Conforme uma análise feita pela Forecast Internacional, empresa especializada em pesquisas e inteligência de mercado nas áreas aeroespacial e de defesa, nas próximas décadas deverão ser produzidos 150.000 motores a jato para atender o setor aeronáutico e 27.000 turbinas a gás para a geração de energia. Em função dos crescentes requisitos impostos tanto pelos clientes como pela legislação, é necessário reduzir o consumo de combustível e as emissões de gases. Tal situação pressiona o fabricante de turbinas a manter atividades de desenvolvimento para, dessa forma, assegurar sua competitividade. Isso vem resultando em trabalhos de pesquisa sobre novos materiais com alto desempenho, bem como componentes para turbinas mais complexos. Simultaneamente são necessárias tecnologias inovadoras de manufatura para atender a esses requisitos cada vez mais severos.

O Instituto Fraunhofer para Tecnologia de Produção (IPT) e o Instituto Fraunhofer para Tecnologia do Laser (ILT), no âmbito do polo de inovação de Aachen chamado Produção Adaptativa para Alocação Eficiente de Recursos em Energia e Mobilidade (AdaM, de Adaptive Produktion für Ressourceneffizienz in Energie und Mobilität), trabalham no sentido de viabilizar esses novos conceitos de turbinas.

Além da viabilização de componentes eficientes, também o uso inteligente de recursos na sua fabricação vem assumindo um papel decisivo. Para que pudessem ser comparados os princípios de fabricação da manufatura aditiva, usinagem e fundição, foi selecionada como peça para demonstração um conjunto de palhetas de um turbo-compressor feito por um fabricante de equipamentos originais (OEM).

 

Produção complexa, montagem simples

A particularidade deste conjunto de palhetas está no fato de que o desvio do fluxo de gás ocorre através de duas palhetas dispostas em sequência e deslocadas axialmente, ao invés de uma única palheta (figura 1). Dessa forma é possível obter um desvio de fluxo mais eficiente, uma vez que é reduzido o descolamento do escoamento do fluxo de gás nas palhetas.

 Figura 1 – O conjunto apresenta comprimento de 65 mm e palhetas com largura de
 15 mm; a largura do vão entre as palhetas em sequência é de apenas 2 mm
 

Em comparação com a confecção de múltiplos segmentos menores com as respectivas duas palhetas, a implementação integral na forma de um conjunto de palhetas oferece vantagens em termos de maior liberdade para o projeto, bem como uma montagem mais rápida e fácil. Graças a esse projeto compacto, há poucos componentes a serem manipulados e posicionados. Contudo, do ponto de vista da fabricação, essa implementação integral representa um desafio em função da separação muito pequena entre as palhetas.

Nesta investigação foram estudados os materiais Inconel 718 e X22CrMoV12-1 para atender aos diversos requisitos do mercado de turbinas. A cadeia de fabricação do conjunto de palhetas pode ser subdividida em quatro módulos: preparação, geração da geometria, acabamento das superfícies aerodinâmicas e usinagem de acabamento das superfícies funcionais para a montagem.

 

Diversas cadeias de fabricação

De forma geral, 24 cadeias de fabricação com 48 etapas de processo específicas (figura 2) poderiam ser investigadas. No entanto, em função das limitações de tempo do projeto, nem todas as 24 cadeias de fabricação puderam ser consideradas, somente as rotas de manufatura mais relevantes foram analisadas como, por exemplo, a cadeia de processos de fusão seletiva a laser (SLM) mais o fresamento.

Figura 2 – A investigação sobre as possíveis cadeias de processo para a fabricação permite comparar os diversos tipos de procedimentos
 

De forma global, todas as etapas de processo foram investigadas para, no final, as demais combinações de cadeias de fabricação poderem ser avaliadas. A avaliação das diversas cadeias de fabricação foi feita de acordo com um portfólio, o qual comparava a avaliação tanto do ponto de vista do produto como da fabricação. A avaliação do ponto de vista do produto se baseou em fatores de projeto, enquanto que a do ponto de vista da fabricação se baseou em fatores de processo (figura 3).

Figura 3 – Avaliação combinada, do ponto de vista de produto e de processo, para abordagem holística

 

Avaliação combinada: produto e fabricação

O fator de projeto avaliou a geometria correspondente ao produto, englobando a perda total de pressão, seu desvio de perfil, peso e facilidade de montagem. O fator de fabricação avaliou a respectiva cadeia de processos, incluindo os custos de fabricação, o tempo de usinagem e o consumo de energia e material.

Para se efetuar uma avaliação de acordo com múltiplos critérios impostos por ambos os fatores, foi empregado o método do processo analítico hierárquico (AHP, de Analytical Hierarchy Process). Ao se iniciar essa metodologia, os critérios de avaliação são comparados e avaliados aos pares. A seguir são definidas as ponderações a serem aplicadas aos critérios de avaliação. Por meio da introdução tanto dos valores quantitativos como qualitativos, definidos conforme os critérios de avaliação, pode-se calcular, usando-se os pesos apropriados, os respectivos fatores de fabricação ou de projeto.

Figura 4 – Avaliação da eficiência na utilização de recursos das diversas cadeias de processo
 

A investigação das diversas cadeias de fabricação permite avaliar o grau de eficiência no uso de recursos dos princípios de fabricação por manufatura aditiva, usinagem e fundição. O foco da investigação em termos da eficiência na alocação de recursos se manteve dentro dos limites considerados para a elaboração do balanço do processo, constituído pelos elementos aquisição, preparação, geração da geometria e usinagem de acabamento.

A comparação entre os diversos princípios de fabricação permite obter informações sobre o grau de eficiência na alocação de recursos em função da utilização dos materiais em diferentes estados. Dessa forma, têm-se o metal em pó no caso da manufatura aditiva e o bloco de metal para a usinagem, enquanto que, no caso de fundição, se têm o conjunto de matérias-primas no interior do cadinho como material de partida.

Os primeiros resultados foram revelados para o exemplo da cadeia de processos envolvendo o uso da fusão seletiva a laser, tendo também sido identificados os desafios envolvidos. O abrangente trabalho cooperativo desenvolvido pelos dois Institutos Fraunhofer, para Tecnologia de Laser e para Tecnologia de Produção, permitiu medir o consumo de energia pelas máquinas, de forma a obter dados reais para efetuar a comparação entre o grau de eficiência na utilização de recursos. A fabricação do conjunto de palhetas foi feita usando-se um equipamento modificado de fusão seletiva a laser disponível nas instalações do Instituto Fraunhofer para Tecnologia de Laser, modelo TrumaForm 250 LF, bem como um centro de usinagem com cinco eixos, modelo Heller MC 25.

A fusão seletiva a laser já se mostrou bem-sucedida sob condições práticas para o desenvolvimento e construção de protótipos. O maior desafio dentro de uma cadeia de processos envolvendo o uso da fusão seletiva a laser está em sua transposição econômica para a escala industrial.

A adoção dessa tecnologia dentro de uma cadeia de processos somente deverá ser considerada quando seus tempos de processo puderem ser reduzidos e as etapas isoladas de processo puderem ser coordenadas entre si. Há um aspecto crucial, ou seja, a obtenção, ao final do processamento, de tolerâncias muito estreitas em termos de dimensões, formatos e posições.

Com ajuda do conceito de dois feixes, desenvolvido pelo Instituto Fraunhofer de Tecnologia de Laser o tempo de construção pôde ser reduzido pela metade (para cinco horas) em relação ao conceito original que utiliza um único feixe. Pelo novo processo, um feixe de laser maior ou menor pode ser empregado conforme a situação.

No caso das palhetas, nas quais deve ser alcançado maior nível de qualidade superficial, usa-se o feixe de laser mais curto e lento, para facilitar a usinagem de acabamento. Uma vez que, em todos os casos, as superfícies de ajuste precisam ser submetidas a processos de acabamento com remoção de material, a raiz da palheta pode, ao contrário, ser fabricada a taxas de confecção mais elevadas, assumindo-se o risco de se obter pior qualidade superficial.

Até o momento, o componente a ser produzido por fusão seletiva a laser é gerado a partir de uma placa de substrato sem que haja uma definição precisa do local. No procedimento convencional, o componente precisa ser separado da placa de substrato ao fi nal do processo – por meio da eletroerosão a fio, por exemplo. O conjunto de palhetas apresenta alto nível de rugosidade em suas superfícies originais.

Além disso, em função de sua geometria complexa, não existe nenhuma superfície que permita fixação segura e reprodutível dentro de uma fresadora. Para se viabilizar a ligação entre os processos de fusão seletiva a laser e o de fresamento, é necessário atender a duas condições: por um lado, consistência nos dados de CAD/CAM e, por outro, adoção de um conceito único de fi xação para ambos os processos.

O processo de fusão seletiva a laser requer processamento dos dados de CAD, uma vez que precisam ser calculadas as estruturas de apoio, bem como as tolerâncias, de quase todas as superfícies. Por meio do modelo de dados de produto CAD, desenvolvido dentro do âmbito do AdaM, os componentes são associados com os dados de fabricação como, por exemplo, dados de velocidades de confecção específi cos para as superfícies. A integração dentro de um escopo uniforme apoiado por computador (CAx) permite que essas informações estejam disponíveis inclusive para os processos posteriores, como fresamento.

A segunda condição para viabilizar a ligação entre a fusão seletiva a laser e o fresamento será atendida por um novo conceito de fixação. A configuração do conjunto de palhetas ocorre por meio de uma placa de base específica para o componente, a qual deve ser fabricada por fresamento, antes de qualquer outra operação.

Figura 5 – Desde os componentes fabricados por fusão seletiva a laser até o acabamento por usinagem das superfícies de ajuste
 

As placas de base devem ser posicionadas dentro da máquina para fusão seletiva a laser e lá parafusadas sobre uma nova placa de substrato recém-confeccionada. Durante a execução desse processo, o componente é fabricado de forma aditiva sobre essas placas de base. A seguir, o componente feito por fusão seletiva a laser, mais sua placa-base, são desmontados em conjunto. Não é mais necessário efetuar corte por eletroerosão a fio. A placa-base será posicionada dentro da fresadora por meio de pinos-guia e fixada. Na sequência, ocorre o fresamento da raiz das palhetas.

Em função das características desse tipo de componente, a raiz da palheta e também o segmento do anel externo das palhetas assumem formato muito espesso. Isso não representa qualquer problema durante a fabricação convencional por fresamento. Contudo, quando a manufatura for feita por fusão seletiva a laser, ocorrerão distorções geométricas decorrentes da alta quantidade de calor contida nas paredes espessas.

O emprego de uma placa de base única ao invés de uma placa de substrato mais espessa contribui igualmente para elevar a distorção do componente. A utilização de uma estrutura reticulada na raiz da palheta permite diminuir a espessura de parede, o que reduziu acentuadamente a distorção verificada no componente, conforme demonstrou um trabalho desenvolvido no Instituto Fraunhofer para Tecnologia a Laser.

Simultaneamente, o tempo de fabricação foi reduzido em função do menor volume do componente. Dessa forma, o peso da peça foi reduzido em torno de 30%. Este exemplo prático mostrou que o projeto do componente deve ser repensado quando se cogitar o uso da manufatura por fusão seletiva a laser, para que se possa aproveitar plenamente o potencial oferecido por essa tecnologia.

A alta rugosidade superficial inerente aos componentes feitos pela fusão seletiva a laser, os quais apresentam rugosidade média quadrática (Ra) igual a 10 μm, requer que os mesmos sejam submetidos à usinagem de acabamento típica de superfícies aerodinâmicas. A aplicação desse processo às superfícies das palhetas constitui um desafio, já que se trata de um componente com geometria complexa. Em função dessa situação, foram realizados ensaios com um conjunto de palhetas fabricado pelo processo de fusão seletiva a laser usando polimento (figura 6). Esses experimentos foram feitos em conjunto com uma instituição líder no suprimento de tecnologia.

Figura 6 – Conjunto de palhetas fabricado por fusão seletiva a laser submetido à retificação
 

Conforme o princípio empregado para o polimento, particularmente nas regiões superficiais com boa acessibilidade, como as bordas de entrada da primeira palheta e as bordas de saída da segunda palheta, ocorre uma acentuada remoção de material. As bordas das palhetas localizadas entre os vãos ao longo da sequência, por sua vez, dificilmente conseguem ser executadas por esse processo. Portanto, as extremidades das palhetas sofrerão forte arredondamento.

Com base nesses resultados, pode-se afirmar que o grau de acessibilidade para um meio convencional de acabamento por deslizamento não é satisfatório no caso de um componente como o conjunto de palhetas. Portanto, foi necessário identificar novas tecnologias de acabamento fino. Consequentemente, foram feitos ensaios em conjunto com as empresas de tecnologia Mytos, Micro Technica Technologies e First Surface, usando conjuntos de palhetas fabricados por fusão seletiva a laser, para se identificar tecnologias potenciais nesse sentido.

A empresa Mytos sugeriu o processo de microacabamento a jato, desenvolvido por ela, o qual é designado como cultivo de superfície (Surface Cultivate Forming, SCF). Na prática, esse processo levou sobretudo a um prolongamento da vida útil das ferramentas.

Já a empresa Micro Technica Technologies usou a máquina por eles desenvolvida para um determinado meio de acabamento, para realizar o acabamento a jato, também chamado de polimento sob pressão.

A First Surface, por sua vez, ofereceu um método de acabamento fino feito por microusinagem (Micro Machining Process, MMP), um tratamento mecanoquímico superficial desenvolvido pela francesa Binc. As partículas abrasivas ligam-se quimicamente à superfície da peça, removendo mecanicamente a rugosidade superficial.

Esses ensaios tiveram como objetivo identificar as soluções tecnológicas para se executar o acabamento fino de componentes complexos, tais como o conjunto de palhetas fabricado por fusão seletiva a laser estudado neste trabalho. Os resultados finais das investigações em andamento dentro do polo de inovação AdaM foram obtidos em meados de 2015. A apresentação dos resultados parciais ocorreu durante a Conferência Internacional sobre a Manufatura de Turbomaquinaria (International Conference on Turbomachinery Manufacturing, ICTM), que ocorreu entre 25 e 26 de fevereiro de 2015 em Aachen, Alemanha (www.ictm-aachen.com).