Por Que a Impressão 3D Está Revolucionando a Manufatura Moderna

Houve uma tremenda quantidade de hype em torno da manufatura aditiva (e impressão 3D) nos últimos anos. Mas a tecnologia é realmente viável para todos os fabricantes? Depende.

De partes do corpo a casas, a impressão 3D, também conhecida como aditiva no setor de manufatura, rapidamente passou de uma moda tecnológica digna de manchetes para consumidores a um meio viável e acessível de construir coisas, como implantes médicos, peças automotivas e de aviação, e protótipos plásticos para designers industriais.

O que é manufatura aditiva exatamente? A MIT Technology Review a descreve como a versão industrial da impressão 3D onde uma máquina "constrói um objeto adicionando camadas ultrafinas de material uma a uma". Em vez do trabalho de usinagem tradicional que subtrai ou remove elementos de material existente (como em metalurgia convencional, fresamento e usinagem CNC) — a manufatura aditiva constrói do zero.

Quais são os benefícios da manufatura aditiva? Oferece às empresas opções mais amplas para inovar e personalizar a manufatura para ferramentas internas e necessidades de peças e materiais do cliente — e reduzir custos "diminuindo a quantidade de material perdido durante a fabricação, melhorando o rendimento do produto e/ou reduzindo insumos de mão de obra", segundo a Deloitte University Press em um artigo detalhando aplicações 3D para ferramentas.

Impressão 3D: Adoção da Manufatura Aditiva Está em Ascensão

Segundo um estudo da PwC e The Manufacturing Institute, aproximadamente dois terços dos fabricantes já adotaram a tecnologia de alguma forma, e mais da metade já a usa para prototipagem — um salto significativo de apenas dois anos antes, com 35% dos fabricantes experimentando a tecnologia.

E como a pesquisa sugere, os fabricantes assumem que o crescimento rápido em torno da aditiva só vai ganhar mais velocidade. Mais da metade dos fabricantes espera que a manufatura aditiva seja usada para produção de alto volume nos próximos cinco anos, comparado a apenas 38% apenas dois anos atrás.

O mercado de manufatura aditiva para metais suporta essas descobertas. Segundo a pesquisa "Manufatura Aditiva com Pós Metálicos 2017" da SmarTech Publishing, o mercado para sistemas de manufatura aditiva e materiais de pós metálicos foi de mais de US$ 950 milhões em 2016 — e espera-se que cresça para US$ 6,6 bilhões até 2026.

Desafios da Impressão 3D, Manufatura Aditiva: Tempo e Custo

Apesar do tremendo hype em torno da manufatura aditiva, existem algumas limitações a entender. Primeiro, a manufatura aditiva pode ser lenta para produzir. Produzir o tipo de volume que você alcança com usinagem CNC em metais não é uma comparação direta.

"Para metais, é uma questão diferente", diz Gordon Styles, fundador e presidente da Star Rapid, em entrevista à Engineering.com. "Não há sentido em imprimir em 3D algo projetado para usinagem CNC; naturalmente será muito mais lento para imprimir porque o tempo de impressão é relativo ao volume de material. A maioria das peças de metal projetadas para CNC são volumosas e, portanto, levam muito tempo em uma impressora 3D."

Várias empresas estão trabalhando para acelerar o processo, observa Styles. Mas essa tecnologia aprimorada incitará outro desafio considerável para as empresas: custo. A manufatura aditiva pode ser cara, então é importante entender todas as "alavancas de custo", encontra Jason T. Ray, consultor de estratégia industrial de manufatura avançada.

"Devido à novidade da AM [manufatura aditiva] e altos custos de investimento inicial necessários para comprar as máquinas, os casos de uso frequentemente se transformam em um martelo procurando pregos, em vez de um processo orientado por custo-benefício", observa Ray no artigo "Calculando o Custo da Manufatura Aditiva" para a revista Disruptive. "Quando isso acontece, a ênfase no redesenho é reduzida, e as empresas acabam produzindo componentes que foram originalmente projetados para métodos de manufatura tradicionais e assim capturam apenas uma fração dos benefícios de uso final associados à AM."

Mas um relatório da Universidade de Nottingham descobriu que isso pode não ser o caso para sempre. Sua teoria: À medida que a tecnologia de máquinas se torna mais avançada, o caso econômico para adotar a aditiva na produção torna-se mais viável. No entanto, enquanto as máquinas permanecerem as mesmas, o custo continuará alto.

"Embora sejamos limitados hoje, daqui a 10 anos veremos centenas de materiais disponíveis", disse Styles à Engineering.com. "O problema não é realmente a disponibilidade de materiais, é o tempo e esforço necessários para trocar materiais. Hoje leva cerca de 24 horas para preparar uma máquina para um novo material."

No entanto, existem alguns casos em que a usinagem CNC pode ser mais cara que a manufatura aditiva. Mas há apenas uma maneira infalível de descobrir.

"A melhor maneira é simplesmente obter uma cotação para os dois processos do seu provedor de serviço de prototipagem rápida", explica Styles. "Uma regra prática, porém, é esta: Se a peça pode ser usinada CNC, então provavelmente é mais barato usiná-la CNC — e em 90% dos casos, isso é verdade."

Para completar, Styles também destaca o fato de que alguns materiais aditivos podem precisar de mais trabalho de usinagem CNC, o que incluiria remoção de suportes. E mais, o calor apresenta provavelmente o maior problema de todos, ameaçando, literalmente, rasgar os produtos.

Impressão 3D em Fábricas: Plástico, Peças, Ferramentas, Híbrido

Desafios à parte, ao prototipar em plástico, a manufatura aditiva pode ter alguns grandes benefícios. Ao usinar CNC para prototipagem com plástico, o problema está em seus cortadores cilíndricos, que tornam difícil usinar cantos internos quadrados comuns nestes tipos de designs. Com impressão 3D, as oportunidades de personalização — e tentativa e erro na prototipagem — fazem sentido para designers de produtos, peças e ferramentas.

A manufatura aditiva é "ideal para baixos volumes que precisam de resposta rápida e se beneficiam de economias em configuração, preparação de ferramentas e tempos de preparação semelhantes, mesmo que os tempos reais por peça possam ser muito mais altos do que com um processo puramente subtrativo", encontra Bob Warfield, CEO e fundador da CNC Cookbook, em um artigo sobre usinagem híbrida (onde processos aditivos e subtrativos coexistem).

O Caso da Manufatura Aditiva para Peças e Ferramentas

Os casos de uso reais para manufatura aditiva merecem atenção. Vários dos principais fabricantes industriais estão aproveitando totalmente o potencial da aditiva. Aqui estão vários exemplos de grandes players industriais.

A GE espera economizar dinheiro nos 25.000 bicos de combustível para motores a jato LEAP que produz anualmente de várias maneiras. Primeiro, técnicas aditivas usam menos material durante a produção. Técnicas convencionais exigiam 20 peças a serem meticulosamente soldadas — e produziam uma tonelada de material desperdiçado, observa a MIT Technology Review.

"[A] decisão de produzir em massa uma peça crítica de liga metálica a ser usada em milhares de motores a jato é um marco significativo para a tecnologia", escreve Martin LaMonica da MIT Technology Review. "E enquanto a impressão 3D para consumidores e pequenos empreendedores recebeu muita publicidade, é na manufatura onde a tecnologia poderia ter seu impacto comercial mais significativo."

O processo aditivo aqui usa pós metálicos híbridos que são pulverizados a laser para formar, o que torna a peça mais leve, levando a economia de combustível para as companhias aéreas. O processo é mais barato para produzir para o fabricante — e a nova peça reduz o custo do cliente, resultando em um verdadeiro ganha-ganha.

Em ferramentas, a Deloitte faz um caso convincente para o uso da aditiva — detalhando exemplos reais onde prototipagem rápida via processos aditivos reduziram significativamente prazos de entrega para fundições e para fabricação interna de ferramentas. A Deloitte descreve como a Ford Motor Company aproveitou a aditiva de forma significativa para seus motores EcoBoost, suportes de rotor, tampas de transmissão e rotores de freio para o Ford Explorer.

"A empresa usa AM para criar rapidamente os moldes e núcleos de areia usados para fundição de peças protótipo", observa a Deloitte. "Isso ajudou a Ford a reduzir o prazo de entrega em até quatro meses e economizou milhões de dólares para a empresa."

O Caso da Usinagem Híbrida: Aditiva e Subtrativa

Falando de híbrido, fabricantes de ferramentas de manufatura aditiva começaram a desenvolver máquinas híbridas com habilidades tanto aditivas quanto subtrativas — e elas são um espetáculo à parte. Estas máquinas "híbridas" combinam a liberdade geométrica da impressão 3D com a natureza precisa da usinagem CNC.

"Imagine um caso onde você precise fazer volumes extremamente baixos de peças extremamente sofisticadas, por exemplo, peças de reposição para turbinas em uma instalação de manutenção", escreve Warfield. "Uma máquina [híbrida] como esta pode ser ideal."

No entanto, com muitas dessas novas ferramentas, os fabricantes são limitados a produzir peças únicas e frequentemente não podem produzir diretamente de arquivos digitais — algo que conseguiriam com estratégias puramente aditivas.

"Deve-se pensar na impressão 3D de metal como uma tecnologia libertadora", enfatiza Styles. "Agora você pode projetar peças aparentemente impossíveis e ainda fazê-las, mas a chave é manter o volume de material ao mínimo."

Para grandes fabricantes, a aditiva está causando impacto. Mas mesmo como a Deloitte observa, esse impacto precisa ser colocado no contexto certo de inovação:

"Atualmente, AM para fabricação de ferramentas não revoluciona a cadeia de suprimentos ou design de produto tanto quanto melhora a eficiência e eficácia de cadeias de suprimentos e produtos. No entanto, à medida que a tecnologia AM continua a melhorar e o uso de AM para ferramentas continua a aumentar, pode ganhar a capacidade de impactar as cadeias de suprimentos e produtos das empresas mais diretamente, aumentando a capacidade das empresas de inovar."

Sua oficina adotou a manufatura aditiva por completo? Quais são alguns dos seus maiores desafios com a tecnologia? Deixe-nos saber nos comentários abaixo.