Máquina híbrida de fabricação de grande porte rompe limites da Impressão 3D
Há cerca de uma década, quando impressoras 3D para a fabricação de miniaturas começaram a aparecer em eventos Maker Faire, a ideia de imprimir uma casa inteira parecia muito distante. No final de 2019, no entanto, algumas construtoras já estavam imprimindo bairros inteiros com moradias modestas feitas de concreto. Hoje é evidente que a impressão 3D pode funcionar em maior escala, mas será que é capaz de produzir componentes técnicos complexos e de grande porte para os setores de fabricação e arquitetura urbana? Um consórcio de empresas, universidades e instituições sem fins lucrativos está decidido a provar que sim.
O setor tem focado a fabricação aditiva em escala comercial em produtos com geometrias complexas, para os quais os métodos tradicionais de fresagem, moldagem ou esmerilhamento são pouco práticos ou onerosos – principalmente objetos requisitados a curto prazo e pequeno número. Tais objetos são geralmente bastante pequenos. No entanto, a Foster + Partners, uma empresa global de arquitetura, urbanismo e projeto rompeu os limites de escala da fabricação aditiva projetando e planejando uma treliça de aço de fabricação aditiva com 5 metros de comprimento, produzida em seções.
O projeto foi uma prova de conceito fundamental para a LASIMM (Large-scale Additive Subtractive Integrated Modular Machine – Máquina modular integrada aditiva subtrativa de grande porte), uma máquina híbrida dedicada à fabricação de componentes de grande porte com capacidade aditiva e subtrativa de metais. Os seus desenvolvedores preveem que o sistema reduza o tempo e os custos de fabricação em 20%, aumentando a produtividade da fabricação aditiva de grande volume em 15%.
Financiado pelo programa de pesquisa e inovação Horizonte 2020 da UE, a LASIMM foi projetada para imprimir em 3D componentes e estruturas de metal para a construção civil com até 2 metros de diâmetro, 6 metros de comprimento e 2 toneladas de peso. A Foster + Partners é um das 10 empresas envolvidas no projeto LASIMM. A Autodesk é o principal fornecedor de software.
A empresa aeroespacial BAE Systems e o fabricante dinamarquês de turbinas eólicas Vestas Wind Systems A/S, parceiros do projeto LASIMM desde o início, uniram-se à Foster + Partners na fabricação de produtos de demonstração num projeto piloto em 2019. O objetivo da Foster + Partners era produzir estruturas treliçadas em cantiléver de aço capazes de mostrar o potencial da tecnologia para mais tarde ser integrada num edifício.
“A Foster + Partners tem um histórico de investimento em pesquisa para fazer avançar a ciência por trás dos materiais que usamos em nossos edifícios, para compreender os requisitos mais puros das características espaciais ou do desempenho do projeto”, diz Josh Mason, engenheiro de projeto do Grupo de Modelagem Especializada da empresa.
“Procuramos ter um maior controle sobre os volumes estruturais”, diz Josh Mason. “Normalmente, recebemos vigas I ou placas, e é um tremendo esforço para fabricá-las ou cortá-las e soldá-las novamente. Se pudessem ser fabricadas com uma impressora 3D e fosse possível controlar sua geometria, poderíamos integrar iluminação, condutos, fluxo de ar, transmissão de calor e acústica diretamente na estrutura desse componente.”
Os projetistas queriam mostrar o que estava acontecendo estruturalmente na treliça, visualizando as linhas de tensão no interior do projeto. “As bordas superior e inferior da viga afunilam à medida que se aproximam da extremidade e o padrão da treliça presente entre essas bordas é, na verdade, baseado nas trajetórias das tensões”, diz Samuel Wilkinson, um associado da Foster + Partners. “Pode-se visualizar a tensão e a compressão no interior da viga no layout dos componentes dentro da treliça.”
O projeto LASIMM foi sediado em Pamplona, Espanha, nas instalações da parceira do projeto Loxin, uma empresa de tecnologia robótica. A máquina tem configuração modular, com braços robóticos industriais e um robô especializado em fresagem, e apresenta capacidades de fabricação aditiva, usinagem (fabricação subtrativa), metrologia e inspeção.
O processo de construção aditiva da viga cantiléver começou com uma placa de aço e componentes soldados em camadas. A equipe usou um fluxo de trabalho de projeto generativo, desenvolvendo um conjunto de restrições para automaticamente criar um conjunto de projetos. As restrições da viga eram bastante simples: 5 m de comprimento, 500 mm de largura e 120 mm de profundidade, afunilando até a extremidade final com 50 mm de profundidade e uma carga pontual de 500 kg.
A equipe testou diferentes tamanhos de viga (5 m, 2 m e algumas opções entre essas duas medidas), que mostraram usos potenciais para diferentes escalas. O fluxo de trabalho generativo adaptou seus projetos a diferentes formas e dimensões. “A estrutura interna e a profundidade da viga estavam em aberto podendo evoluir”, afirma Josh Mason. “Mas com base em nossos estudos iniciais, ficou claro que a flambagem fora do plano seria a principal restrição estrutural.”
A flambagem ocorre quando o calor do processo de soldagem distorce o metal para uma forma de sela paraboloide, como uma batata chips. Equilibrar a distribuição de calor na placa exigiu que a impressão fosse feita numa das faces seguida de rotação para imprimir uma estrutura especular na outra face. “Estamos constantemente girando a placa e imprimindo outra camada”, afirma o Samuel Wilkinson. “Existe simetria no processo, necessária na fabricação de componentes de grande porte. Essa era uma das maiores restrições: a orientação das partes em relação à placa original.”
O principal objetivo da pesquisa de materiais é a busca de melhor desempenho. “A capacidade de projetar com esse nível de resolução não é comum”, afirma Josh Mason. “Conseguimos experimentar com o caminho de ferramenta e a aparência da textura da superfície . Seremos capazes de especificar isso em projetos futuros.” A equipe Foster + Partners tomou decisões relativamente conservadoras neste projeto. Um dos objetivos dos projetos futuros é criar maneiras de imprimir formas livres sem padrão definido e construir sobre uma placa menor.
O objetivo a médio prazo é usar a LASIMM num projeto comercial real. “Quando trabalhamos em um projeto grande com componentes que se repetem, o uso de moldes ainda é mais eficiente em termos de custo”, afirma Josh Mason. “Mas da perspectiva do projeto, achamos mais estimulante pressionar em favor da possibilidade de tudo ser único. Esse é o sonho – que cada parte seja única sem encarecer o projeto.”
Os projetistas planejam explorar como o projeto LASIMM poderia trabalhar em colaboração com outras disciplinas, fabricando outros materiais e integrando o que pode fabricar com madeira, fibras de carbono e assim por diante. “Muitos participantes estão usando construção aditiva para diferentes fins e nós estamos sempre interessados em integrar o processo a novas técnicas para usar materiais de forma mais eficaz”, declara Samuel Wilkinson. “Quando usamos materiais prontos para o uso ou concreto pré-moldado, sempre ficamos limitados pelo material extrudado. Eventualmente será mais barato e eficaz utilizar processos aditivos.”
A tecnologia também tem o potencial de transformar a cadeia de suprimentos de projetos arquitetônicos. LASIMM é uma máquina de grande porte, mas sua funcionalidade poderia ser reproduzida usando componentes e configurações menores e mais portáteis.
No entanto, o cenário mais provável seria o estabelecimento de uma rede de células de fabricação em todo o mundo, que serviria os mercados regionais. Em termos práticos, é necessário desenvolver normas para que cada célula possa ser certificada de acordo com padrões globais de qualidade e repetibilidade. A concepção de tal sistema de certificação seria relativamente simples para a fabricação de cópias de um componente padronizado. Muito mais complexa seria a criação de um sistema de certificação envolvendo a fabricação de componentes únicos usando uma abordagem de design generativo. “Isso realmente introduziria uma nova restrição, de forma que o processo generativo só pudesse produzir componentes que fossem certificáveis”, afirma Samuel Wilkinson.
Este projeto teve o financiamento do programa de pesquisa e inovação Horizonte 2020 da União Europeia sob o acordo de subvenção no 723600.