muitas organizações.

5. Impressão 3D de fibra contínua

Embora o FDM possa imprimir polímeros compostos, eles tendem a usar fibras cortadas, o que diminui a resistência inerente encontrada em fibras de carbono mais longas. Com sistemas de impressão 3D de fibra contínua (como Markforged), o comprimento contínuo da fibra de carbono é depositado na base de impressão, permitindo que a peça final retenha a resistência da fibra de carbono a granel. O filamento de fibra de carbono é frequentemente revestido com um termoplástico, que é aquecido ao passar por um bocal, permitindo que o filamento de fibra de carbono se ligue à camada anterior.

Para quais tipos de aplicações as peças impressas em 3D são usadas na indústria aeronáutica?

Listados abaixo estão alguns exemplos de peças que podem ser fabricadas por impressão 3D para a indústria aeronáutica:

1. Componentes do motor

Os materiais utilizados nos componentes do motor devem suportar altas tensões mecânicas e térmicas. Peças como bicos de combustível podem ser fabricadas por processos de impressão 3D como EBM (fusão por feixe de elétrons) e DED (deposição direta de energia). Não só a produção de bicos utilizando estes processos é mais eficiente, mas os próprios bicos são mais leves do que aqueles fabricados pelos métodos de fabricação tradicionais. Isto oferece benefícios positivos significativos relacionados ao desempenho da aeronave e ao impacto ambiental.

2. Componentes Estruturais

Componentes estruturais são componentes internos e externos que ajudam a formar e apoiar o corpo rígido de uma aeronave. Componentes estruturais como braquetes e fúrcula podem ser feitos por processos de impressão 3D como EBM e DED usando titânio, ligas de titânio, cobre e ligas de níquel.

3. Manutenção e Reparo

A manutenção e o reparo são realizados rotineiramente nas aeronaves para garantir seu uso seguro e longa vida útil. Métodos de impressão 3D como EBM e DED podem ser usados ​​para fabricar gabaritos, acessórios e ferramentas necessárias para realizar manutenção e reparos em aeronaves em titânio, aço inoxidável e cobre, entre outros metais.

4. Componentes internos

Os componentes internos das aeronaves incluem tudo, desde equipamentos aviônicos até acessórios de cabine, como travas de portas e luminárias. FDM (modelagem de deposição fundida) e SLS (sinterização seletiva a laser) são dois métodos populares de impressão 3D comumente usados ​​para fabricar componentes internos de plástico para aeronaves.

5. Prototipagem e Ferramentas

Prototipagem e ferramentas referem-se aos processos relacionados ao projeto e teste de novos conceitos de design e ao desenvolvimento das ferramentas relacionadas. A impressão 3D é ótima para criar protótipos e ferramentas para a indústria aeroespacial devido à sua capacidade de fabricar peças complexas sob demanda, com pouco trabalho de configuração necessário. Isso permite o rápido desenvolvimento e teste de novos produtos.

O que são peças aeroespaciais impressas em 3D?

A seguir estão peças mecânicas aeroespaciais que podem ser feitas por impressão 3D:

1. Bicos de combustível
2. Lâminas da turbina 
3. Alojamentos
4. Aerofólios
5. Travas de porta
6. Trabalho em dutos
7. Encosto do banco
8. Painéis
9. Cortar peças
10. Componentes do motor
11. Corpos de foguetes
12. Tanques de combustível
13. Peças da nave espacial

Quais são as vantagens da tecnologia de impressão 3D na indústria aeronáutica?

Existem várias vantagens das aplicações de impressão 3D na indústria aeronáutica. Eles são descritos abaixo:

1. Peso reduzido:a impressão 3D pode ser usada para substituir peças metálicas por peças plásticas mais leves. Os componentes produzidos por impressão 3D reduzirão o peso total da aeronave, o que consequentemente reduz o consumo de combustível e melhora o desempenho da aeronave.
2. Econômica:as peças impressas em 3D podem ser fabricadas em muito menos etapas do processo do que as peças produzidas pelos processos de fabricação tradicionais. Isso ajuda a reduzir os custos gerais de produção e o desperdício.

Quais são as desvantagens da tecnologia de impressão 3D na indústria aeronáutica?

Existem também várias desvantagens da impressão 3D na indústria aeronáutica. Algumas desvantagens são descritas abaixo:

1. Materiais limitados disponíveis:Embora muitos plásticos e metais amplamente utilizados sejam compatíveis com impressão 3D, milhares de ligas e compostos ainda são incompatíveis. Este facto limita as aplicações potenciais da impressão 3D na indústria aeroespacial.
2. Estrutura de peças fracas:alguns métodos de impressão 3D, como FDM (modelagem por deposição fundida) e SLS (sinterização seletiva a laser), produzem peças com propriedades anisotrópicas (características que diferem dependendo da direção de uma carga aplicada). Isto pode ser indesejável para certas peças de suporte de carga e limita o potencial de várias aplicações de impressão 3D para a indústria aeroespacial.
   3. Processo de certificação demorado:A indústria aeroespacial é uma indústria orientada para a segurança e novos materiais e processos devem passar por certificação e qualificação antes de poderem ser utilizados em aeronaves. Isso pode ser demorado e caro.
   

Quem usa impressão 3D na indústria aeronáutica?

A impressão 3D é usada por empresas de P&D, fabricantes de aeronaves e empresas de manutenção. A impressão 3D pode ser usada para prototipagem rápida de peças aeroespaciais e produção de lotes pequenos e médios de componentes aeroespaciais de uso final, gabaritos, acessórios e ferramentas para manutenção de aeronaves.

Quais aplicações para a tecnologia de impressão 3D no setor de aviação poderão existir no futuro?

A impressão 3D é um processo que continua a impactar positivamente a indústria aeroespacial. Está preparado para reduzir o impacto ambiental negativo da indústria aeroespacial, reforçar a inovação na indústria e melhorar o desempenho das aeronaves e a eficiência da produção nos próximos anos. Asas impressas em 3D e aviação verde são apenas dois exemplos de futuras aplicações de impressão 3D na indústria aeroespacial.

Como a Xometria pode ajudar

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1. Inconel® é uma marca registrada da Special Metals Corporation.

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Dean McClements

Dean McClements é graduado em Engenharia Mecânica com mais de duas décadas de experiência na indústria de manufatura. Sua jornada profissional inclui funções significativas em empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace e Hyster-Yale, onde desenvolveu um profundo conhecimento de processos e inovações de engenharia.

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