Laboratório Nacional de Oak Ridge dos EUA imprime em 3D molde de compósito para aeronave Boeing de quase 2 toneladas

De acordo com pt.wedoany.com-Em 21 de setembro, o Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL), do Departamento de Energia dos Estados Unidos, divulgou um projeto de manufatura aditiva metálica de grande porte concluído em parceria com a Boeing. As duas partes utilizaram tecnologia de manufatura aditiva por arco elétrico para imprimir em 3D um conjunto de Stamp Form Die (SFD), um molde de conformação de compósitos termoplásticos com quase 2 toneladas. O molde tem cerca de 6 pés de altura e cerca de 4 pés de largura, e a impressão contínua durou 8 semanas. Posteriormente, será utilizado pela Boeing no projeto HiCAM, de fabricação de aeronaves de compósitos de alta cadência da NASA, para validar o processo de conformação rápida de componentes aeronáuticos de compósitos termoplásticos de grande porte.

O SFD é um ferramental de conformação por pressão. Após o aquecimento, a chapa de compósito termoplástico é colocada entre dois conjuntos de moldes metálicos, superior e inferior, e a conformação da peça é concluída por pressão. Tradicionalmente, o SFD geralmente exige várias etapas de fabricação, como usinagem, fundição, forjamento e perfuração. Nesta ocasião, a ORNL e a Boeing concentraram-se em verificar se a manufatura aditiva por arco elétrico com arame (WAAM) pode encurtar o ciclo de fabricação de ferramentais de grande porte e integrar diretamente canais de controle de temperatura no interior do molde.

O projeto utilizou o sistema Arc-1 da instalação de demonstração de fabricação da ORNL para a impressão. Esse sistema é composto por um robô industrial e uma tocha de soldagem, que funde continuamente arame metálico e o deposita camada por camada para formar a peça, podendo ainda alimentar simultaneamente diversos materiais metálicos. Neste caso, a região de suporte estrutural do corpo do molde utilizou aço de baixo carbono, para atender aos requisitos de resistência e rigidez estrutural; já a superfície de trabalho recebeu deposição de aço inoxidável, para aumentar a resistência à corrosão, a estabilidade dimensional e a durabilidade de uso a longo prazo. O processo WAAM multimaterial permite que um mesmo ferramental de grande porte tenha materiais configurados conforme os requisitos de desempenho de diferentes regiões.

A estrutura de controle de temperatura é outro ponto central do projeto desse molde. Moldes metálicos de grande porte tradicionais geralmente têm canais retos de aquecimento e resfriamento formados por perfuração, enquanto a manufatura aditiva permite que os engenheiros formem diretamente, durante a impressão, canais curvos dispostos ao longo da superfície curva do molde, aproximando mais o meio de aquecimento e resfriamento da superfície de conformação. Esse projeto pode melhorar a distribuição de temperatura do molde e a eficiência do ciclo térmico, com efeito direto sobre os processos de aquecimento rápido, conformação e resfriamento de compósitos termoplásticos.

Ferramentais de aço de grande porte enfrentam problemas evidentes de tensões residuais e deformação durante o processo WAAM. À medida que o metal fundido é depositado camada por camada e resfria, o molde tende a sofrer distorção e desvios dimensionais. Para isso, a equipe da ORNL adicionou nervuras de reforço temporárias na parte traseira do molde e utilizou simulações de tensões residuais para corrigir continuamente o projeto estrutural e os parâmetros de compensação de impressão. Após 32 rodadas acumuladas de iterações de simulação, o desvio entre a peça impressa final e a geometria alvo foi controlado na faixa de alguns milímetros.

Após a conclusão da impressão, o molde foi transportado para a Baker Industries, em Michigan, para tratamento de recozimento, a fim de liberar as tensões residuais internas. Em seguida, as nervuras de suporte temporárias instaladas na fase de impressão foram removidas, e prosseguiu-se com o acabamento fino e outras etapas de fabricação, para que o SFD final atendesse aos requisitos de uso da Boeing. A Baker Industries é uma empresa do grupo Lincoln Electric, e essa tecnologia WAAM havia sido anteriormente desenvolvida em conjunto pela ORNL e pela Lincoln Electric por meio de um acordo de pesquisa e desenvolvimento cooperativo.

Esse molde entrará no sistema de validação de fabricação de aeronaves de compósitos do projeto HiCAM da NASA. O HiCAM concentra-se em estudar como aumentar a cadência de fabricação de estruturas de aeronaves civis de compósitos, sendo a conformação rápida de compósitos termoplásticos uma de suas importantes rotas tecnológicas. O que este projeto valida é a etapa de fabricação do ferramental de conformação metálico de grande porte, e não a impressão 3D direta de componentes estruturais de aeronaves; seu marco central está em utilizar WAAM multimaterial para concluir um molde aeronáutico de compósitos complexo de quase 2 toneladas e integrar canais de controle de temperatura, compensação estrutural e acabamento fino subsequente em um fluxo completo de fabricação.