Manufatura Aditiva na Produção Industrial – Faz Sentido?

6 de novembro de 2017
Marcos Raymundo Loest, Economista e Mestre em Economia e Politicas Florestais pela UFPR, experiência em gestão de projetos de Tecnologia da Informação. Atualmente é sócio da 3DI9BR, especialista em tecnologias de manufatura aditiva (Impressão 3D) e projetos de internet das coisas (iot) para a indústria. É professor de Economia e Inovação no ISAE.

O termo “Manufatura Aditiva”, ou “Impressão 3D Industrial”, refere-se ao processo de construção de uma peça camada a camada a partir de um modelo digital 3D de maneira automatizada, constituindo-se em si uma nova área tecnológica ainda rica em oportunidades e em um estado de amadurecimento. O termo  “Manufatura Aditiva” e “Impressão 3D” tem sido muito comentado nas mídias tecnológicas e nas redes sociais, sempre associando este termo a uma revolução nos processos de industrialização e nos futuros modelos de negócio, bem como vêm alimentando o imaginário do público com alusões a impressão de armas, comidas, peças de reposição na hora, “sintetizadores” de produtos ou membros do corpo humano.

Pensando neste assunto e tentando entender a direção e o impacto futuro da Manufatura Aditiva na Indústria, a ACATECH (Academia Nacional de Ciência e Engenharia da Alemanha – www.acatech.de) em conjunto com a Academia Alemã de Ciências de Leopoldina (www.leopoldina.org) desenvolveram o relatório “Manufatura Aditiva” e o publicaram no site da ACATECH[1] em junho de 2017 aonde exploram estes e outros aspectos da manufatura aditiva. Neste artigo, os autores fizeram uma extensiva avaliação sobre o status quo atual das tecnologias, suas aplicações, as tendências deste mercado e como o mesmo está alterando os modelos de negócio, as cadeias de valor. Também avalia quais os fatores de sucesso para que a tecnologia se estabeleça e termina apreciando algumas teses a respeito de seu futuro e dando recomendações ao mercado e à academia. Esse artigo baseia-se neste material e na experiência da 3D Innovbrasil com respeito à implementação de processos de Manufatura Aditiva no Brasil.

As primeiras patentes surgiram nos anos 70 do século passado, mas somente a partir do final da década de 90 as evoluções permitiram que os primeiros equipamentos industriais surgissem e permitissem o aparecimento das primeiras peças ainda com o intuito de prototipagem. A sua principal vantagem na época era o tempo de construção destes protótipos, por conta da Impressão 3D, o que acabou criando o termo rapid prototyping, por conta da eliminação de várias etapas consumidoras de tempo dos processos tradicionais de produção como a fabricação de moldes ou a montagem artesanal de componentes. Com a evolução da tecnologia dos equipamentos e materiais, o uso da manufatura aditiva para a construção rápida de ferramentas de produção (rapid tooling) e mesmo de produtos de uso final começou a ser tanto técnica como economicamente viável, criando-se o termo “Rapid or Direct Manufacturing”.

Esta evolução abriu portas para possibilidades de design de engenharia de peças completamente novas, posto que estas tecnologias possibilitem produzir peças com geometrias extremamente complexas, mais leves e mais resistentes que os processos de manufatura tradicionais. As tecnologias de Manufatura Aditiva diferem dos processos tradicionais em diferentes aspectos, possuindo um potencial enorme desde que suas características sejam consideradas e esta tecnologia seja explorada sistematicamente pela indústria. Esta tecnologia vem crescendo a um ritmo de 30% ao ano, o que nos faz acreditar que esta tecnologia se estabelecerá de forma generalizada ao lado das tecnologias de produção tradicionais, contribuindo, complementando e alterando o modo de produção atualmente em uso, aumentando a eficiência da indústria, e reduzindo tanto seus custos como o tempo de desenvolvimento de novos produtos.

Fonte: ACATECH (http://www.acatech.de/fileadmin/user_upload/Baumstruktur_nach_Website/Acatech/root/de/Publikationen/Kooperationspublikationen/3Akad_Stellungnahme_EN_AdditiveFertigung_web_FINAL.pdf)

 

A Manufatura Aditiva também é elemento chave para a “Customização em Massa” e um fator habilitador para a implementação da Indústria Inteligente no contexto da “Indústria 4.0” aonde o planejamento do produto é focado nas necessidades individuais do consumidor, permitindo a produção de séries de produtos pequenas sem o aumento significativo dos seus custos. A indústria 4.0 também demanda processos mais flexíveis. A Manufatura Aditiva permite que peças sejam produzidas mais próximas donde elas serão usadas (posto que não há a necessidade de grandes instalações industriais para a produção de peças específicas), com isto também todos os processos de pós venda (peças de reposição) podem se beneficiar, posto que as peças de reposição podem ser feitas aonde elas forem necessárias, sem a necessidade manutenção de um estoque. Isso já é realidade na indústria espacial, aonde o custo do transporte de volumes é muito alto, ao se enviar somente a matéria prima e o projeto em 3D para a estação e a peça de reposição é impressa lá (https://www.nasa.gov/content/international-space-station-s-3-d-printer). Outro exemplo de impressão distribuída é o da Adidas com o desenvolvimento do Futurecraft 4D, o novo tênis desenvolvido para ser impresso em 3D com impressoras Carbon 3D diretamente nas lojas da marca sob medida para o comprador final (https://twitter.com/makerwatcher/status/927852616041795584).

Entre as aplicações da Manufatura Aditiva para a indústria, podemos citar:

1. Prototipagem

Uma das primeiras aplicações da manufatura aditiva. No início, este era o principal uso da Manufatura Aditiva por conta da fragilidade mecânica das peças. A vantagem da manufatura aditiva contra os processos de prototipagem tradicional era efetivamente a velocidade de entrega do produto e a menor dependência de processos secundários. Com a evolução da tecnologia e dos materiais os usos da prototipagem foram evoluindo. A seguinte distinção pode ser feita entre os protótipos, de acordo com o tipo de uso desejado:

a. Conceito ou visualização de modelos com uma função puramente estética. As seguintes tecnologias são adequadas para esta função: 3DP (impressão com gesso ou areia); LOM (laminação de papel); SLA (Estereolitografia, impressão baseada na sinterização de polímeros por luz); PJM (Polijet ou Multijet, impressão de polímeros com cabeça de impressão Multijet) e FDM (Deposição de polímero fundido, a mais comum das tecnologias).


b. Protótipos Geométricos ou Dimensionais, com função de validação dimensional. As tecnologias mais comuns para este uso: FDM, PJM, SLA e SLS (Sinterização por Laser).


c. Protótipos Funcionais, com o objetivo de realizar as funções finais já, mas ainda com o objetivo de validar suas funções. As tecnologias mais usadas para isto são a FDM, a SLS e a SLM (Selective Laser Melting – Fusão Seletiva a Laser de pós de metal, normalmente associada à impressão em metal).

                       FONTE: 3dprintingindustry.com

d. Protótipos técnicos: a única diferença da peça final é o método de produção da peça, mas de resto é idêntico em questão de geometria, material e funcionalidades. As tecnologias mais adequadas são a SLM e a EBM (Electron Beam Melting – fusão de pó de metal por feixe de elétrons)

2. Fabricação de modelos e moldes

A impressão 3D em si não tem necessidade do uso de moldes para a fabricação de peças, mas ela tem várias habilidades e vantagens na produção de moldes e modelos para a produção final dada a sua extrema liberdade de geometria e facilidade no desenvolvimento.

Em muitos casos a única alternativa é a confecção destes mesmos itens a mão, como é o caso da joalheria ou das próteses dentais. Nestes casos a Manufatura Aditiva é usada para produzir modelos em cera que são usados para fazer o molde final e após ser derretido.

Em outros casos, pode-se usar as tecnologias de jato de pó de areia e gesso (3DP) para a construção de moldes para metal fundido em areia e com isto produzir-se moldes muito mais complexos que os mesmos produzidos em tecnologias tradicionais (a Ford utiliza esta técnica já há muito tempo); ou ainda, usando a impressão em metal (SLS, SLM ou EBM) pode-se imprimir insertos para moldes de injeção de polímeros plásticos que podem tanto ter uma maior complexidade geométrica quanto aumentar a eficiência térmica do molde produzindo-se dutos de refrigeração nos moldes mais próximos à sua geometria, e com isto reduzir o ciclo de maquina de produção do molde com ganhos de escala consideráveis.

3. Ferramental de apoio à fabricação

Devido à facilidade de produção do modelo geométrico para o final, a indústria vem adotando o uso sistemático da Manufatura Aditiva como meio para se obter ferramentas de apoio à produção como calibres, pokayokes, gabaritos personalizados para cada etapa, necessidade ou operador da produção, facilitando o trabalho, aumentando a eficiência e qualidade. Existem vários casos documentados como a da Volkswagen Autoeuropa em Portugal (https://3dprintingindustry.com/news/volkswagen-saves-160k-tooling-costs-using-desktop-fdm-3d-printers-116640/) e da BMW (http://www.stratasys.com/resources/case-studies/automotive/bmw).

 

4. Produtos Finais

Já existem vários produtos finais atualmente produzidos através da Manufatura Aditiva. Os mesmos atendem geralmente às necessidades de alta personalização e baixo volume produtivo, já que até o momento um dos pontos fracos da manufatura aditiva é a sua capacidade de produção em altos volumes e com rapidez. Dentre os exemplos estão o Futurecraft 4D da Adidas, os fones auriculares personalizados da Envisiontech, Dentes feitos em Cobalto Cromium para aplicações de prótese, injetor de combustível para as turbinas da GE (a GE adquiriu recentemente duas empresas de Manufatura Aditiva em metal para sua divisão de turbinas). Algumas empresas automobilísticas começaram um projeto audacioso de substituição de seu estoque de peças de carros mais antigos por estoques digitais, aonde quando necessária uma peça, a mesma é produzida por Manufatura Aditiva, reduzindo drasticamente a necessidade de ocupação de espaço e alocação de capital para grandes estoques de peças raramente solicitadas.

A grande vantagem no uso da Manufatura Aditiva nestes contextos, já tornando-se repetitivo, é a sua habilidade de permitir o uso de geometrias complexas e impossíveis em processos convencionais. Somente no caso da GE, a empresa substituiu um injetor de metal fabricado em processo tradicional, com 18 peças, por um de peça única que gerou um aumento de eficiência na turbina de mais de 20%.

Conclusão

Apesar de algumas limitações técnicas a Manufatura Aditiva, quando respeitadas estas limitações e ajustando suas características e tecnologias às necessidades específicas, pode atender muito bem e aumentar a eficiência e os resultados dos projetos e da produção indústria. O importante neste processo é ter um bom conhecimento destas características, desenvolver as competências corretas dos técnicos, engenheiros e gestores de sua empresa e garantir um bom ajuste dos processos da empresa.

A Manufatura Aditiva não é uma ferramenta de uma única área ou disciplina, ela tem o poder de atender a uma gama enorme de necessidades da indústria. Para ela apresentar o resultado correto é importante um processo de adoção aonde se faça uma boa avaliação de suas competências e maturidade e que as lacunas identificadas sejam tratadas. Identifique que peças podem ser impressas e melhoradas através desta tecnologia. Avalie as novas oportunidades. Crie um roadmap de transformação, com uma lista de peças, equipamentos, treinamentos, revisão de modelo de trabalho, tecnológico e de negócios, e avalie plataformas de software que contribuam para o trabalho cooperativo.

Por fim, deve-se sempre contar com boas consultorias da área para revisar seu plano, adaptar e implementar os processos de impressão 3D; revisar a cadeia de fornecedores e, por fim, estar atento às novidades nesta área, pois é uma área em constante evolução na qual as novidades e soluções surgem diariamente e uma destas pode se ajustar perfeitamente às necessidades de sua indústria.

[1] acatech – National Academy of Science and Engineering, German National Academy of Sciences Leopoldina, Union of the German Academies of Sciences and Humanities (Eds.) (2017): Additive Manufacturing. Munich, 64 pages, disponível em: http://www.acatech.de/fileadmin/user_upload/Baumstruktur_nach_Website/Acatech/root/de/Publikationen/Kooperationspublikationen/3Akad_Stellungnahme_EN_AdditiveFertigung_web_FINAL.pdf
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