Automotivo Tecnologia

Alumínio em camadas

Multinacionais especializadas em impressão 3D com metais crescem até 130% e buscam parcerias no Brasil para aplicação da tecnologia em novos setores

Larissa Morgato 04/05/2016
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Alguns dizem que ela é o primeiro passo da nova revolução industrial. Outros, mais céticos, preferem vê-la apenas como mais uma grande oportunidade para a indústria. A impressão 3D, objeto de investimentos e apostas mundo afora, foi criada em 1984 por Chuck Hull, fundador e proprietário da americana 3D Systems. A técnica de ponta por ele inventada, a estereolitografia ou fotopolimerização, é utilizada até hoje na produção de peças em polímeros a partir de um feixe de laser ultravioleta aplicado a resinas líquidas em locais predeterminados para a fabricação. Desde então, a tecnologia evoluiu e a manufatura aditiva – nome técnico da impressão 3D – cresceu 68% de 2013 a 2014 com lucro de 3,3 bilhões de dólares no mundo, de acordo com a agência Canalys. No segmento de metais, o cenário é ainda melhor. No primeiro trimestre de 2015, a alemã SLM Solutions teve expansão de 130% nas vendas, com 17 máquinas na carteira de pedidos e lucro de 14,4 milhões de euros.

A manufatura aditiva em metais hoje é dominada, sobretudo, por multinacionais de países europeus como a Alemanha, em destaque, a Inglaterra e a Suécia, mas a iminente expiração de algumas das principais patentes na área de metal é mais um fator que começa a movimentar o mercado. “Essas patentes que estão para caducar vão abrir o caminho para uma forte concorrência e para um maior desenvolvimento de máquinas e de ligas avançadas”, afirma Jorge Silva, pesquisador-chefe do Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer, unidade do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (Mcti) do Governo Federal.

Técnica

O processo da impressão com o metal começa a partir de um desenho 3D feito no software CAD (Computer Aided Design). Depois, as escolhas para imprimir um objeto em alumínio são muitas: da sinterização a laser de ligas com o método “Direct Metal Laser Sintering” (Dmls), passando pela fusão de metal puro com o “Selective Laser Melting” (SLM), até o mais recente que utiliza feixe de elétrons em uma câmera a vácuo para fundir o metal – conhecido como “Electron Beam Melting” (EBM).

No passo a passo da fabricação, em primeiro lugar, o arquivo é enviado para a máquina onde é realizado um trabalho de fatiamento da peça, que é cortada computacionalmente em finas camadas. Cada uma das camadas é então enviada para a máquina automaticamente e o laser (ou o feixe de elétrons) começa a trabalhar sobre um depósito de pó metálico. Desta forma, pela adição de camadas que variam de 20 μm a 100 μm, começa a ser construído o produto idealizado com o software de projetos CAD.

Silva sintetiza: “Imagine um balde cheio de pó de alumínio ou de outro metal em que o laser seletivamente fundiu o material depositando cada camada para criar uma peça. Depois, ela poderá ser tratada termicamente, por processos químicos ou físicos, antes de estar pronta para o uso, de maneira a conferir melhores propriedades mecânicas e superficiais”. Segundo ele, o procedimento reduz as etapas de produção convencional e elimina o molde substituindo a fundição em alguns casos específicos, como no caso das ligas de precisão que contêm alumínio na sua formulação.

No entanto, a nova revolução industrial, proporcionada por essa tecnologia, ao menos a curto prazo, não será tão radical como alguns imaginam. A tendência da indústria é de complementar as técnicas de fundição e de usinagem de acordo com as vantagens que cada aplicação proporciona para os segmentos. “O que vemos é a possibilidade de um processo conjugado entre a manufatura aditiva e os métodos convencionais, não uma substituição”, conclui Jorge Silva.

No Brasil, para contrastar com a divulgação ainda incipiente, alguns centros de pesquisa, como o CTI Renato Archer e a Unicamp, fomentam estudos na área e aplicações a partir de parcerias com indústrias e instituições de ensino. “A difusão desta tecnologia no Brasil depende de maior divulgação entre os setores da indústria, porque a sua expansão no mundo é constante, com muitos investimentos na área de ligas metálicas”, afirma André Jardini, pesquisador da Faculdade de Engenharia Química da Universidade Estadual de Campinas alocado no BioFabris, Instituto Nacional de C&T para o desenvolvimento de biomateriais.

Expertise

A SLM Solutions, multinacional radicada em Lübeck na Alemanha, foi uma das primeiras empresas a dominar o processo de manufatura aditiva a laser para alumínio e titânio. O crescimento exponencial da empresa deve-se às máquinas de grandes proporções, com as “impressoras” SLM 280 HL e SLM 500 HL. “O diferencial das nossas máquinas é que nelas você pode fabricar peças de grandes dimensões – 500x280x325mm, no caso da SLM 500 – ou pequenas peças utilizando a dimensão inteira da plataforma com até quatro lasers”, afirma Amed Belaid, representante da SLM Solutions na América Latina.

Outra empresa líder no setor, a EOS GmbH, multinacional alemã com sede próxima a Munique, fornece hoje a liga AlSi- 10Mg para as máquinas EOSINT M 280 e EOS M 290. Ela proporciona leveza estrutural e ótima resistência térmica, de acordo com a produtora. Um dos cases de sucesso é a fabricação de uma jaqueta de refrigeração em alumínio para o carro de corrida do GreenTeam, da Universidade de Stuttgart.

O problema estrutural da peça, cuja complexidade desejada não era atendida pelos processos tradicionais, foi resolvido com a escolha da fabricação aditiva: proporcionou maior flexibilidade no desenvolvimento e na execução do projeto com economia de custos. O peso da jaqueta foi reduzido em 16% e a refrigeração melhorou 37%. Outro exemplo da EOS é o trocador de calor fabricado com a liga para “reduzir o tamanho e peso dos equipamentos em conjunto, aumentando sua eficiência e a vida útil do sistema”, afirma Silvio Collafemina, representante da EOS no Brasil.

A demanda para a multinacional segue forte em diversos setores. “Além da aplicação na indústria automotiva, temos uma grande aplicação da liga na indústria aeronáutica, na fabricação de peças para aeronaves e estruturas de aviões não tripulados”, afirma Collafemina, que ressalta a área de projetos como uma que irá se destacar, pelo fato de ser possível produzir protótipos funcionais, conferindo novas geometrias, qualidades e propriedades a um produto em estudo.

A 3D Systems conta em seu portfólio com a linha ProX 300, que imprime em 3D nas dimensões 250x250x300mm e foi desenvolvida para produtos de baixo a médio volume, com geometria complexa em materiais metálicos e cerâmicos. Entre as ligas utilizadas pela 3D Systems está a liga de alumínio AlSi12. “Esperamos crescer no Brasil 30% ao ano”, afirma Luiz Dompieri, representante da multinacional americana no país.

Metalurgia de pós

Na produção avançada de metais em 3D, uma das principais questões é a esfericidade do pó. O alumínio sólido, para ser utilizado na impressão 3D, precisa ser transformado em pó metálico, em um processo denominado atomização. O material derretido é resfriado por uma corrente de ar que fragmenta o metal em pequenas partículas esféricas, com um sistema similar ao da produção de leite em pó. “Quanto mais fino e mais esférico o pó metálico, maior será a definição do produto final”, afirma Octávio Schichi, representante no Brasil da Höganäs, multinacional sueca proprietária da patente Digital Metal® e especializada na produção de pós metálicos. “Nossa empresa está se expandindo e buscando investimentos no Brasil. Hoje nossa produção é concentrada em ligas de aço inoxidável na planta da Suécia, mas, para o futuro, investiremos também em novas ligas e o alumínio é uma delas”.

Segundo Jorge Silva, do CTI Renato Archer, as principais multinacionais europeias procuram empresas brasileiras interessadas na tecnologia para expansão da carteira de pedidos de máquinas a laser e de feixe de elétrons. “O objetivo também é disponibilizar, em um segundo momento, o know-how necessário para o desenvolvimento de novas ligas”, diz.

Essas empresas têm interesse que novos pós de metais sejam produzidos e certificados para usos específicos, como a área médica, no Brasil, para que uma maior variedade de material seja utilizado nas máquinas fornecidas, diminuindo também os custos de importação. Para isso fornecem consultoria e treinamento para que o produto seja desenvolvido diretamente aqui.

Recentemente, o CTI Renato Archer adquiriu uma máquina de manufatura aditiva de feixe de elétrons da Arcam no valor de 1 milhão de euros, incluindo instalações. O objetivo do instituto é trabalhar em parceria com empresas e universidades brasileiras para o desenvolvimento de novos produtos para a indústria e a pesquisa no Brasil.

Também de olho nesse mercado, a Alcoa acaba de anunciar um investimento de US$ 60 milhões na expansão do centro de P&D, na Pensilvânia, nos EUA. O intuito é acelerar o desenvolvimento de materiais e processos para impressão 3D em ligas metálicas. Os cientistas da companhia irão produzir pós em alumínio, níquel e titânio especificamente para atender a demanda crescente no segmento aeroespacial e, futuramente, nos mercados automotivo, médico e de construção civil.

“Combinando nossa experiência em ligas metálicas, fabricação, design e qualificação do produto, vamos impulsionar ao limite a fabricação aditiva de hoje”, diz Klaus Kleinfeld, CEO da Alcoa, em anúncio oficial para o processo AmpliforgeTM. A solução consiste em um método de impressão 3D, seguida de processos como forjamento, o que contribui para o aumento da resistência final do produto e para significativa redução do uso de materiais.

Patentes

A impressão 3D, contudo, traz consigo um ponto jurídico crucial: a violação da Propriedade Intelectual por qualquer consumidor que adquira uma impressora para uso doméstico. Até 2018, segundo a consultoria Gartner, a indústria irá perder até 100 bilhões de dólares por ano com o impacto da impressão 3D em um mercado avaliado em 13,4 bilhões de dólares.

A necessidade de regulamentação legislativa neste contexto é evidente, mas ainda pouco discutida no país. “Acredito que o debate brasileiro a respeito do uso de impressoras 3D emergirá a partir do momento em que esta gerar reais efeitos econômicos no campo da segurança pública, da saúde ou da Propriedade Intelectual”, afirma Bruna Castanheira, advogada, pesquisadora em Direito Digital e redatora do DireitoTech.

Segundo ela, para combater a pirataria, a indústria poderia apostar em soluções semelhantes aos serviços de streaming de conteúdo digital (como o Netflix) para oferecer produtos de qualidade ao consumidor, sem prejuízo econômico ou violação das patentes. “Existem oportunidades ainda inimagináveis a serem exploradas. Bons negócios e novas formas de monetização podem nascer daí”, diz.

Nasa

A reposição de uma peça é um dos principais problemas que um astronauta poderia enfrentar em uma missão na Estação Espacial ou, no futuro, na Lua ou em Marte. A necessidade de produzí-las sob gravidade zero e de forma prática e rápida levou o Centro de Pesquisas Langley da Nasa (LaRC), nos Estados Unidos, a procurar a melhor solução. O resultado foi o desenvolvimento da tecnologia

“Electric Beam Freeform Fabrication” (EBF3) para estruturas metálicas aeroespaciais. A técnica que irá ultrapassar a órbita da Terra é ideal para ligas de alumínio 2219 – que é utilizada na fabricação de toda a estrutura da Estação Espacial. A “impressão” do produto é realizada camada por camada, por um feixe de elétrons a vácuo, que transmite 100% da energia fundindo o pó. “Antes, a impressão em 3D em alumínio não era viável, pelo baixo custo de fundição e usinagem do material.

A General Electric tem sido pioneira na impressão em alumínio para aviões e nós na Nasa para espaçonaves”, afirma Douglas Hoffman, engenheiro pesquisador do Laboratório de Propulsão a Jato da Nasa em conjunto com o Instituto de Tecnologia da Califórnia. A expectativa é que os astronautas sejam capazes de reparar eventuais danos na própria estação espacial, diretamente no espaço, usando o EBF3.

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