Grandes Peças, Grandes Objetivos de Energia

A manufatura aditiva (AM) oferece novas abordagens que podem colocar o vento nas velas do setor de energia limpa da América, que deve impulsionar a produção de componentes muito grandes para equipamentos eólicos, nucleares e hidrelétricos.

Metas agressivas de energia renovável estão expandindo os mercados de energia limpa, mas atualmente a demanda supera as capacidades de fabricação doméstica.

Abordar essas lacunas ganha uma nova urgência à medida que os Estados Unidos buscam atender 35% de suas necessidades de eletricidade por meio da energia eólica até 2050 – mais de três vezes e meia a contribuição do vento hoje.

Enfrentar esse desafio assustador da cadeia de suprimentos requer capacidades que atualmente não existem, e as técnicas de AM — mais frequentemente consideradas para peças pequenas e intrincadas — podem ser a chave para desvendar o potencial de fabricação dos EUA para esses enormes componentes de metal. Para tornar isso uma realidade para turbinas eólicas, são necessários mais passos para aumentar as taxas de deposição de metal AM e reduzir o custo do material impresso.

Fundições em escala industrial, como peças fundidas de aço com mais de 10 toneladas, são um ponto de estrangulamento na produção de peças de turbinas eólicas, incluindo cubos de rotor, placas de base e estruturas de suporte. A escala é vasta e cresce em tamanho e peso à medida que a indústria continua a se expandir para turbinas eólicas offshore.

Os custos de mão-de-obra envolvidos na fundição em areia de grandes componentes de metal levaram os fabricantes americanos a começar a comprá-los de fontes estrangeiras anos atrás.

Apenas uma fundição americana continua sendo capaz de manusear as peças maiores necessárias para a energia eólica offshore, com capacidade limitada dos EUA para usina-las em sua forma final. Atualmente, o prazo de entrega é de seis meses a mais de um ano para a aquisição de grandes componentes metálicos críticos. Enviá-los do exterior gera uma grande pegada de carbono, além de ser caro e lento. A dependência de componentes estrangeiros também cria o potencial para um único ponto de falha na cadeia de fornecimento de energia eólica americana.

Uma alternativa é fabricar aditivamente essas peças grandes e, em seguida, finalizá-las usando máquinas-ferramentas automatizadas guiadas por software de fabricação computadorizado. Os benefícios são claros: AM oferece mais flexibilidade e complexidade de projeto do que a fundição tradicional, e as estratégias de otimização de topologia habilitadas pela impressão 3D podem oferecer redução significativa de peso.

As impressoras multiaxiais podem girar uma peça para imprimir diferentes porções e atingir diferentes ângulos, evitando problemas de distorção por gravidade que limitavam os designs no passado. Ao combinar a impressão multiaxial fora do plano com vários cabeçotes de deposição robóticos, a variedade de geometrias que podem ser produzidas é dramaticamente expandida.

Ao contrário da fundição convencional, esse tipo de impressão 3D permite a criação de recursos internos complexos, como estruturas treliçadas, linhas hidráulicas integradas e caminhos de fios elétricos. Também reduz o tempo de impressão dividindo a fabricação entre vários sistemas trabalhando simultaneamente no mesmo objeto.

Um sistema AM chamado MedUSA no Departamento de Manufatura Demonstração Facility (MDF) no Oak Ridge National Laboratory (ORNL) utiliza três robôs, cada um com seis graus de liberdade de movimento.

A MedUSA pode imprimir mais de 54 libras de metal por hora ou imprimir com diferentes materiais simultaneamente. As peças produzidas requerem ferramentas personalizadas mínimas em comparação com as peças fabricadas tradicionalmente, embora o acabamento geralmente ainda seja necessário.

Uma grande máquina-ferramenta será instalada em breve para trabalhar em conjunto com a MedUSA, finalizando as peças impressas para atender às tolerâncias exatas do projeto. Pouquíssimas instalações no mundo podem oferecer essa combinação de recursos para grandes componentes. Como grande parte do processo é automatizado, os custos de mão-de-obra são muito menores do que na fundição tradicional.

"Nossa pesquisa está analisando como você combina a manufatura aditiva com a etapa de acabamento do metal, para que eles trabalhem juntos de maneira eficiente", disse Joshua Vaughan, pesquisador do ORNL. "Como você imprime peças para que sejam facilmente finalizadas para uma aplicação final e quais vantagens isso oferece?"