5 de abril de 2017
Tecnologia é uma das bases da indústria 4.0 e o alumínio tem lugar certo na revolução industrial do terceiro milênio

Por Marcio Ishikawa |

Já há algum tempo que a impressão 3D deixou de ser coisa de filme de ficção científica e está cada vez mais presente no dia a dia dos mais variados setores da indústria. Trata-se de uma expressão usada para designar variados processos de construção de objetos sólidos tridimensionais, criados a partir de softwares de CAD (Computer Aided Design) e/ou CAE (Computer Aided Engineering), que podem utilizar vários tipos de material: alumínio e outros metais (DMLS, Direct Metal Laser Sintering e SLM, Selective Laser Melting) ou materiais em pó (SLS, Selective Laser Sintering), acrílico (SLA, Stereolitography), termoplásticos (FDM – Fused Deposition Modeling) e laminados (LMO – Laminated Object Manufacturing), entre outros.

Impressão 3D

As primeiras aplicações industriais da impressão 3D foram voltadas para a construção de protótipos, padrões e moldes, ou ainda na produção de pequenos objetos em baixa escala. Mas a tecnologia de impressão 3D vem evoluindo de forma exponencial nos últimos anos, ganhando lugar também na produção dos produtos finais (ponto em que, como veremos a seguir, o alumínio é uma peça fundamental). É a chamada manufatura aditiva, um dos pilares fundamentais da chamada Indústria 4.0 (ou Smart Manufacturing, como é designada nos Estados Unidos), baseada na conexão em tempo real entre todos os processos de uma cadeia produtiva.

O alumínio
Um bom exemplo de aplicação da tecnologia de impressão 3D em alumínio pôde ser vista no último Salão do Automóvel de São Paulo, no estande da Audi. Lá estava o Lunar Quattro, uma sonda de exploração espacial desenvolvida em parceria com a Part-Time Scientists e que deve ser enviada para a Lua ainda em 2017.

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A Audi, dentre outras atribuições, foi a responsável pelo projeto e produção das rodas. O alumínio foi o material escolhido, já a redução de peso era um requisito fundamental, assim como uma elevada rigidez. A impressão 3D foi considerada a mais adequada para a produção, já que as rodas precisavam ter formas complexas e paredes extremamente finas, com apenas 1 milímetro de espessura.

O processo utilizado foi a fusão seletiva a laser (SLM), capaz de produzir um produto final com maior resistência que o DMLS. Cada uma das rodas da sonda levou 32 horas e 20 minutos para ser produzida, usando a liga AlSi10MgSr, a mesma que é usada no Audi Space Frame, a arquitetura em alumínio usada nos carros da Audi já há algumas décadas. A sonda pode rodar a uma velocidade de até 3,6 km/h, com capacidade para superar terrenos acidentados.


 

“Em dez ou no máximo 20 anos, estaremos fazendo peças estruturais em larga escala usando a tecnologia de impressão 3D”

Harald Eibish, engenheiro de fundição e manufatura aditiva da Audi


A nova metalurgia do pó

Os processos de DMLS e SLM são relativamente parecidos. No entanto, no primeiro processo, a sinterização ocorre abaixo do ponto de fusão do material, ao atingir a temperatura em que o pó de metal consegue se fundir em nível molecular, sendo possível controlar a porosidade que se deseja atingir no material final. Já no SLM ocorre a fusão completa do material, transformando-o em um material homogêneo e mais resistente.

Nos dois casos, o equipamento trabalha com laser e duas mesas móveis verticais, uma com o suprimento de pó de metal e a outra na qual o objeto é efetivamente produzido. Como vimos anteriormente, o objeto precisa ser projetado em um software CAD ou CAE, que fornecerá ao equipamento as informações das inúmeras camadas, que são sinterizadas ou fundidas uma por vez. “No processo de impressão 3D, convertemos o design da peça em arquivos de informações, camada por camada”, explica Harald Eibish, engenheiro de fundição e manufatura aditiva da Audi, responsável pelo projeto do Lunar quattro.

No caso do projeto das rodas da Lunar Quattro, da Audi, o laser tinha um raio com 400 watts de potência, que em 30 segundos finalizava a fusão de uma camada. Antes do laser entrar em ação novamente, um rolo recobre a peça com a matéria prima, após a mesa baixar imperceptíveis 0,05 milímetro. Essa é a média de espessura de um fio de cabelo humano – ou seja, ela se movia 1 milímetro a cada 20 camadas.

Impressão 3D em alumínioA Renault européia recentemente construiu um protótipo de motor de caminhão que utiliza balancins, braços de casquilhos dos mancais e a árvore do comando de válvulas produzidos com impressão 3D. “O objetivo desse projeto é demonstrar o impacto positivo da manufatura aditiva no tamanho e no peso do motor”, explicou Damien Lemasson, gerente de projetos da Renault. “Já realizamos testes de utilização, que provaram a durabilidade e a resistência dessas peças.”

Na foto ao lado, é possível ver os balancins originais na parte de cima eas peças feitas com a tecnologia de impressão 3D, mais leves, na parte de baixo.

Lemasson explica que, considerando a produção inteira do motor, um modelo DTI 5 a diesel, com quatro cilindros e especificação Euro 6, o estudo aponta uma redução de 120 quilos, correspondentes a 25% do peso do motor convencional. Como a impressão 3D oferece maior liberdade de design, permite a otimização do desenho dos componentes, do sistema de montagem e, também, reduzir o número de peças – no caso desse motor, seriam 200 componentes a menos. O resultado final é um motor menor, mais leve e mais simples de montar.

No chão de fábrica
Eibisch, da Audi, garante que a tecnologia de impressão 3D ganhará espaço na indústria em muito pouco tempo. “Estamos falando de um período de dez ou no máximo 20 anos. Em breve, estaremos fazendo peças estruturais em larga escala usando a tecnologia de impressão 3D”, afirma, com bastante otimismo, destacando ainda as vantagens que ela pode oferecer. “Essa tecnologia abre novas e fascinantes possibilidades para os engenheiros e designers. Seremos capazes de produzir estruturas muito sofisticadas e integrar partes funcionais. Os ganhos em funcionalidade, redução de peso e rigidez serão enormes.”

Nesse ponto, um dos desafios para a indústria do alumínio está no fato de que, no processo de sinterização, pode-se chegar somente a até 80% do limite de resistência do metal. “Trata-se de um valor excepcional para prototipagem, mas demanda cuidado se estivermos falando de produto final”, explica Gyorgy Henyei Jr., engenheiro de materiais e chairperson do comitê de Manufatura da SAE BRASIL. “É necessário trabalhar com uma margem de segurança. Ou então é necessário uma alteração na composição da liga que será utilizada, de modo que essa diferença seja compensada.”

Além disso, apesar de oferecer uma liberdade quase que ilimitada na questão do design, os processos de DMLS e SLM tem algumas limitações, a principal delas diz respeito ao tamanho das peças que podem ser produzidas. Mas isso certamente não impedirá que a impressão 3D seja utilizada para a produção de peças maiores como estruturas de carroceria e painéis de fechamento. Recentemente, a Universidade de Cranfield, na Inglaterra, finalizou a produção de uma estrutura de asa de avião em alumínio aeronáutico, com 6 metros de comprimento e que pesa mais de 300 quilos.

Produzida em um equipamento com 10 metros, ela usa tecnologia batizada de WAAM (Wire+Arc Additive Manufacture), que vem sendo desenvolvida por um consórcio de várias universidades liderado por Cranfield. Ela tem uma limitação maior no que diz respeito à complexidade do design ou espessura das peças, mas por outro lado permite a construção de objetos muito maiores, em uma velocidade superior.

Impressão 3D em alumínio

Cada camada no processo WAAM tem um milímetro de espessura e o processo usa o mesmo princípio da soldagem por arco elétrico, tanto no sistema de alimentação por fios como nos robôs articulados em seis eixos – que ainda pode ser posicionado sobre uma esteira paralela à área em que a peça será produzida, dependendo do seu tamanho. O arco elétrico aquece o material, que se funde e é depositado de acordo com o design das camadas, para assim formar a peça final. Os pesquisadores afirmam que a nova tecnologia tem potencial para promover uma redução de até 70% nos custos de peças de grande porte quando comparadas com os processos de produção atuais.

Anos 80
A tecnologia de impressão 3D não é recente, como explica Henyei Jr., da SAE BRASIL, mas data da década de 80. O primeiro processo desenvolvido foi a estereolitografia (SLA), cujo processo solidifica camadas de polímero líquido (o mais popular é o acrílico) com o uso de laser. Associado aos avanços da tecnologia de escaneamento de objetos sólidos, a impressão permitiu a reprodução de pequenos objetos em tamanho real.

O grande benefício para a indústria veio através da prototipagem rápida, segundo Henyei Jr. “Um projeto típico envolvia, na fase de validação, a construção de um piloto, para o qual era necessário a aquisição de moldes, que tem um custo bastante elevado”, explica o engenheiro. “E se o piloto mostrava que o projeto precisava ser corrigido, era preciso voltar para a fase de desenho e, depois, construir um novo protótipo para validação.”

O engenheiro da SAE cita o case da Caterpillar, empresa em que trabalhou por mais de três décadas. “Em um novo projeto, a produção de uma peça para testes e validação, pelos processos até então existentes, levaria 16 semanas e um custo de 100 mil dólares”, explica. “Com a tecnologia de prototipagem rápida, o tempo foi reduzido para três dias. Com relação ao custo, a queda foi mais impressionante ainda. Caiu para mil dólares.”

A Volkswagen é uma outra empresa que utiliza a impressão 3D na área de engenharia para a produção de protótipos funcionais para testes. “Com o protótipo físico, é possível analisar profundamente diversos aspectos, como o encaixe das peças, a fixação, montagem e possíveis interferências”, afirma o supervisor da Engenharia de Protótipos, Francisvaldo Gomes Aires. “A impressora 3D otimizou a fabricação dos protótipos. Como as peças em resina apresentam os mesmos formatos e medidas da futura peça real, é possível criar um protótipo perfeito e detectar necessidade de ajustes.”

Grandes investimentos
De acordo com Douglas Thomas, economista pesquisador do Laboratório de Engenharia do Escritório de Economia Aplicada do NIST (National Institute of Standards and Technology, órgão subordinado ao Departamento de Comércio dos Estados Unidos), a manufatura aditiva receberá grandes investimentos nas próximas décadas. “A previsão com que os especialistas da indústria estão trabalhando é que a manufatura aditiva alcance um valor de 50 bilhões de dólares em investimentos entre 2029 e 2031”, afirma Thomas, em paper publicado pelo NIST. “E, até 2044, deve chegar ao valor de 100 bilhões. E boa parte deste investimento virá dos setores automotivo, aeroespacial, maquinário pesado, eletrônicos e de produtos médicos.”

A gigante industrial GE, por exemplo, desde 2010 já investiu 1,5 bilhão de dólares nessas tecnologias, incluindo a aquisição de duas empresas fabricantes de equipamentos desse tipo, a Arcam AB e a SLM Solutions. Segundo a empresa, o principal objetivo da aquisição é focar no desenvolvimento dessa tecnologia para a fabricação de peças de avião e, além disso, não ser apenas uma cliente, mas também tornar-se uma fornecedora desse tipo de solução.

A impressão 3D e o alumínio

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