Qual a contribuição da impressão em 3D para a indústria aeroespacial?

A indústria aeroespacial é um ambiente altamente exigente. Requer elementos impecáveis que serão capazes de suportar o desgaste contínuo, e condições de alta pressão e alta temperatura. Há constante inovação e investigação em curso para garantir que os componentes sejam fortes, resistentes mas também leves, para aumentar o desempenho da aeronave, facilitar o trabalho de manutenção e tornar os empregados mais produtivos. Esta qualidade e fiabilidade indispensável tem de ser equilibrada com os horários e reservas de voos comerciais, e com a urgência e prontidão necessárias 24/7 das aeronaves militares. Se algo correr mal na cadeia de produção e logística, a disponibilidade, qualidade e mesmo a segurança dos voos comerciais e militares pode ser comprometida.

A evolução da AM na indústria aeroespacial

É aqui que entra em cena a fabricação aditiva. Nas fases iniciais da evolução da impressão 3D, foi um método de fabrico extremamente inovador mas bastante limitado. As impressoras 3D foram um investimento caro, eram lentas e demasiado pequenas para terem aplicações industriais de grande escala. Além disso, o mercado de materiais era muito limitado, especialmente para materiais de engenharia técnica, e os fabricantes de impressoras 3D muitas vezes só permitiam que os seus próprios materiais fossem utilizados com as suas impressoras (lock-in do fornecedor). Esses tempos na impressão em 3D já se foram há muito.

Actualmente, a fabricação aditiva é uma indústria totalmente desenvolvida, com uma flexibilidade excepcional de design e compatibilidade material-impressora, software especializado que permite um design preciso e engenharia inversa, uma ampla escolha de materiais altamente avançados para as utilizações mais especializadas, impressoras 3D de grande escala com grandes áreas de construção, e a capacidade de produzir peças leves que não têm qualquer desvantagem em comparação com as suas congéneres CNC.

Vídeo 1. A Airbus emprega soluções de AM na sua linha de produção. Fonte: Airbus.

A indústria aeroespacial esforça-se por peças leves que possam ter o mesmo desempenho que os componentes de alumínio fabricados tradicionalmente. A redução do peso (redução de peso) permite aos aviões voar mais rápido, mais longe e com menor consumo de combustível. Cada 500 kg de redução de peso traduz-se em cerca de 1 % menos consumo de combustível, o que também significa uma diminuição das emissões de dióxido de carbono.

As contribuições da AM no espaço aeroespacial

Qualquer ideia de inovação na indústria aeroespacial tem de passar por um processo de avaliação muito meticuloso para verificar se o novo material ou tecnologia cumpre os numerosos e exigentes regulamentos da FAA para a segurança de voo e das aeronaves, quer se trate de uma aeronave comercial ou militar. Muitas aeronaves obsoletas têm componentes fabricados utilizando materiais que mais tarde se revelaram tóxicos e precisam de ser substituídos, ou materiais que simplesmente já não são fabricados e precisam de ser recriados.

As empresas de fabricação aditiva oferecem uma vasta gama de filamentos que são certificados pela FAA devido à sua grande resistência à tracção, e resistência química e térmica, mas sem efeitos secundários prejudiciais. Exemplos de tais materiais seriam filamentos da família PAEK, tais como o filamento Essentium PEI 9085 ULTEM, Essentium PEEK ou Essentium PEKK. Estes filamentos podem ser utilizados para aplicações em voo. O filamento ULTEM PEI foi utilizado para peças de impressão em 3D para sistemas de iluminação, interruptores eléctricos, caixas, e tomadas de lâmpadas.

Imagem 1. Uma conduta de controlo ambiental utilizada num veículo de lançamento espacial. Impresso com o filamento Essentium ULTEM 9085. Fonte: Essentium.

O filamento PEEK tem sido utilizado na indústria aeroespacial para substituir peças de motores, rolamentos, válvulas, bem como condutas de luz para isolar e proteger cabos ópticos e sistemas eléctricos no interior de um avião.

Manutenção interna flexível e imediata

O papel da impressão 3D no espaço aéreo passou a fase de apenas prototipagem, embora a AM ainda esteja a ser utilizada para esse fim. Dada a escala e o custo de fabrico na indústria aeroespacial, as formas tradicionais de prototipagem através de moldagem por injecção e maquinação CNC são consumidoras de tempo e recursos. A impressão 3D de um protótipo de um avião ou da sua peça reduz significativamente o custo de produção e ajustes de protótipos, desperdício de material e atrasos, e permite a produção de estruturas muito mais complexas do que o CNC.

Imagem 2. Um protótipo impresso em 3D de um avião. Fonte: Essentium.

Para além do fabrico de componentes para satélites (antenas para naves espaciais), drones e aeronaves não tripuladas (pás de rotor e peças de motor), as aplicações da AM mais comuns na indústria aeroespacial são na produção de peças terrestres e componentes não críticos em voo.

Como os aviões são um investimento bastante caro, as velhas unidades de aviões servem muitas vezes muito mais tempo do que deveriam. A fabricação aditiva é a tecnologia perfeita para pequenas tarefas de manutenção. Estas envolvem a impressão em 3D de componentes não essenciais ou danificados para o interior do avião, tais como suportes para copos, bandejas, tampas de sanita, condutas de ar, painéis de instrumentos, etc. Graças à AM, é possível recriar um elemento mesmo que faltem os planos, através de engenharia inversa - digitalizar a peça, processá-la em software de desenho, e depois imprimi-la em 3D.

Imagem 3. Turbinas impressas em 3D. Fonte: Essentium.

O mesmo se aplica a todos os tipos de ferramentas, gabaritos e acessórios. Nesse sentido, a inovação com impressão 3D é muito mais fácil de implementar porque o equipamento de apoio terrestre não está sujeito a tal escrutínio por parte da FAA como peças com qualidade de ar. Mesmo que a ferramenta original já não esteja a ser fabricada, pode ser impressa a 3D a partir de planos ou adaptando o desenho da ferramenta com base no parafuso ou elementos que se supõe que cabe. Com o fabrico tradicional subtractivo, este processo consumiria muito mais tempo e material. Para fazer ferramentas, gabaritos e acessórios leves mas eficientes, podem ser utilizados materiais reforçados com fibras de carbono, fibras de vidro ou metal. Resultará em peças até 50% mais leves do que o alumínio, mas com excelente resistência e resistência à temperatura. Alguns grandes filamentos para este fim seriam o filamento Essentium HTN CF25, o filamento PA CF, ou o filamento ABS MG94. Para além da força, resistência e leveza, algumas outras características que um filamento orientado na indústria aeroespacial deve ter são a retardância à chama e a segurança ESD. O chão de produção e as zonas de manutenção são espaços com temperaturas elevadas, possivelmente materiais explosivos e estáticos - uma combinação muito perigosa tanto para o equipamento como para os empregados. O filamento Essentium TPU 90A FR tem propriedades retardadoras de chama, o que minimiza significativamente o risco de incêndio e a sua propagação. Torna-o perfeito para ferramentas, gabaritos e acessórios utilizados no hangar ou em redor do avião.

Imagem 4. Uma parte de segurança feita com o Essentium TPU 58D-AS. Fonte: Essentium.

O Essentium TPU 58D-AS, por outro lado, é um filamento concebido especialmente para a indústria aeroespacial, para o fabrico de peças que devem ser removidas antes do voo (daí a cor vermelha a chamar a atenção). O TPU 58D-AS reduz o risco de descarga electrostática, que é um perigo para os seres humanos e para os componentes electrónicos, que são extremamente cruciais para o bom funcionamento dos sistemas de navegação de um avião, entre outras funções. 

Superar limitações logísticas

A manutenção de aviões em condições de segurança e prontos a voar e de missão nas indústrias aeroespaciais comercial e militar é extremamente crucial, ainda mais crucial do que a constante inovação. A fabricação aditiva tem tantas aplicações nessas indústrias precisamente porque permite às transportadoras de passageiros, companhias de correio e exércitos ter mais independência e flexibilidade na manutenção das suas aeronaves.

A pandemia de Covid-19 mudou o mundo de muitas maneiras. A indústria aeroespacial não foi excepção, uma vez que muitas cadeias de abastecimento estavam subitamente em pausa por períodos de tempo imprevistos. Isto parou as operações de produção, manutenção e entrega devido à dependência de empreiteiros e empresas de entregas, uma consequência de um modelo de fabrico tradicional. Muitas companhias aéreas comerciais sofreram grandes perdas financeiras devido ao cancelamento de voos, e isso significou ter de procurar novas formas de reduzir os custos. A fabricação aditiva pode ser a resposta a isso.

Com o fabrico tradicional, como o CNC, a produção de um componente seguro contra ESD, um componente resistente à corrosão, e um componente a altas temperaturas exigiria muito provavelmente a utilização dos serviços dispendiosos de três contratantes diferentes, tempos de espera variados e longos (também dependendo do fornecedor do contratante), e uma entrega complicada ou impossível no caso de aeronaves militares estacionadas no estrangeiro. 

Imagem 5. Um exemplo de fabrico iterativo. Fonte: Essentium.

Outra questão é que as ferramentas pontuais ou peças de substituição de funcionamento limitado são omnipresentes na indústria aeroespacial. Recorrer à moldagem por injecção ou à maquinagem CNC para fazer uma ferramenta única para uma única utilização implicaria custos desnecessários e tempos de espera desnecessariamente longos. Tudo isto pode ser resolvido com a impressão 3D, uma vez que uma única impressora 3D pode ser utilizada no local para produzir todas aquelas peças com diferentes filamentos técnicos avançados a um custo muito inferior e com um risco de atraso menor. Esta forma de fabrico também elimina a necessidade de armazenagem de peças sobressalentes em todo o mundo para realizar tarefas de manutenção, uma vez que qualquer peça necessária pode ser impressa em 3D em qualquer lugar e a qualquer momento, a pedido. Todas estas pequenas melhorias conduzem a uma simplificação global e encurtamento da cadeia de fornecimento e produção no espaço aéreo, o que consequentemente reduz os custos e equilibra a pegada de carbono que os aviões deixam.

Exemplos da vida real

Um grande exemplo da aplicação das tecnologias de AM num contexto aeroespacial da vida real é a empresa Axle Box. Eles desenvolveram uma plataforma de drones para o SkyFire, para os seus clientes florestais e de protecção contra incêndios. Estes elementos tinham de ser capazes de resistir às condições de uma operação de combate a incêndios aéreos em grande escala - fogo, água, e vento. As peças foram produzidas ao menor custo e com os prazos de entrega mais rápidos em comparação com a concorrência. O corpo médio de um drone foi impresso em 3D com o filamento Essentium HTN CF25 e as tampas laterais com o filamento PA CF. Ambos os materiais foram executados para além das expectativas em testes de voo, demonstrando grandes propriedades mecânicas e alta velocidade.

Vídeo 2. Uma peça impressa em 3D para uma plataforma de aterragem de um drone por Axle Box. Fonte: Essentium.

Uma avaria muito comum nos aviões é uma falha hidráulica, principalmente devido ao peso da aeronave e às tensões que esta suporta durante um voo. O processo de reparação de uma falha hidráulica costumava ser muito exigente em termos de tempo e mão-de-obra, porque exigia que vários técnicos tivessem acesso à origem da avaria e depois mantivessem a substituição no lugar enquanto esta estava a ser instalada. Essas falhas hidráulicas ocorreram tão frequentemente e eram tão dispendiosas de reparar que um grande fabricante aeroespacial decidiu imprimir em 3D uma cinta que manteria a peça de substituição no lugar, sem necessidade de mão-de-obra adicional para ajudar no processo.

A introdução da fabricação aditiva na indústria aeroespacial tem sido um desenvolvimento pioneiro tanto para a AM como para a indústria aeroespacial. Tem sido um desafio emocionante e transformador para o mundo da impressão 3D, devido ao número de materiais especializados com propriedades avançadas que são necessários na indústria aeroespacial. E para a indústria aeroespacial tem sido um passo importante para uma maior flexibilidade de concepção, redução de custos e independência logística, graças à impressionante velocidade, escala e possibilidades de iteração que a impressão em 3D oferece.