Segundo a SmarTech, empresa de consultoria em tecnologia de manufatura, o setor aeroespacial é o segundo maior atendido pela manufatura aditiva (MA), perdendo apenas para o setor médico. No entanto, ainda há pouco conhecimento sobre o potencial da manufatura aditiva de materiais cerâmicos na fabricação rápida de componentes aeroespaciais, com maior flexibilidade e custo-benefício. A MA pode produzir peças cerâmicas mais resistentes e leves de forma mais rápida e sustentável, reduzindo custos de mão de obra, minimizando a montagem manual e melhorando a eficiência e o desempenho por meio de projetos desenvolvidos a partir de modelagem, reduzindo assim o peso da aeronave. Além disso, a tecnologia de manufatura aditiva de cerâmica oferece controle dimensional de peças acabadas com dimensões inferiores a 100 mícrons.
No entanto, a palavra cerâmica pode evocar a ideia errônea de fragilidade. Na verdade, as cerâmicas fabricadas por manufatura aditiva produzem peças mais leves e refinadas, com grande resistência estrutural, tenacidade e resistência a uma ampla faixa de temperaturas. Empresas inovadoras estão recorrendo à fabricação de componentes cerâmicos, incluindo bicos e hélices, isoladores elétricos e pás de turbina.
Por exemplo, a alumina de alta pureza possui alta dureza, forte resistência à corrosão e ampla faixa de temperatura. Componentes feitos de alumina também são isolantes elétricos em altas temperaturas, comuns em sistemas aeroespaciais.
As cerâmicas à base de zircônia atendem a diversas aplicações com requisitos extremos de materiais e alta tensão mecânica, como moldagem de metais de alta precisão, válvulas e rolamentos. As cerâmicas de nitreto de silício apresentam alta resistência, alta tenacidade e excelente resistência ao choque térmico, além de boa resistência química à corrosão por diversos ácidos, álcalis e metais fundidos. O nitreto de silício é utilizado em isoladores, impulsores e antenas de baixa constante dielétrica para altas temperaturas.
Os compósitos cerâmicos oferecem diversas qualidades desejáveis. Cerâmicas à base de silício, com adição de alumina e zircônio, têm demonstrado bom desempenho na fabricação de peças fundidas monocristalinas para pás de turbina. Isso ocorre porque o núcleo cerâmico feito desse material apresenta baixíssima expansão térmica até 1.500 °C, alta porosidade, excelente qualidade superficial e boa lixiviabilidade. A impressão desses núcleos permite a produção de turbinas capazes de suportar temperaturas operacionais mais elevadas e aumentar a eficiência do motor.
É sabido que a moldagem por injeção ou a usinagem de cerâmica são processos muito difíceis, e a usinagem oferece acesso limitado aos componentes a serem fabricados. Características como paredes finas também são difíceis de usinar.
No entanto, a Lithoz utiliza a fabricação de cerâmica baseada em litografia (LCM, na sigla em inglês) para produzir componentes cerâmicos 3D precisos e com formatos complexos.
Partindo do modelo CAD, as especificações detalhadas são transferidas digitalmente para a impressora 3D. Em seguida, aplica-se o pó cerâmico, formulado com precisão, na superfície do recipiente transparente. A plataforma de construção móvel é imersa na lama e, então, exposta seletivamente à luz visível por baixo. A imagem da camada é gerada por um dispositivo digital de micromirror (DMD) acoplado ao sistema de projeção. Repetindo-se esse processo, uma peça bruta tridimensional pode ser gerada camada por camada. Após o tratamento térmico, o aglutinante é removido e as peças brutas são sinterizadas — unidas por um processo especial de aquecimento — para produzir uma peça cerâmica completamente densa, com excelentes propriedades mecânicas e qualidade superficial.
A tecnologia LCM oferece um processo inovador, econômico e mais rápido para a fundição de precisão de componentes de motores de turbina, eliminando a necessidade da fabricação de moldes, cara e trabalhosa, exigida pelos processos de moldagem por injeção e fundição por cera perdida.
O LCM também permite alcançar designs que não podem ser obtidos por outros métodos, utilizando muito menos matéria-prima do que outros métodos.
Apesar do grande potencial dos materiais cerâmicos e da tecnologia LCM, ainda existe uma lacuna entre os fabricantes de equipamentos originais (OEM) de manufatura aditiva e os projetistas aeroespaciais.
Uma das razões pode ser a resistência a novos métodos de fabricação em indústrias com requisitos de segurança e qualidade particularmente rigorosos. A fabricação aeroespacial exige muitos processos de verificação e qualificação, bem como testes completos e rigorosos.
Outro obstáculo reside na crença de que a impressão 3D é adequada principalmente para prototipagem rápida e pontual, e não para aplicações em larga escala. Novamente, trata-se de um equívoco, visto que componentes cerâmicos impressos em 3D já foram comprovados em produção em massa.
Um exemplo é a fabricação de pás de turbina, onde o processo de fabricação aditiva de cerâmica produz núcleos monocristalinos (SX), bem como pás de turbina de superliga obtidas por solidificação direcional (DS) e fundição equiaxial (EX). Núcleos com estruturas ramificadas complexas, múltiplas paredes e bordas de fuga com menos de 200 μm podem ser produzidos de forma rápida e econômica, e os componentes finais apresentam precisão dimensional consistente e excelente acabamento superficial.
A melhoria da comunicação pode aproximar projetistas aeroespaciais e fabricantes de equipamentos originais (OEMs) de manufatura aditiva, além de gerar confiança plena em componentes cerâmicos fabricados com LCM e outras tecnologias. A tecnologia e o conhecimento especializado já existem. É preciso mudar a forma de pensar sobre a manufatura aditiva, deixando de considerá-la apenas para pesquisa e desenvolvimento e prototipagem, e passando a enxergá-la como o caminho para aplicações comerciais em larga escala.
Além da formação, as empresas aeroespaciais também podem investir em pessoal, engenharia e testes. Os fabricantes devem estar familiarizados com diferentes normas e métodos para avaliar cerâmicas, e não metais. Por exemplo, as duas principais normas ASTM da Lithoz para cerâmicas estruturais são a ASTM C1161 para testes de resistência e a ASTM C1421 para testes de tenacidade. Essas normas se aplicam a cerâmicas produzidas por todos os métodos. Na manufatura aditiva de cerâmica, a etapa de impressão é apenas um método de conformação, e as peças passam pelo mesmo tipo de sinterização que as cerâmicas tradicionais. Portanto, a microestrutura das peças cerâmicas será muito semelhante à das peças usinadas convencionalmente.
Com base no avanço contínuo de materiais e tecnologia, podemos afirmar com segurança que os projetistas terão acesso a mais dados. Novos materiais cerâmicos serão desenvolvidos e personalizados de acordo com as necessidades específicas de engenharia. Peças fabricadas com cerâmica por manufatura aditiva passarão pelo processo de certificação para uso aeroespacial e proporcionarão melhores ferramentas de projeto, como softwares de modelagem aprimorados.
Ao cooperar com especialistas técnicos da LCM, as empresas aeroespaciais podem introduzir internamente processos de fabricação aditiva de cerâmica, reduzindo tempo e custos, além de criar oportunidades para o desenvolvimento de propriedade intelectual própria. Com visão de futuro e planejamento a longo prazo, as empresas aeroespaciais que investem em tecnologia cerâmica podem colher benefícios significativos em todo o seu portfólio de produção nos próximos dez anos e além.
Ao estabelecer uma parceria com a AM Ceramics, os fabricantes de equipamentos originais aeroespaciais produzirão componentes que antes eram inimagináveis.
About the author: Shawn Allan is the vice president of additive manufacturing expert Lithoz. You can contact him at sallan@lithoz-america.com.
Shawn Allan falará sobre as dificuldades de comunicar eficazmente as vantagens da manufatura aditiva de cerâmica na Ceramics Expo em Cleveland, Ohio, no dia 1º de setembro de 2021.
Embora o desenvolvimento de sistemas de voo hipersônico exista há décadas, tornou-se agora a principal prioridade da defesa nacional dos EUA, levando este campo a um estado de rápido crescimento e transformação. Como um campo multidisciplinar único, o desafio é encontrar especialistas com as habilidades necessárias para impulsionar seu desenvolvimento. No entanto, quando há poucos especialistas, cria-se uma lacuna de inovação, como priorizar o projeto para manufatura (DFM) na fase de P&D e, posteriormente, transformar-se em uma lacuna de manufatura quando já é tarde demais para implementar mudanças economicamente viáveis.
Alianças, como a recém-criada Aliança Universitária para Hipersônica Aplicada (UCAH), proporcionam um ambiente importante para o desenvolvimento dos talentos necessários para o avanço da área. Os alunos podem trabalhar diretamente com pesquisadores universitários e profissionais da indústria para desenvolver tecnologia e impulsionar pesquisas hipersônicas essenciais.
Embora a UCAH e outros consórcios de defesa tenham autorizado seus membros a se envolverem em uma variedade de trabalhos de engenharia, é preciso fazer mais para cultivar talentos diversos e experientes, desde o projeto até o desenvolvimento e seleção de materiais e as oficinas de fabricação.
Para proporcionar um valor mais duradouro na área, a aliança universitária deve priorizar o desenvolvimento da força de trabalho, alinhando-se às necessidades da indústria, envolvendo os membros em pesquisas relevantes para o setor e investindo no programa.
Ao transformar a tecnologia hipersônica em projetos de fabricação em larga escala, a lacuna existente entre as habilidades de engenharia e mão de obra qualificada na área de manufatura representa o maior desafio. Se a pesquisa inicial não superar esse apropriadamente chamado "vale da morte" — a lacuna entre P&D e manufatura, onde muitos projetos ambiciosos fracassaram —, então teremos perdido uma solução aplicável e viável.
A indústria manufatureira dos EUA pode acelerar para uma velocidade supersônica, mas o risco de ficar para trás reside na necessidade de expandir a força de trabalho para acompanhar esse ritmo. Portanto, o governo e os consórcios de desenvolvimento universitário devem cooperar com os fabricantes para colocar esses planos em prática.
O setor tem enfrentado lacunas de habilidades, desde as oficinas de produção até os laboratórios de engenharia — e essas lacunas só tendem a aumentar com o crescimento do mercado hipersônico. Tecnologias emergentes exigem uma força de trabalho igualmente emergente para expandir o conhecimento na área.
O trabalho com tecnologia hipersônica abrange diversas áreas-chave com diferentes materiais e estruturas, e cada área apresenta seus próprios desafios técnicos. Essas áreas exigem um alto nível de conhecimento detalhado, e a falta da expertise necessária pode criar obstáculos ao desenvolvimento e à produção. Se não tivermos pessoal suficiente para dar conta do trabalho, será impossível atender à demanda por produção em alta velocidade.
Por exemplo, precisamos de pessoas que possam construir o produto final. A UCAH e outros consórcios são essenciais para promover a manufatura moderna e garantir a inclusão de estudantes interessados ​​no papel da manufatura. Por meio de esforços multifuncionais dedicados ao desenvolvimento da força de trabalho, a indústria poderá manter uma vantagem competitiva em planos de voo hipersônico nos próximos anos.
Ao estabelecer a UCAH, o Departamento de Defesa está criando uma oportunidade para adotar uma abordagem mais focada no desenvolvimento de capacidades nessa área. Todos os membros da coalizão devem trabalhar juntos para treinar as competências específicas dos alunos, de modo que possamos construir e manter o ímpeto da pesquisa e expandi-la para produzir os resultados que nosso país precisa.
A extinta NASA Advanced Composites Alliance é um exemplo de sucesso no desenvolvimento da força de trabalho. Sua eficácia resulta da combinação de pesquisa e desenvolvimento com os interesses da indústria, o que permite que a inovação se expanda por todo o ecossistema de desenvolvimento. Líderes da indústria trabalharam diretamente com a NASA e universidades em projetos por um período de dois a quatro anos. Todos os membros desenvolveram conhecimento e experiência profissional, aprenderam a cooperar em um ambiente não competitivo e incentivaram estudantes universitários a se tornarem futuros líderes importantes da indústria.
Esse tipo de desenvolvimento da força de trabalho preenche lacunas no setor e oferece oportunidades para que pequenas empresas inovem rapidamente e diversifiquem seu campo de atuação, alcançando maior crescimento – o que contribui para as iniciativas de segurança nacional e econômica dos EUA.
Alianças universitárias, incluindo a UCAH, são ativos importantes no campo da hipersônica e na indústria de defesa. Embora suas pesquisas tenham promovido inovações emergentes, seu maior valor reside na capacidade de treinar a próxima geração de profissionais. O consórcio agora precisa priorizar o investimento nesses projetos. Ao fazê-lo, poderá contribuir para o sucesso a longo prazo da inovação hipersônica.
About the author: Kim Caldwell leads Spirit AeroSystems’ R&D program as a senior manager of portfolio strategy and collaborative R&D. In her role, Caldwell also manages relationships with defense and government organizations, universities, and original equipment manufacturers to further develop strategic initiatives to develop technologies that drive growth. You can contact her at kimberly.a.caldwell@spiritaero.com.
Os fabricantes de produtos complexos e de alta engenharia (como componentes de aeronaves) estão comprometidos com a perfeição em todas as etapas. Não há margem para erros.
Devido à extrema complexidade da produção de aeronaves, os fabricantes devem gerenciar cuidadosamente o processo de qualidade, prestando muita atenção a cada etapa. Isso exige um profundo conhecimento de como gerenciar e se adaptar às dinâmicas da produção, da qualidade, da segurança e das questões da cadeia de suprimentos, atendendo simultaneamente aos requisitos regulamentares.
Como muitos fatores afetam a entrega de produtos de alta qualidade, gerenciar pedidos de produção complexos e em constante mudança torna-se um desafio. O processo de qualidade precisa ser dinâmico em todos os seus aspectos: inspeção e projeto, produção e testes. Graças às estratégias da Indústria 4.0 e às soluções modernas de manufatura, esses desafios de qualidade tornaram-se mais fáceis de gerenciar e superar.
Tradicionalmente, a produção de aeronaves sempre teve como foco os materiais. A origem da maioria dos problemas de qualidade pode ser fratura frágil, corrosão, fadiga do metal ou outros fatores. No entanto, a produção de aeronaves atual inclui tecnologias avançadas e de alta engenharia que utilizam materiais resistentes. A criação de produtos envolve processos e sistemas eletrônicos altamente especializados e complexos. Soluções genéricas de software para gerenciamento de operações podem não ser mais capazes de resolver problemas extremamente complexos.
Componentes mais complexos podem ser adquiridos da cadeia de suprimentos global, portanto, é necessário dar mais atenção à sua integração em todo o processo de montagem. A incerteza traz novos desafios para a visibilidade da cadeia de suprimentos e para a gestão da qualidade. Garantir a qualidade de tantas peças e produtos acabados exige métodos de qualidade melhores e mais integrados.
A Indústria 4.0 representa o desenvolvimento da indústria manufatureira, e tecnologias cada vez mais avançadas são necessárias para atender aos rigorosos requisitos de qualidade. As tecnologias de suporte incluem a Internet Industrial das Coisas (IIoT), os fios digitais, a realidade aumentada (RA) e a análise preditiva.
A Qualidade 4.0 descreve um método de qualidade de processo de produção orientado por dados, que envolve produtos, processos, planejamento, conformidade e padrões. Ela se baseia nos métodos de qualidade tradicionais, em vez de substituí-los, utilizando muitas das mesmas novas tecnologias de seus equivalentes industriais, incluindo aprendizado de máquina, dispositivos conectados, computação em nuvem e gêmeos digitais para transformar o fluxo de trabalho da organização e eliminar possíveis defeitos em produtos ou processos. Espera-se que o surgimento da Qualidade 4.0 transforme ainda mais a cultura do ambiente de trabalho, aumentando a dependência de dados e incorporando a qualidade de forma mais profunda como parte do método geral de criação de produtos.
A Qualidade 4.0 integra questões operacionais e de garantia da qualidade (GQ) desde o início até a fase de projeto. Isso inclui como conceber e projetar produtos. Resultados de pesquisas recentes do setor indicam que a maioria dos mercados não possui um processo automatizado de transferência de projetos. O processo manual abre espaço para erros, sejam eles internos ou na comunicação de projetos e alterações à cadeia de suprimentos.
Além do design, a Qualidade 4.0 também utiliza aprendizado de máquina centrado em processos para reduzir desperdícios, retrabalho e otimizar parâmetros de produção. Ademais, resolve problemas de desempenho do produto após a entrega, utiliza feedback local para atualizar remotamente o software do produto, mantém a satisfação do cliente e, em última instância, garante a fidelização. Está se tornando, assim, uma parceira indispensável da Indústria 4.0.
Contudo, a qualidade não se aplica apenas a elos selecionados da cadeia de produção. A abrangência da Qualidade 4.0 pode incutir uma abordagem de qualidade abrangente nas organizações de manufatura, tornando o poder transformador dos dados parte integrante do pensamento corporativo. A conformidade em todos os níveis da organização contribui para a formação de uma cultura de qualidade global.
Nenhum processo de produção funciona perfeitamente o tempo todo. Condições variáveis ​​podem desencadear eventos imprevistos que exigem soluções. Quem tem experiência em qualidade sabe que tudo se resume a um processo contínuo em busca da perfeição. Como garantir que a qualidade seja incorporada ao processo para detectar problemas o mais cedo possível? O que você fará ao encontrar um defeito? Existem fatores externos que estão causando esse problema? Quais mudanças podem ser feitas no plano de inspeção ou no procedimento de teste para evitar que o problema se repita?
Estabeleça uma mentalidade em que cada processo de produção esteja intrinsecamente ligado a um processo de qualidade. Imagine um futuro onde exista uma relação direta e a qualidade seja medida constantemente. Independentemente de imprevistos, a qualidade perfeita pode ser alcançada. Cada centro de trabalho revisa diariamente os indicadores e os principais indicadores de desempenho (KPIs) para identificar áreas de melhoria antes que os problemas ocorram.
Nesse sistema de circuito fechado, cada processo de produção possui uma inferência de qualidade, que fornece feedback para interromper o processo, permitir sua continuação ou realizar ajustes em tempo real. O sistema não é afetado por fadiga ou erro humano. Um sistema de qualidade de circuito fechado projetado para a produção de aeronaves é essencial para alcançar níveis de qualidade mais elevados, reduzir os tempos de ciclo e garantir a conformidade com as normas AS9100.
Há dez anos, a ideia de focar o controle de qualidade no design do produto, na pesquisa de mercado, nos fornecedores, nos serviços prestados ou em outros fatores que afetam a satisfação do cliente era impensável. O design do produto era entendido como algo que vinha de uma autoridade superior; a qualidade, por sua vez, dizia respeito à execução desses designs na linha de montagem, independentemente de suas falhas.
Hoje, muitas empresas estão repensando a forma como fazem negócios. O status quo de 2018 pode não ser mais viável. Cada vez mais fabricantes estão se tornando mais inteligentes. Há mais conhecimento disponível, o que significa maior capacidade de construir o produto certo na primeira tentativa, com maior eficiência e desempenho.