Desde o século 20, a raça humana ficou fascinada em explorar o espaço e entender o que está além da Terra.Grandes organizações como a NASA e a ESA estiveram na vanguarda da exploração espacial, e outro jogador importante nessa conquista é a impressão 3D.Com a capacidade de produzir rapidamente peças complexas a baixo custo, essa tecnologia de design está se tornando cada vez mais popular nas empresas.Ele possibilita a criação de muitos aplicativos, como satélites, trajes espaciais e componentes de foguetes.De fato, de acordo com a SmarTech, o valor de mercado da manufatura aditiva da indústria espacial privada deve atingir € 2,1 bilhões até 2026. Isso levanta a questão: como a impressão 3D pode ajudar os humanos a se destacarem no espaço?
Inicialmente, a impressão 3D foi usada principalmente para prototipagem rápida nas indústrias médica, automotiva e aeroespacial.No entanto, à medida que a tecnologia se tornou mais difundida, ela está sendo usada cada vez mais para componentes de uso final.A tecnologia de manufatura aditiva de metais, particularmente L-PBF, tem permitido a produção de uma variedade de metais com características e durabilidade adequadas para condições espaciais extremas.Outras tecnologias de impressão 3D, como DED, jato de pasta e processo de extrusão, também são usadas na fabricação de componentes aeroespaciais.Nos últimos anos, surgiram novos modelos de negócios, com empresas como a Made in Space e a Relativity Space usando a tecnologia de impressão 3D para projetar componentes aeroespaciais.
Relativity Space desenvolvendo impressora 3D para a indústria aeroespacial
Tecnologia de impressão 3D no setor aeroespacial
Agora que os apresentamos, vamos dar uma olhada nas várias tecnologias de impressão 3D usadas na indústria aeroespacial.Em primeiro lugar, deve-se notar que a fabricação aditiva de metais, especialmente L-PBF, é a mais utilizada neste campo.Este processo envolve o uso de energia laser para fundir camada por camada de pó de metal.É especialmente adequado para produzir peças pequenas, complexas, precisas e personalizadas.Os fabricantes aeroespaciais também podem se beneficiar do DED, que envolve a deposição de fio ou pó de metal e é usado principalmente para reparar, revestir ou produzir peças personalizadas de metal ou cerâmica.
Por outro lado, o binder jeting, embora vantajoso em termos de velocidade de produção e baixo custo, não é adequado para a produção de peças mecânicas de alto desempenho, pois requer etapas de reforço pós-processamento que aumentam o tempo de fabricação do produto final.A tecnologia de extrusão também é eficaz no ambiente espacial.Deve-se notar que nem todos os polímeros são adequados para uso no espaço, mas plásticos de alto desempenho, como o PEEK, podem substituir algumas peças de metal devido à sua resistência.No entanto, este processo de impressão 3D ainda não é muito difundido, mas pode se tornar um recurso valioso para a exploração espacial usando novos materiais.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) é uma tecnologia amplamente utilizada em impressão 3D para a indústria aeroespacial.
Potencial dos Materiais Espaciais
A indústria aeroespacial vem explorando novos materiais por meio da impressão 3D, propondo alternativas inovadoras que podem atrapalhar o mercado.Embora metais como titânio, alumínio e ligas de níquel-cromo sempre tenham sido o foco principal, um novo material pode em breve roubar os holofotes: o regolito lunar.O regolito lunar é uma camada de poeira que cobre a lua, e a ESA demonstrou os benefícios de combiná-lo com a impressão 3D.Advenit Makaya, engenheiro sênior de fabricação da ESA, descreve o regolito lunar como semelhante ao concreto, composto principalmente de silício e outros elementos químicos, como ferro, magnésio, alumínio e oxigênio.A ESA fez parceria com a Lithoz para produzir pequenas peças funcionais, como parafusos e engrenagens, usando regolito lunar simulado com propriedades semelhantes à poeira lunar real.
A maioria dos processos envolvidos na fabricação do regolito lunar utiliza calor, tornando-o compatível com tecnologias como SLS e soluções de impressão com colagem de pó.A ESA também está usando a tecnologia D-Shape com o objetivo de produzir peças sólidas misturando cloreto de magnésio com materiais e combinando-o com óxido de magnésio encontrado no espécime simulado.Uma das vantagens significativas desse material lunar é sua resolução de impressão mais fina, permitindo produzir peças com a mais alta precisão.Esse recurso pode se tornar o principal ativo na expansão da gama de aplicações e componentes de fabricação para futuras bases lunares.
O regolito lunar está em toda parte
Há também o regolito marciano, referindo-se ao material subterrâneo encontrado em Marte.Atualmente, as agências espaciais internacionais não conseguem recuperar esse material, mas isso não impediu que os cientistas pesquisassem seu potencial em alguns projetos aeroespaciais.Os pesquisadores estão usando espécimes simulados deste material e o estão combinando com liga de titânio para produzir ferramentas ou componentes de foguetes.Os resultados iniciais indicam que este material fornecerá maior resistência e protegerá o equipamento contra ferrugem e danos causados pela radiação.Embora esses dois materiais tenham propriedades semelhantes, o regolito lunar ainda é o material mais testado.Outra vantagem é que esses materiais podem ser fabricados no local sem a necessidade de transportar matérias-primas da Terra.Além disso, o regolito é uma fonte inesgotável de material, ajudando a evitar a escassez.
As aplicações da tecnologia de impressão 3D na indústria aeroespacial
As aplicações da tecnologia de impressão 3D na indústria aeroespacial podem variar dependendo do processo específico utilizado.Por exemplo, a fusão de leito de pó a laser (L-PBF) pode ser usada para fabricar peças intrincadas de curto prazo, como sistemas de ferramentas ou peças de reposição espaciais.A Launcher, uma startup com sede na Califórnia, usou a tecnologia de impressão 3D de safira da Velo3D para aprimorar seu motor de foguete líquido E-2.O processo do fabricante foi usado para criar a turbina de indução, que desempenha um papel crucial na aceleração e condução do LOX (oxigênio líquido) na câmara de combustão.A turbina e o sensor foram impressos usando a tecnologia de impressão 3D e depois montados.Este componente inovador fornece ao foguete maior fluxo de fluido e maior empuxo, tornando-o uma parte essencial do motor
A Velo3D contribuiu para o uso da tecnologia PBF na fabricação do motor de foguete líquido E-2.
A manufatura aditiva tem amplas aplicações, incluindo a produção de pequenas e grandes estruturas.Por exemplo, as tecnologias de impressão 3D, como a solução Stargate da Relativity Space, podem ser usadas para fabricar peças grandes, como tanques de combustível de foguetes e pás de hélices.A Relativity Space provou isso através da produção bem-sucedida do Terran 1, um foguete quase inteiramente impresso em 3D, incluindo um tanque de combustível de vários metros de comprimento.Seu primeiro lançamento em 23 de março de 2023 demonstrou a eficiência e a confiabilidade dos processos de manufatura aditiva.
A tecnologia de impressão 3D baseada em extrusão também permite a produção de peças usando materiais de alto desempenho, como o PEEK.Componentes feitos desse termoplástico já foram testados no espaço e foram colocados no rover Rashid como parte da missão lunar dos Emirados Árabes Unidos.O objetivo deste teste foi avaliar a resistência do PEEK a condições lunares extremas.Se bem-sucedido, o PEEK pode substituir peças de metal em situações em que as peças de metal quebram ou os materiais são escassos.Além disso, as propriedades leves do PEEK podem ser valiosas na exploração espacial.
A tecnologia de impressão 3D pode ser usada para fabricar uma variedade de peças para a indústria aeroespacial.
Vantagens da impressão 3D na indústria aeroespacial
As vantagens da impressão 3D na indústria aeroespacial incluem uma aparência final melhorada das peças em comparação com as técnicas de construção tradicionais.Johannes Homa, CEO da fabricante austríaca de impressoras 3D Lithoz, afirmou que "essa tecnologia torna as peças mais leves".Devido à liberdade de design, os produtos impressos em 3D são mais eficientes e requerem menos recursos.Isso tem um impacto positivo no impacto ambiental da produção de peças.A Relativity Space demonstrou que a fabricação aditiva pode reduzir significativamente o número de componentes necessários para a fabricação de espaçonaves.Para o foguete Terran 1, 100 peças foram salvas.Além disso, essa tecnologia apresenta vantagens significativas na velocidade de produção, com o foguete sendo concluído em menos de 60 dias.Por outro lado, fabricar um foguete usando métodos tradicionais pode levar vários anos.
Em relação ao gerenciamento de recursos, a impressão 3D pode economizar materiais e, em alguns casos, até permitir a reciclagem de resíduos.Finalmente, a manufatura aditiva pode se tornar um recurso valioso para reduzir o peso de decolagem dos foguetes.O objetivo é maximizar o uso de materiais locais, como o regolito, e minimizar o transporte de materiais dentro da espaçonave.Isso permite levar apenas uma impressora 3D, que pode criar tudo no local após a viagem.
A Made in Space já enviou uma de suas impressoras 3D ao espaço para testes.
Limitações da impressão 3D no espaço
Embora a impressão 3D tenha muitas vantagens, a tecnologia ainda é relativamente nova e possui limitações.Advenit Makaya afirmou: "Um dos principais problemas com a manufatura aditiva na indústria aeroespacial é o controle e a validação do processo."Os fabricantes podem entrar no laboratório e testar a resistência, confiabilidade e microestrutura de cada peça antes da validação, um processo conhecido como teste não destrutivo (NDT).No entanto, isso pode ser demorado e caro, portanto, o objetivo final é reduzir a necessidade desses testes.A NASA estabeleceu recentemente um centro para tratar desse assunto, focado na certificação rápida de componentes metálicos fabricados por manufatura aditiva.O centro visa usar gêmeos digitais para melhorar os modelos de produtos de computador, o que ajudará os engenheiros a entender melhor o desempenho e as limitações das peças, incluindo quanta pressão elas podem suportar antes da fratura.Ao fazer isso, o centro espera ajudar a promover a aplicação da impressão 3D na indústria aeroespacial, tornando-a mais eficaz na competição com as técnicas tradicionais de fabricação.
Esses componentes passaram por testes abrangentes de confiabilidade e resistência.
Por outro lado, o processo de verificação é diferente se a fabricação for feita no espaço.Advenit Makaya, da ESA, explica: "Existe uma técnica que envolve a análise das peças durante a impressão".Este método ajuda a determinar quais produtos impressos são adequados e quais não são.Além disso, existe um sistema de autocorreção para impressoras 3D destinadas ao espaço e que está sendo testado em máquinas de metal.Este sistema pode identificar possíveis erros no processo de fabricação e modificar automaticamente seus parâmetros para corrigir eventuais defeitos na peça.Espera-se que esses dois sistemas melhorem a confiabilidade dos produtos impressos no espaço.
Para validar as soluções de impressão 3D, a NASA e a ESA estabeleceram padrões.Esses padrões incluem uma série de testes para determinar a confiabilidade das peças.Eles consideram a tecnologia de fusão em leito de pó e estão atualizando-os para outros processos.No entanto, muitos dos principais players da indústria de materiais, como Arkema, BASF, Dupont e Sabic, também fornecem essa rastreabilidade.
Viver no espaço?
Com o avanço da tecnologia de impressão 3D, vimos muitos projetos bem-sucedidos na Terra que usam essa tecnologia para construir casas.Isso nos faz pensar se esse processo pode ser usado em um futuro próximo ou distante para construir estruturas habitáveis no espaço.Embora viver no espaço atualmente não seja realista, construir casas, principalmente na lua, pode ser benéfico para os astronautas na execução de missões espaciais.O objetivo da Agência Espacial Européia (ESA) é construir cúpulas na lua usando regolito lunar, que pode ser usado para construir paredes ou tijolos para proteger os astronautas da radiação.Segundo Advenit Makaya, da ESA, o regolito lunar é composto por cerca de 60% de metal e 40% de oxigênio e é um material essencial para a sobrevivência dos astronautas, pois pode fornecer uma fonte inesgotável de oxigênio se extraído desse material.
A NASA concedeu uma doação de US$ 57,2 milhões à ICON para desenvolver um sistema de impressão 3D para construir estruturas na superfície lunar e também está colaborando com a empresa para criar um habitat Mars Dune Alpha.O objetivo é testar as condições de vida em Marte fazendo com que voluntários vivam em um habitat por um ano, simulando as condições do Planeta Vermelho.Esses esforços representam passos críticos para a construção direta de estruturas impressas em 3D na Lua e em Marte, o que poderia eventualmente abrir caminho para a colonização humana do espaço.
Num futuro distante, essas casas poderiam permitir que a vida sobrevivesse no espaço.
Horário da postagem: 14 de junho de 2023