Como a Impressão 3D Está Revolucionando Aeroespacial e Defesa

Eles podem não ser hardware crítico para voo ainda, mas peças impressas em 3D para aeronaves comerciais, militares e espaçonaves estão tornando mais fácil reduzir peso e custos de material. Tradução: Há ROI aqui para casos de uso muito específicos — e ganho funcional das economias sendo bem utilizadas.

Manufatura aditiva tem um futuro brilhante. Mas quão brilhante será para a indústria aeroespacial e de defesa? Exploramos como peças impressas em 3D estão causando impacto hoje — e olhamos algumas das limitações.

Falamos com especialistas de engenharia na 3D Systems e 3DDirections para descobrir para onde manufatura aditiva e impressão 3D em aeroespacial e defesa estão indo. Mas primeiro, vamos olhar a evolução da indústria neste vertical vibrante.

História da Impressão 3D e Peças Aditivas para Aeroespacial e Defesa

A indústria aeroespacial e de defesa, especialmente o exército dos EUA, foi um adotante inicial de peças impressas em 3D, mas principalmente para teste e simulação porque as classificações de fogo e toxicidade de plásticos não estavam à altura de metais para voo — tanto no espaço quanto acima das nuvens.

Estas peças de teste eram usadas principalmente em drones e satélites, explica Bryan Newbrite, engenheiro de aplicações na 3D Systems. Entre 2008 a 2013, plásticos aditivos como Bluestone eram usados em testes para coisas como túneis de vento e em peças de dutos, mas resinas cerâmicas também eram usadas para simulações.

Estes casos de uso eram bons para imitar o fluxo de vento. Estas peças nunca foram usadas com humanos. Antes desta era, em meados dos anos 1990, algumas peças 3D eram usadas para fundições rápidas.

As coisas começaram a mudar por volta de 2007 a 2013.

"A maior mudança no setor aeroespacial foi na verdade o desenvolvimento de sinterização a laser seletiva retardante de chama", diz Newbrite. "É uma das poucas coisas que você começou a encontrar em uso na aviação comercial... Basicamente pegou nylon 12 ou nylon 11 e adicionou retardantes de chama para que passasse nos testes de chama."

Isso foi significativo porque significava que o material podia segurar algum calor sem pegar fogo — e podia se apagar rapidamente sem emitir fumos tóxicos.

Foi usado primeiro em satélites. A razão principal? Retorno sobre investimento.

"Custa $40.000 a $50.000 por quilograma para colocar um satélite em geoestacionária", diz Newbrite. "Então se você pode projetar um suporte estrutural ou um membro interno de um satélite e raspar alguns quilogramas, bem então o custo adicionado real de ter que construí-lo de forma aditiva é mais que cuidado."

Um Momento Crucial na História da Impressão 3D em Aeroespacial: Bico de Combustível do Motor LEAP da GE

Uma das peças aditivas mais notáveis feitas para aviação comercial foi um bico de combustível impresso em 3D pela GE, para o motor LEAP. É um exemplo brilhante de como os esforços de pesquisa e desenvolvimento vêm à fruição — e ganham muita atenção por inovação.

"A forma como a GE foi bem-sucedida neste projeto foi que eles apenas tiveram que usar força bruta para fazer acontecer, o que significava que eles construíram milhares e milhares destes bicos para poder qualificá-los como peças viáveis que podem ser impressas", explica Chris Barrett, presidente e fundador da 3DDirections, consultor de manufatura aditiva e especialista em engenharia mecânica.

Barrett trabalha para Universal Technology Corporation como cientista de pesquisa e é candidato a Ph.D. na Youngstown State University em Ohio.

"A forma como eles tinham que fazer antes é basicamente toneladas de camadas de folha de diferentes tipos prensadas juntas", diz Barrett. "E essa era a única forma que eles podiam obter a complexidade que precisava. Para a versão 3D, usou a mesma abordagem em camadas, mas imagine fazendo manualmente."

Segundo a GE, os bicos impressos em 3D são "cinco vezes mais duráveis que o modelo anterior" e a abordagem aditiva "permitiu que engenheiros usassem um design mais simples que reduziu o número de brasagens e soldas de 25 para apenas cinco."

Um Tema Comum em Impressão 3D e Manufatura Aditiva: Redução de Peças, Passos ou Peso

Tanto Barrett quanto Newbrite apontam que a maioria das peças impressas em 3D para aeroespacial e defesa não são críticas para voo hoje. Apesar da incursão da GE com bicos de combustível, produção de alto volume é um problema.

"Com o tempo tenho certeza que as tecnologias e abordagens aditivas vão alcançar", diz Newbrite. "Mas em termos de custo, você realmente não vê muito disso agora em produção. As grandes aeronaves comerciais se tornaram muito eficientes. Realmente, a maioria dos casos de uso agora estão fortemente focados em militar, drones, aeronaves não tripuladas e satélites, onde peso realmente importa."

Métodos de manufatura tradicional com máquinas CNC avançadas e de precisão continuarão dominando a indústria porque permanecem os mais custo-efetivos.

"Geralmente é 10 a 100 vezes o custo do tradicional", diz Barrett. "Então precisa mostrar uma melhoria de 10 a 100 vezes como peça no final do dia."

No entanto, há algumas aplicações em uso hoje, e muitas outras sendo avaliadas. Os grandes OEMs comerciais e de defesa incluindo Boeing, Airbus, Honeywell, GE e Lockheed Martin estão investindo pesado em pesquisa de manufatura aditiva.

Barrett aponta para outro projeto de P&D da GE que tentou imprimir a maioria das peças de um motor de avião — um turboélice avançado, ou ATP — e foi bem-sucedido usando superligas de titânio.

"A GE pegou um motor que tinha sido feito de 855 peças e reduziu para cerca de 12", diz Barrett. "Eles conseguiram reduzir o peso do motor em 100 libras e aumentar eficiência de combustível em 20%."

A redução de peso também permitiu um aumento de 10% na potência sobre seu predecessor. Este motor está planejado para entrar em produção para o avião Cessna Denali da Textron Aviation.

Precisa de uma resposta técnica? Pergunte à Equipe Técnica de Metalurgia da MSC no fórum.

Impressão 3D para Aeroespacial e Defesa: MRO e Peças de Reposição

Um dos casos de uso mais interessantes para impressão 3D é a fabricação de peças de reposição para aeronaves legadas, como as encontradas em C-130s e B-52s. As aeronaves são mais antigas mas ainda em uso para transportar carga e tropas — e suas peças estão ficando cada vez mais difíceis de substituir, explica Barrett.

O problema? Aviões podem ficar parados por períodos prolongados — às vezes por vários anos por falta de peças de reposição. Alguns destes aviões datam de 50 anos, e empresas não fazem mais peças para eles — ou foram à falência. Empresas dispostas a fazer peças de reposição podem levar anos para completá-las.

"Quando começamos a pesquisar isso, descobrimos que algumas destas peças, porque ficaram no avião e foram batidas por tantas décadas, esticaram e empenaram conforme o avião esticou e empenou", diz Barrett. "Então cada peça é um pouco diferente, porque a curva de 90 graus agora não é mais 90 graus, pode ser 85 graus. Bem, eu não posso fazer um molde de fundição que contabilize todas estas diferenças. Então faz um caso perfeito para impressão 3D."

Empresas como 3D Systems e outras podem fazer peças personalizadas para cada avião trazendo scanners 3D para um avião, criando arquivos digitais e imprimindo cada peça adaptada para se ajustar à forma e geometria daquela peça em sua condição atual.

Este projeto de peças legadas envolve várias organizações públicas e privadas através de uma iniciativa chamada Maturação de Manufatura Avançada para Sustentação de Baixo Custo, ou MAMLS, que é financiada pelo Laboratório de Pesquisa da Força Aérea.

Um fabricante que fez avanços com aviões C-130 é a Metro Aerospace, uma empresa destaque no Better MRO na International Manufacturing Technology Show 2018. A Metro Aerospace tem entregado peças microvane para os militares. Microvanes são feitas de um compósito de polímero leve, não corrosivo, durável que inclui vidro e esferas de nylon.

Leia tudo sobre os desafios e sucesso de produção da Metro Aerospace no artigo "Como Levar uma Peça Impressa em 3D ao Mercado em Aeroespacial."

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