Impressão 3D

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A fabricação aditiva, nome atribuído à versão industrial da impressão 3D, pode baratear a construção de peças complexas e revitalizar vários setores que trabalham com fabricação avançada. O desenvolvimento de turbinas de propulsão a jato mais leves e inteligentes é um exemplo.

Criar um arquivo digital ou fazer o download da internet, ajustar alguns parâmetros, apertar “imprimir” e esperar que um objeto 3D seja impresso em alguns minutos não faz mais parte de livros e filmes de ficção. No começo dos anos 90, um grupo de engenheiros do MIT patenteou “técnicas de impressão tridimensionais”. Desde então a tecnologia básica evoluiu bastante e hoje é possível comprar impressoras 3D ou imprimir objetos sem precisar desembolsar fortunas. A tecnologia cria objetos ao adicionar camadas de material, uma a uma, e já é utilizada rotineiramente para a prototipagem rápida de projetos de engenharia e design.

Algumas universidades brasileiras já contam com espaços dedicados à impressão 3D e prototipagem rápida. Um exemplo é o GIP3D – Grupo de Impressão 3D da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). O coordenador do GIP3D é o professor do Departamento Acadêmico de Engenharia Mecânica, David Kretschek. Segundo ele, já foram atendidos alunos dos cursos de Engenharia Mecânica, Técnico em Mecânica, Mestrado em Eletrônica, Design, Automação assim como funcionários e membros do hotel tecnológico da universidade. No momento, o laboratório possui duas impressoras 3D em funcionamento e duas em construção, se uma delas um projeto próprio. As tecnologias utilizadas são FDM (Fused Deposition Modeling), que faz a extrusão de um filamento plástico para a confecção da peça 3DP (originalmente denominada 3D Printing e hoje classificada como Binder Jetting), que trabalha com a impressão de aglutinante sobre pó.

O grupo foi criado para proporcionar aos estudantes da instituição um espaço para desenvolvimento de projetos a baixo custo. Ciro Copetti Rodriguez, estudante de engenharia mecânica e um dos idealizadores do grupo, conta que os estudantes podem “desenvolver os seus projetos até o fim, por menores que sejam seus conhecimentos a respeito de técnicas de fabricação.”

imp2Uma máquina de fabricação aditiva pode imprimir estruturas tridimensionais./ Fonte: Jamie Douglas LLNL

Somente no começo dos anos 2000 é que engenheiros começaram a perceber que a tecnologia de impressão 3D poderia ser aplicada à fabricação. Hoje, um dos pioneiros em adotar esta tecnologia industrialmente é o setor aeroespacial. A fabricação aditiva (FA) – nome técnico dado à versão industrial da impressão 3D – permite a criação de geometrias complexas necessárias para o fluxo de ar e resfriamento. Isso, somado à redução de peso, pode levar ao desenvolvimento de turbinas mais compactas e eficientes. Isso significa que os engenheiros aerespaciais estão na fronteira da tecnologia, tentando imprimir metais e ligas.

Empresas aeroespaciais de todo o mundo estão introduzindo partes produzidas por fabricação aditiva. A EADS, indústria aeroespacial e de defesa européia, utiliza a técnica para produzir componentes para os seus satélites. Dutos de refrigeração produzidos por sinterização a laser foram usados pela Boeing no caça F-18 há cerca de 13 anos, e o mais novo jato comercial da companhia, o 787 Dreamliner, utiliza 32 componentes produzidos por FA de sinterização a laser. Porém, nenhuma peça tem função crítica no funcionamento e segurança da aeronave. Mais recentemente peças que sofrem alto stress mecânico também começaram a ser produzidas com a técnica. A Pratt & Whitney, fabricante de motores para aviação, utiliza FA para criar algumas peças de suas turbinas. No final de 2013, o novo jato Bombardier Série C foi o primeiro a voar utilizando uma turbina da empresa que possui partes produzidas por FA. Segundo a empresa, prototipagem rápida foi utilizada extensivamente para acelerar o desenvolvimento de diferentes interações no desenho da turbina, e as peças finais passaram por numerosos testes antes de serem aprovadas para uso. Já a General Electric está utilizando técnicas de FA na criação de bicos de combustível para um novo motor a jato.

Mudança de Paradigma

A fabricação aditiva representa uma mudança radical na maneira tradicional de fabricar peças metálicas. O que antes consistia na fundição e moldagem do metal, agora passa à impressão, camada por camada, utilizando lasers e feixes de elétrons para fundir o metal. Para construir um único bico de combustível utilizando as técnicas tradicionais seria preciso fabricar e unir cerca de 20 pequenas peças, num processo trabalhoso e em que uma elevada percentagem do material acaba sendo descartado. A técnica pode reduzir dramaticamente o tempo de produção, e é mais eficiente que métodos subtrativos (como a fresadora CNC), pois reduz o desperdício e consumo de matéria prima. O processo de FA utiliza menos materiais que as técnicas convencionais, pois a impressora pode executar a impressão de formas complexas que eliminam volumes desnecessários. Isso reduz os custos de produção, resultando em peças mais leves e significativa economia de combustível para as companhias aéreas.

advanced_materials_carousel_1_650Um modelo de turbina a jato produzido por impressão 3D pelo time de fabricação aditiva da General Electric. Foi produzido utilizando a técnica de fusão seletiva a laser. O modelo possui peças móveis que foram impressas em suas posições finais, isso elimina a necessidade de soldas e montagem. Fonte: Tunblr GE

Por exemplo, quando um bico de combustível é fabricado com técnicas de moldagem tradicionais, os orifícios e tubos precisam ser feitos utilizando usinagem. Na fabricação aditiva é possível criar a peça em de uma só vez, permitindo economias substanciais. O bico de combustível produzido pela GE é construído a partir de pó de cobalto-cromo. Um laser controlado por computador é disparado na camada de pó metálico para fundir a liga nas áreas desejadas, criando camadas com 20 micrômetros de espessura, uma a uma. A estimativa é que os bicos de combustível produzidos com impressão 3D pela GE Aviação serão utilizados no motor a jato CFM LEAP, previsto para ser implementado em aviões no final de 2015 ou início de 2016. Como cada motor vai utilizar de 10 a 20 bicos, a GE precisará fabricar 25 mil peças anualmente para suprir a demanda.

Em contraste com as técnicas de fabricação tradicionais, tais como fundição e usinagem, a fabricação aditiva fornece uma flexibilidade muito maior sobre o design de novos produtos. A máquina imprime diretamente a partir de um modelo digital, de modo que os engenheiros podem conceber projetos que não seriam possíveis de serem executados com técnicas convencionais de fabricação. Uma única peça pode ser composta por várias ligas diferentes, possibilitando o ajuste das propriedades do material de uma maneira que não é possível com os métodos de moldagem. Os novos formatos e propriedades dos materiais que são alcançados com a tecnologia tornam possíveis, por exemplo, a fabricação de uma lâmina para turbina com diferentes materiais, de forma que uma ponta seja otimizada para resistência mecânica e a outra para resistência ao calor.

Estudos

Uma possibilidade explorada pela Pratt & Whitney são motores que contenham menos partes, o que exigiria menos esforços na montagem e os tornariam mais baratos. O engenheiro chefe de materiais e processos da companhia, Frank Preli, antecipa a possibilidade de projetos mais radicais de aeronaves: “algo como várias turbinas integradas na asa para uma ultra eficiência aerodinâmica.” Para chegar a este ponto, pesquisadores precisam entender a física em escala molecular de como lasers e feixes de elé- trons interagem com materiais em pó, melhorando a precisão na impressão e a habilidade de criar detalhes menores com taxas de deposição maiores. A Pratt & Whitney não revelou exatamente o quanto investiu em fabricação aditiva. Mas eles financiaram um centro de pesquisas de 4,5 milhões de dólares na Universidade de Connecticut e se comprometeram a investir 3,5 milhões por ano pelos próximos três anos.

O investimento em pesquisa acadêmica não só ajuda a empresa a desenvolver tecnologias de fabricação, como também auxilia na hora de recrutar talentos para os seus quadros. Faz sentido que a indústria aeroespacial esteja entre as primeiras a adotar a fabricação aditiva, pois até mesmo ligeiras melhoras no desempenho ou pequenas reduções de peso podem resultar em grandes economias de combustível. Porém outras áreas já começam a identificar peças que possam ser fabricadas com este processo. No momento as aplicações já se estendem a turbinas eólicas e transdutores cerâmicos utilizados em equipamentos ultrassom para diagnóstico médico.

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Engenheiros exploram o uso de fabricação aditiva com uma grande variedade de ligas metálicas, incluindo alguns materiais especificamente desenvolvidos para impressão 3D. A GE Aviação, por exemplo, estuda o uso de titânio, alumínio e ligas de níquel-cromo. O menor custo de trabalho, economias com materiais e a redução nos custos de manutenção de estoques com milhares de componentes pequenos e caros são fatores que contribuem para que as empresas considerem migrar de processos convencionais para a fabricação aditiva. Por enquanto boa parte desta mudança ainda está nos projetos 3D nos computadores de engenheiros e designers, mas em breve estará voando sobre as nossas cabeças.

■ Fontes: » Kevin Bullis, MIT Technology Review, 06/02/2015 » Martin LaMonica, MIT Technology Review 23/04/2013 » Ben Sampson, Institution of Mechanical Engineers 19/08/2013 » General Electric e Pratt & Whitney