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Aeronáutica utiliza impressora 3D da Stratasys na fabricação de modelos de laboratório de motores aeronáuticos hipersônicos

10/12/2018

Modelo de laboratório do motor scramjet instalado na seção de teste do túnel de vento hipersônico do IEAv (condição operacional testada: Número de Mach 7 na estratosfera terrestre)

Instituto de Estudos Avançados (IEAv) substituiu usinagem tradicional por manufatura aditiva (impressão 3D) para fabricar subsistemas de um motor scramjet

A Divisão de Aerotermodinâmica de Hipersônica (EAH) do Instituto de Estudos Avançados (IEAv), organização militar científico-tecnológica ligada ao Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial (DCTA) do Comando da Aeronáutica, começou a utilizar uma impressora 3D Fortus 900mc, da Stratasys, para fabricar modelos de laboratório de motores aeronáuticos hipersônicos, conhecidos como scramjet (abreviação de supersonic combustion ramjet). A impressão 3D dos modelos do motor já trouxe uma economia de RS$ 250 mil ao ano nos custos de fabricação.

“O IEAv decidiu apostar numa manufatura “híbrida” para desenvolver o motor, por meio da combinação de processos de usinagem convencional e de fabricação aditiva”, explica Israel Rêgo, Chefe da Subdivisão de Ensaios em Solo da Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica do IEAv. O objetivo, afirma, é otimizar o ciclo de pesquisa e desenvolvimento, e também acelerar eventuais atualizações e adaptações, bem como reduzir os custos de manufatura.

“Em um primeiro momento, o motor scramjet poderá ser utilizado como estágio de propulsão aspirado de foguetes rumo ao espaço. Em um período de tempo maior, ele terá aplicações na propulsão de aeronaves civis ou militares hipervelozes”, diz Israel.

Atualmente, o Instituto utiliza a impressora 3D para produzir três subsistemas do motor scramjet para ensaios em túnel de vento hipersônico: i. O estágio de compressão que captura o ar atmosférico para o combustor; ii. O próprio combustor, dentro do qual ocorre a combustão supersônica, que estão sendo impressos em 3D, com o uso da resina Ulten 9085, de elevada resistência e durabilidade mecânica e térmica; e iii. A tubeira de aceleração dos produtos da reação de combustão, que está sendo impressa em 3D com a utilização do material PC-ABS, de resistência e durabilidade moderada.

Visão explodida do modelo de laboratório do motor scramjet, manufaturado via impressão 3D e usinagem convencional (processo “híbrido” de manufatura)

Já em 2019, o IEAv utilizará a manufatura aditiva para fabricar um modelo de engenharia do motor scramjet, funcional e em escala real. “É um antecessor do modelo utilizado para a qualificação de voo, o chamado protoflight. Sua impressão em 3D vai nos possibilitar rever planos de fabricação e montagem dos subsistemas do motor e validar a funcionalidade de suas partes móveis (bypass), de modo ágil e econômico”, diz Israel.

A impressora 3D Fortus 900mc foi importada pelo IEAv em dezembro de 2015, com o apoio da FINEP, e seu emprego na fabricação aditiva dos subsistemas do motor scramjet começou em fevereiro de 2016. “Ela foi escolhida porque, além das vantagens associadas à economia de tempo e redução de custos, possui o maior envelope de impressão disponível no mercado, o que satisfaz nossos requisitos de fabricação rápida de subsistemas do motor scramjet em escala real”, detalha Israel.

Ele conta que a ideia de utilizar a tecnologia de manufatura aditiva no IEAv surgiu em 2013, durante a Feira Internacional de Máquinas-Ferramenta e Sistemas Integrados de Manufatura (FEIMAFE). “Ali, logo identificamos a grande vantagem competitiva da tecnologia de prototipagem 3D para nossa atividade de pesquisa e desenvolvimento aqui na EAH”, explica Israel. Dois anos depois, o Instituto, com apoio da FINEP, importou o equipamento a um custo de cerca de US$ 400 mil. “Desde então, economizamos os custos da usinagem convencional realizada por terceiros, serviço que foi substituído por nossa impressora 3D”.

O sucesso do trabalho com a impressora 3D Fortus 900mc levou o IEAv a apresentar o artigo “Preliminary Studies on Hypersonic Flows Over 3D Printed Models” durante o Fórum de Aeronáutica e Espaço, realizado pelo American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) em Orlando, Estados Unidos, em setembro deste ano. O objetivo da apresentação foi mostrar como o Laboratório de Aerotermodinâmica e Hipersônica do IEAv tem utilizado a tecnologia FDM para acelerar a pesquisa e o desenvolvimento de tecnologias hipersônicas. A equipe do IEAv apresentou processos de fabricação de sistemas hipersônicos com o uso da impressora 3D Fortus 900mc.

“A manufatura aditiva está revolucionando as indústrias aeronáutica e de defesa, e essa revolução já está no Brasil. Ficamos satisfeitos por nossa solução impulsionar e facilitar a pesquisa e o desenvolvimento de projetos avançados como este em território nacional, afirma Anderson Soares, Territory Manager da Stratasys no Brasil.

Fonte: Assessoria de Imprensa – Stratasys

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Nova resina de poliamida da BASF permite a substituição de metal em peças próximas ao motor

17/08/2010
  • A eficiência energética nos automóveis exige materiais mais leves e com melhor desempenho
  • Novo grade de poliamida de alta resistência ao calor permite a substituição de peças metálicas nos motores dos automóveis
  • Plástico mantém suas propriedades mesmo em temperaturas de uso até 220ºC

    A conscientização ambiental crescente, as condições políticas em transformação e os altos preços do petróleo estão voltando cada vez mais sua atenção à eficiência energética dos automóveis. O uso de plástico como substituto para o metal no segmento automotivo, desempenha um papel fundamental neste sentido. Por outro lado, por conta de demandas cada vez mais desafiadoras, torna-se mais difícil substituir o metal por materiais poliméricos. Esta troca é mais complicada especialmente em peças localizadas próximas ao motor, para as quais os plásticos de alta performance são frequentemente desconsiderados, devido aos custos do sistema. Por outro lado, o desempenho dos demais plásticos, não atende às necessidades atuais do segmento.

    Com a nova poliamida (PA) especialidade Ultramid® Endure, os pesquisadores da BASF tiveram êxito em encontrar uma solução para este impasse. O material é uma poliamida reforçada com fibra de vidro, que combina excepcional resistência ao calor com a excelente processabilidade da PA 66. Graças à esta combinação de características, hoje é possível produzir, a custos de sistema justificáveis, peças sob o capô que ficam expostas ao ar muito quente e, dessa forma, contribuir para uma significativa redução de peso e, por fim, com a eficiência energética.

    Resistência de longo prazo ao calor por meio de nova estabilização
    O novo Ultramid® Endure suporta a exposição contínua a temperaturas de até 220ºC e picos de até 240ºC. Isto amplia o campo de aplicação de poliamidas à esfera da alta temperatura.

    O notável aumento na resistência ao calor é obtido por meio da tecnologia inovadora de estabilização desenvolvida pela BASF. O mecanismo ocorre através da formação de uma camada protetora na superfície da peça, o que proporciona proteção contínua ao ataque de oxigênio, mesmo a temperaturas de uso até 220ºC.

    O efeito desta tecnologia pode ser visto especialmente em superfícies envelhecidas. Na poliamida 66 convencional, o oxigênio provoca fissuras na superfície após 1000 horas de exposição a 220ºC, permitindo que muito mais oxigênio chegue e atue sobre as camadas mais profundas. No Ultramid® Endure, a superfície é selada rapidamente pelo novo processo de estabilização. Assim, o material continua protegido – exceto por uma camada fina de negro de fumo na superfície – mesmo após quatro meses exposto a 220ºC.

    Os componentes sob o capô são frequentemente unidos por meio de solda. Para materiais com baixo teor de fibra de vidro, a linha de solda pode criar um ponto frágil, especialmente após uso e envelhecimento. O novo mecanismo de estabilização não apenas protege o polímero em si, como também fortalece esta área frágil potencial. As linhas de solda resistem bem ao uso constante sob temperaturas elevadas, pois nenhum desgaste é evidenciado mesmo após 1000 horas de exposição a 220ºC.

    Material aprovado em testes
    Graças a esta estabilização, o Ultramid® Endure conserva sua alta resistência em ensaios de fadiga a 220ºC, mesmo após 3000 horas de exposição. Enquanto uma queda considerável de desempenho é observada na PA 66/6 e até mesmo em termoplásticos mais fortes, como o PPA, após um período de tempo relativamente curto.

    Além do efeito de envelhecimento, as propriedades do material sob temperatura de trabalho constante, desempenham um papel decisivo na concepção de uma peça. As propriedades mecânicas do material são determinantes. Se os valores forem suficientemente altos, a espessura da parede pode ser reduzida sem prejudicar a integridade da peça. O Ultramid® Endure também tem uma atuação excepcional nesse sentido, pois resiste muito mais à ruptura, numa exposição a 200ºC, se comparado a materiais semelhantes.

    Além da performance de uma peça em especial, os custos do sistema são um importante critério para os sistemistas. Estes custos são determinados, em grande parte, pela processabilidade do material usado. O novo plástico oferece uma janela de processamento consideravelmente mais ampla que os demais plásticos de alta performance.

    Um material para conceitos de motor moderno
    Como resultado da tendência em torno de uma maior eficiência energética em automóveis, as temperaturas no compartimento do motor continuam subindo. Atualmente, por exemplo, as montadoras estão tentando melhorar a eficiência energética por meio de turbocompressores, entre outros sistemas. Esta solução produz pressões e temperaturas mais elevadas no compartimento do motor, especialmente na tubulação de entrada de ar. Nos motores a diesel com turbocompressores, por exemplo, as temperaturas de trabalho chegam até 200ºC, atingindo picos de até 230ºC.

    Ao mesmo tempo, as montadoras têm interesse em substituir o metal pelo plástico por questões de peso e ao menor custo possível. Até agora, não havia alternativas aceitáveis (do ponto de vista de custos) para as resinas de alta performance consideravelmente mais caras. As possíveis aplicações do novo grade de poliamida incluem todos os componentes do duto de ar como terminais do sistema de arrefecimento, ressonadores e válvulas-borboleta. O coletor de admissão com trocador de calor por água gelada integrado, pode ser outra aplicação futura para o novo material.

    Sobre a BASF
    A BASF é a empresa química líder mundial: The Chemical Company. Seu portfólio de produtos oferece desde químicos, plásticos, produtos de performance, produtos para agricultura e química fina até petróleo e gás natural. Como uma parceira confiável, cria a química para ajudar seus clientes de todas as indústrias a atingir ainda mais o sucesso. Com seus produtos de alto valor e soluções inteligentes, a BASF tem um papel importante para encontrar respostas a desafios globais como proteção climática, eficiência energética, nutrição e mobilidade. A BASF contabilizou vendas em mais de 50 bilhões de euros em 2009 e contava, aproximadamente, com 105.000 colaboradores no final do ano. As ações da BASF são atualmente negociadas nas bolsas de valores de Frankfurt (BAS), Londres (BFA) e Zurique (AN).

    Fonte: BASF