O Futuro é 3D

Fabricação Aditiva na Siemens
Fabricação Aditiva

Fabricação com Inúmeras Possibilidades

Produtos que antes eram forjados, fresados ou fundidos estão cada vez mais sendo produzidos com a impressão 3D, um processo no qual os objetos são criados camada por camada. Descubra por que a impressão 3D está revolucionando a fabricação.

Também conhecida como fabricação aditiva, a impressão 3D existe desde os anos 1980. Naquela época, apenas o plástico era usado, pois ele oferecia a combinação perfeita de características para a fabricação de componentes protótipos que mais tarde seriam produzidos em série pelas tradicionais máquinas de estamparia ou moldagem por injeção, fresadoras ou tornos.

 

Tendo em vista as possibilidades que oferece, a fabricação aditiva de hoje dificilmente pode ser comparada à impressão 3D de alguns anos atrás. No setor industrial, impulsiona o desenvolvimento e a fabricação de componentes de alta tecnologia. Como um processo que complementa a fundição e a fresagem, é possível criar componentes inovadores de alto custo feitos de metais, polímeros ou cerâmicas que, na maioria dos casos, já apresentam um desempenho melhor do que seus equivalentes fabricados convencionalmente. Na verdade, as aplicações estão proliferando em áreas como geração de energia, aeroespacial, saúde, transporte ferroviário, indústria automotiva e automobilismo.

Um Gêmeo Otimizado

“A fabricação aditiva se desenvolveu em uma rota de produção independente que torna possível criar estruturas e componentes totalmente inovadores em pequenos lotes, bem como em séries de produção em massa individualizada”, disse Roland Busch, Diretor de Operações, CTO e Membro do Conselho de Administração da Siemens AG. Por exemplo, a impressão 3D torna possível produzir chassis para carros de corrida, componentes complexos para motores de aeronaves, articulações de quadril e pás de turbina a gás. É também uma forma útil de fabricar peças de reposição para máquinas que já operam há décadas, por exemplo, em trens ou usinas de energia. Se uma atualização for desejada, o gêmeo digital de um componente original pode ser rapidamente otimizado antes que a substituição seja produzida. Na verdade, em vista de suas muitas vantagens profundas, não é de admirar que a impressão 3D seja considerada uma tecnologia industrial chave do futuro.

Boom na impressão 3D

Deixando os Limites Tradicionais para Trás

O mercado global de fabricação aditiva está crescendo - e também o mercado de materiais de impressão, máquinas, software e serviços associados. Analistas estimam que o volume desse mercado, que somou €9,7 bilhões em 2017, chegará a €26 bilhões até 2021. 

 

As máquinas-ferramenta tradicionais têm limites geométricos nos componentes que podem produzir, mas a impressão 3D deixa esses limites para trás. O processo de impressão 3D torna possível projetar quase qualquer tipo de estrutura complexa. Isso significa que a forma de um componente pode ser projetada de acordo com sua função. Por exemplo, canais internos que ajudam a resfriar componentes expostos a altas temperaturas, como peças de turbinas a gás, só podem ser criados com a ajuda de fabricação aditiva. 

 

Além disso, esses componentes podem ser mais leves sem sacrificar a estabilidade. E devido aos designs otimizados, os componentes se beneficiam de menos desgaste e maior vida útil. 

Processos de produção baseados em dados

A revolução na produção industrial que agora está em andamento graças aos avanços na fabricação aditiva não teria sido possível sem a transformação digital abrangente dos processos de produção, desde software de design e engenharia e ferramentas de simulação para impressão até o controle e monitoramento de impressoras. “Todos esses elementos devem se encaixar perfeitamente”, diz Ingomar Kelbassa, que chefia a Fabricação de Aditivos de Tecnologia Básica da Siemens. “Em última análise, não é tanto a tecnologia individual que torna possível o sucesso da impressão 3D - é o pacote completo.”

From Powders to Finished Products
Thanks to growing industrialization, additive manufacturing is well on the path to becoming a new key technology. Right now, extremely powerful components are already being manufactured in layers for a wide range of industrial applications. Find out how additive manufacturing is used to create items such as the burner heads that are exposed to temperatures of over 1,000 degrees Celsius in gas turbines.

1

2

3

4

5

6

7

8

1.

A gas turbine burner needs a new head. It’s digitally designed, simulated, and optimized on a computer. The complete production process is also tested in a virtual environment.

2.

Then it’s time: a thin layer of metal powder is applied.

3.

The heat of a laser beam solidifies the powder to create the first metal layer.

4.

The platform, together with the component, is lowered a few micrometers.

5.

A new layer of metal powder is applied.

6.

Again, the laser traces the contour of the component.

7.

Layer by layer, the new burner head is melted onto the existing component.

8.

Today, additive manufacturing already offers a range of unique opportunities – and not just in power generation. Thanks to increasing digitalization, it is rapidly becoming a standalone production method or complementing conventional methods in hybrid manufacturing. The future of 3D printing has only just begun.

Entrevista

“Quem esperar vai perder a chance”

Mirko Meboldt, professor de desenvolvimento de produto e design de engenharia da ETH Zurich, é um especialista reconhecido internacionalmente em fabricação aditiva. Neste artigo, ele descreve as oportunidades que essa tecnologia em evolução está trazendo para a indústria.

As pessoas dizem que a fabricação aditiva vai provocar uma revolução na produção industrial. Como você avalia seu potencial?

 

Meboldt: O especial dessa tecnologia é que você pode alternar quase perfeitamente entre o mundo virtual e o real e fazer coisas sem usar nenhuma ferramenta. Por mais de 20 anos, a fabricação aditiva na forma de “prototipagem rápida” tem sido uma parte indispensável do desenvolvimento de produtos. Hoje, essa tecnologia permite rotas de fabricação totalmente digitalizadas que terminam em produtos produzidos em série, que podem ser realizados apenas por meio da impressão 3D. O sucesso industrial da fabricação aditiva depende, em última análise, da utilidade desses produtos, e não da própria tecnologia.

 

Algumas empresas ainda reclamam que, em muitos casos, essa tecnologia ainda não é capaz de fabricar produtos prontos para produção em massa.

 

Meboldt: Considere a fundição de precisão, que era praticada no antigo Egito. Em comparação, nossa experiência com impressão 3D foi extremamente curta. No entanto, os resultados da impressão 3D já são muito impressionantes. Em outras palavras, o fato de que a impressão 3D ainda não atingiu certos marcos não é um argumento contra isso. Além disso, está sendo constantemente aprimorada. Se eu usar com sucesso a impressão 3D na produção em série, não posso simplesmente copiar os componentes existentes. O processo de design e a cadeia de valor devem ser repensados do zero. Mas se você fez um esforço, esse processo abre possibilidades até então nunca sonhadas. E essas novas possibilidades não estão apenas nas áreas de design e funcionalidade. Eles também nos permitem economizar muito tempo e dinheiro no desenvolvimento e na produção. 

 

 

Em que medida a Siemens cumpre os pré-requisitos para a industrialização da fabricação aditiva?

 

Meboldt: A Siemens possui todas as habilidades que um condutor de fabricação aditiva deve ter - e hoje já está demonstrando os benefícios que esse processo traz. Nessa área, a Siemens combina três elementos importantes: controle de processos, software e áreas de aplicação como turbinas a gás, para as quais já está imprimindo componentes como pás de turbinas a gás. Claro, você deve garantir que processos de tomada de decisão flexíveis sejam possíveis, apesar do enorme tamanho da empresa.

 

Como você acha que a fabricação aditiva será nos próximos anos?

 

Meboldt: Normalmente, ninguém está interessado em como uma coisa é produzida. Com a impressão 3D é diferente, porque aqui temos uma tecnologia que está sendo introduzida simultaneamente no quarto de crianças e em nível da gestão empresarial. Como resultado, essa tecnologia está sendo superestimada. Nunca chegará o dia em que todos os componentes que hoje são produzidos por meio de moldagem, moagem e moldagem por injeção sejam fabricados aditivamente. Mas esse não é nosso objetivo. Em vez disso, a impressão 3D é um novo processo de produção que possibilita soluções totalmente inovadoras na cadeia de processos, no design e na área de materiais. É por isso que também não devemos subestimar a fabricação aditiva. Se as empresas esperarem que o mercado se torne gigantesco, perderão a oportunidade.

Pioneirismo em Inovações

Avanços Rápidos na Impressão 3D

 

“A Siemens é pioneira no campo da fabricação aditiva”, diz Roland Busch. “Nenhuma outra empresa no mundo oferece um portfólio tão abrangente para a cadeia de valor digital. Ele varia de design otimizado a simulação de impressora, até o monitoramento de processos.” Esta é uma abordagem deliberadamente holística que permite que os clientes industriais se concentrem em seus produtos - mas não é tudo. Mais importante ainda, essa abordagem cria a base de confiança para que uma nova rota de fabricação possa ser estabelecida.

 

Por último, mas não menos importante, a Siemens também pode apontar sua especialização nesse sentido. As primeiras pontas de queimador impressas em 3D para turbinas a gás foram produzidas em impressoras adaptadas pela empresa EOS em 2013. Em 2014, os colaboradores da Siemens Mobility em Erlangen abriram um centro de competência para fabricação aditiva que projeta e produz peças de reposição para transporte ferroviário e também oferece consultoria aos clientes. Em 2016, a Siemens adquiriu 85 por cento das ações da Materials Solutions no Reino Unido, uma das empresas globais líderes em fabricação aditiva. Um ano depois, os engenheiros da Siemens foram os primeiros no mundo a imprimir e testar pás para turbinas a gás com sucesso. Não muito depois disso, as pás foram seguidas por queimadores impressos de uma fábrica da Siemens em Finspång, Suécia. Os queimadores têm operado com sucesso em uma turbina a gás comercial desde 2017. Para a área de energia, a Siemens planeja qualificar um total de 200 componentes para fabricação por meio de impressão 3D até 2025

Espaços Criativos

Além disso, desde 2018 a Siemens apoia a Hackrod, uma startup dos EUA que está usando o software Siemens Product Lifecycle Management (PLM) para projetar um chassi para um carro de corrida futurístico. Hackrod planeja produzir quadros automotivos em uma impressora 3D do tamanho de uma garagem. Portanto, não é de se admirar que a fabricação aditiva seja um dos 14 campos de inovação de toda a empresa nos quais a Siemens investiu €500 milhões no ano fiscal de 2017/18. Esses fundos foram investidos não apenas em inovações de produtos da própria Siemens, mas também, e principalmente, em seu portfólio de impressão 3D.

 

Para garantir que as boas notícias sobre a impressão 3D sejam ouvidas em toda a empresa, a Siemens Corporate Technology criou um Laboratório de Design AM (fabricação Aditiva) com sede em Berlim. O Laboratório está ajudando os engenheiros da Siemens a descobrir o potencial de design dessa tecnologia. “Este é um espaço criativo onde posso repensar o processo de design, mesmo para produtos puramente funcionais, como aparelhagem”, diz Ursus Krüger, que montou o AM Design Lab e dirige o grupo de pesquisa de Fabricação Aditiva em Berlim. Seus especialistas oferecem treinamentos e serviços de consultoria com foco principal em Design para AM, materiais, simulação e processo na primeira vez. A Siemens também estabeleceu um laboratório semelhante em Erlangen para clientes. Conhecido como Additive Manufacturing Experience Center (AMEC), o laboratório, operado pela divisão Digital Factory da Siemens, permite que os clientes explorem a impressão 3D e vivenciem as etapas individuais do processo de impressão. 

 

Perspectiva

Imprimindo apertando um botão?

A fabricação aditiva oferece à indústria a oportunidade de estabelecer uma nova rota de produção com potencial único. Apesar de suas inúmeras possibilidades, AM ainda não atingiu um nível de maturidade em que possa produzir qualquer componente desejado com o apertar de um botão. Por exemplo, um componente impresso pode ficar empenado ou deformado devido às diferenças de temperatura durante o processo de fusão a laser. É por isso que os pesquisadores estão se concentrando em como tornar o caminho do design do componente à produção um processo de rotina. 

 

Esse tipo de rotina é especialmente importante quando se trata de impressão de metal, cujos produtos costumam ser usados em equipamentos críticos, como motores e turbinas. A Siemens já atingiu o grau de confiabilidade necessário para diversos componentes de turbinas a gás. Essa é uma das razões pelas quais a EOS, um renomado produtor de impressoras, confia na tecnologia de controle da Siemens para as impressoras de metal em sua nova série M300.

Segurança na Nuvem

É claro que as impressoras industriais e o software não são tudo. As empresas precisam pensar cuidadosamente sobre como integrar a fabricação aditiva em seus processos de produção no futuro. Por exemplo, eles podem se tornar mais ágeis imprimindo certos componentes apenas sob demanda, em vez de armazená-los em depósitos. Isso os tornaria mais flexíveis - e economizaria espaço.

 

Em uma etapa posterior, eles poderiam salvar seus dados de design na nuvem. Isso aponta para a possibilidade promissora de as empresas poderem imprimir componentes em qualquer lugar - por exemplo, em regiões remotas onde os clientes teriam de esperar dias para que as peças sobressalentes fossem entregues. No entanto, a segurança dos planos de produção digital teria que ser garantida. “Estamos trabalhando em maneiras de garantir a segurança dos dados, como criptografia e blockchain”, diz Kelbassa. “As vantagens potenciais são tão grandes que os desenvolvedores da comunidade de impressão 3D certamente encontrarão uma solução lá também.”

Impressão 3D na Siemens

05 de abril de 2019

Katrin Lange é uma jornalista independente radicada na Alemanha.

Créditos das fotos: do topo: 2. Cortesia de Xilloc.com primeiro implante mandibular completo específico do paciente impresso em 3D do mundo.  www.xilloc.com, 8. Hackrod, 12. getty images