Como este assento leve de avião poderá economizar as companhias aéreas com US $ 200 milhões (e reduzir drasticamente as emissões de carbono)

No Pier 9, centro de tecnologia de 27 mil metros quadrados da Autodesk em São Francisco, o pesquisador Andreas Bastian vem trabalhando em um problema único no ano passado. Ele está investigando como superar a antiga prática de fabricação de fundição de metal com uma tecnologia muito mais nova: a impressão em 3D, também conhecida como fabricação aditiva.

Por quê? Há uma série de respostas a essa pergunta. Mas antes de se aprofundar nesses motivos, vale a pena olhar para o projeto de prova de conceito que emergiu do trabalho de Bastian.

É um quadro de assento de aeronave, adequado para qualquer jato comercial padrão. O que é diferente sobre essa moldura de assento é que tem sido aliviada em termos de peso usando otimização da rede e da superfície, o que significa que um algoritmo no software Netfabb da Autodesk produziu a geometria para atingir os objetivos de design especificados. Neste caso, o objetivo era tornar o quadro do assento tão forte quanto o design original, mas muito mais leve. O design resultante é uma estrutura complexa, diferente de qualquer coisa que um ser humano criaria por conta própria.

O benefício deste processo de design é que o peso mais leve do quadro do assento reduz a necessidade de combustível para jatos – literalmente até milhões de dólares – e reduz as emissões de carbono. A desvantagem é que esses projetos complexos podem ser difíceis de fabricar por meios convencionais. Em muitos casos, as geometrias complexas associadas à otimização do design exigem a impressão em 3D.

Um problema com a impressão em 3D

A fabricação aditiva está crescendo rapidamente. Novas impressoras e novos materiais, incluindo metais, estão se conectando rapidamente e os custos estão diminuindo. Mas a realidade é que as opções de material ainda são limitadas em comparação com as formas tradicionais de fabricação, e o custo da impressão em 3D em escala ainda não é competitivo com a produção de peças convencional.

Isso nos leva de volta ao propósito da pesquisa de Bastian.

“Embora a fabricação aditiva seja muito promissora para o futuro da fabricação, ainda é muito novo para muitos desenvolvedores de produtos. A transmissão, em contraste, tem sido em torno de milênios e é incrivelmente bem compreendida. Existem centenas de milhares de engenheiros, fundições e fábricas com experiência profunda nela. Essa é uma das razões pelas quais eu estou procurando uma ponte entre os dois “, explica Bastian.

Bastian colaborou no projeto de quadro de assentos com Andy Harris no grupo de consultoria avançada da Autodesk. “Nós podemos gerar esses incríveis projetos de alto desempenho, mas tivemos que olhar além da fabricação aditiva direta de metais para este projeto. O tamanho e o custo simplesmente não funcionariam para fabricar essa peça “, observa Harris.

A resposta de Bastian ao problema era combinar os melhores aspectos da fabricação aditiva e do processo de fundição. Uma vez que a impressão em 3D manipula a complexidade da estrutura da geometria, muito melhor do que outras tecnologias de conformação de metais, esse método foi usado para imprimir moldes positivos ou padrões dos quadros do assento em plástico. Bastian escolheu imprimir em plástico em vez de metal porque o primeiro é um processo mais barato, mais rápido e mais flexível. Os padrões foram então utilizados para criar moldes cerâmicos para fundição, o que fornece uma maneira muito mais acessível para produzir os quadros do assento em grandes quantidades.

Fundição oferece uma série de outras vantagens sobre a fabricação aditiva direta de metais (pelo menos no futuro). A impressão 3D é agora possível em algumas dúzias de metais. A fundição pode ser feita em milhares de metais e compósitos. Então, as opções de material são ordens de magnitude maiores com a fundição. O tamanho é outra limitação para a impressão em 3D. Mesmo com a tecnologia Project Escher da Autodesk, os volumes de impressão são, no máximo, alguns metros cúbicos. Em contrapartida, a fundição pode acomodar objetos maciços que pesam dezenas de milhares de quilos. Adicione a essas vantagens a melhor economia de fundição em escala e a experiência de engenharia mais ampla disponível, como Bastian observou acima.

Uma colaboração do Silicon Valley e Midwest

Falando sobre isso, Bastian precisava apenas desse tipo de experiência de seleção para trazer sua ideia de quadro de assento para a vida.

O Pier 9 está equipado com todo tipo de impressora 3D e máquina CNC, mas a colocação de investimento com metal fundido não está disponível. Então, Bastian juntou-se com Jack Ziemba e Paul Leonard de Aristo Cast , uma fundição em Michigan. O CEO Ziemba e o vice-presidente Leonard visualizaram a oportunidade de colaborar no projeto.

Eles até viram uma oportunidade para reduzir ainda mais o peso da estrutura do assento: moldá-lo em magnésio em vez do alumínio tipicamente usado para assentos de avião. A fundição de magnésio é complicada, mas é 35% mais leve do que o alumínio, e a empresa Aristo Cast estava preparado para o desafio.

“Nós vimos a oportunidade de trabalhar com Andreas e Autodesk. É um projeto emocionante e nos permitiu ser pioneiros em algumas técnicas novas para a fundição de magnésio “, disse Leonard. “Também nos deu a chance de aprender mais sobre técnicas avançadas de design e otimização. Isso ainda é bastante novo em nossa indústria “.

Ziemba continuou: “Muitas fundições estão relutantes em investir em aditivos. Nós vemos isso como um grande erro. A competição global exige que aumentemos o nível jogo. Não nos parece a fabricação aditiva como uma ameaça para o nosso negócio. Pelo contrário, abraçamos a combinação do novo com o processo de moldagem de 6000 anos para produzir as peças de alta qualidade que você pode encontrar em qualquer lugar. Para nós, a adoção de novas técnicas, como a fabricação aditiva, quando combinada com nossa experiência em fundição, é um caminho a seguir – não apenas para a nossa empresa, mas para muitas outras fundições no Centro-Oeste “.

Um resultado impressionante

Além da economia no setor de manufatura, o que resultou da colaboração da Autodesk e Aristo-Cast?

Com a nova ideia de usar magnésio, Bastian voltou para Harris, que usou o software Netfabb para re-executar as simulações para a peça no novo metal e confirmar suas propriedades. Bastian enviou o modelo 3D atualizado para a equipe da Aristo Cast, que imprimiu o padrão primeiro em resina de plástico e depois o revestiu de cerâmica para criar um molde negativo. Uma vez que a cobertura de cerâmica se endureceu, o plástico foi aquecido e vaporizado. Em seguida, tomaram o molde e moldaram as peças, inicialmente em pequenas quantidades. Mas eles provaram que é um processo viável que pode aumentar até 160 assentos a cada dois dias.

Bastian mostra como o quadro de assento novo é leve.

Extrapolando seus protótipos de quadros de assentos, Bastian juntou-se ao residente do Pier 9 Rhet McNeal e fez alguns cálculos. Com apenas 766 gramas, cada quadro de assento individual é 56% mais leve do que os assentos convencionais de alumínio 1672g em uso hoje – com a otimização do projeto representando 30% da redução de peso e a contagem de magnésio para os outros 24%. Então, se um fabricante de aeronaves, segundo a Airbus, substituísse todos os 615 assentos em seus aviões A380 com os novos quadros de assento e o fizer para de uma frota de 100 aviões que geralmente possuem uma vida útil de 20 anos, quanto dinheiro seria salvo?

Figuras Bastian que salvar a companhia aérea uma gritante $ 206.648.920 com base no custo médio do combustível de aviação em 2015. Talvez ainda mais consequente, a redução de combustível também se traduz em uma redução de 126.000 toneladas de C0 2 emissões durante o mesmo período. Isso equivale a remover 80 mil carros da estrada por um ano. [1]

Não é ruim. A American Foundry Society concordou que era um trabalho bastante impressionante e honrado Autodesk e Aristo Cast com o seu Prêmio “Casting of the Year” no final de abril.

Esta não é a primeira vez que Autodesk empregou design generativo e fabricação aditiva para ajudar as aeronaves a reduzir o peso, o consumo de combustível e as emissões de C02. O estúdio de design da empresa The Living está trabalhando com a Airbus em uma “partição biónica” para o interior de seus jatos A320. Quando implantado na carteira de produção da A320 da Airbus, a empresa estimou que reduziria as emissões de carbono equivalentes a retirar 96 mil carros da estrada por ano. A partição está atualmente sendo testada pela Administração Federal de Aviação (FAA) dos EUA e a Airbus espera que eles entrem em uso comercial no próximo ano.

“A Autodesk está pressionando os limites das possibilidades do alivio em termos de peso para a indústria aeroespacial. Vemos sua combinação de design generativo, otimização de formas e tecnologias de fabricação avançadas como absolutamente essenciais para a próxima geração de aeronaves mais eficientes em termos de consumo de combustível “, disse Bastian Schaefer, Gerente de Inovação da Airbus.

Por enquanto, o quadro do assento ainda é um projeto de pesquisa – embora com uma aplicabilidade comercial clara.

“O objetivo deste projeto nunca foi vender blocos de assentos”, diz Bastian. “A intenção é mostrar o poder de combinar as tecnologias avançadas da Autodesk em design generativo e fabricação aditiva com mais um processo de fabricação muito mais usado: fundição. Sim, existem excelentes aplicações para a indústria aeroespacial, mas esta combinação também pode ser usada em equipamentos automotivos, médicos, equipamentos industriais e muitos outros campos “.

“Este é o tipo de trabalho de ponta que estamos fazendo no Pier 9 e nas outras instalações de fabricação da Autodesk em todo o mundo”, diz Jacob Hennessey-Rubin, gerente de experiência do cliente para os centros de tecnologia global da Autodesk. “Estamos fazendo esse tipo de pesquisa experimental para mostrar aos nossos clientes o que é possível quando você eleva os limites de software, hardware e materiais. Isto é o que é possível quando você abraça o futuro de fazer coisas (Future of Making Things) “.

 

[1] Cálculos de combustível com base em agosto de 2015 em todo o país, um preço de combustível de US $ 5,20 / galão:http://aviationweek.com/bca/jet-and-avgas-fuel-prices-august-2015

Cálculos de carbono com base na estimativa de EPA 4,7 toneladas de CO2 produzido por média dos veículos a gasolina por ano. Https://www.epa.gov/greenvehicles/greenhouse-gas-emissions-typical-passenger-vehicle-0

 Fonte http://blogs.autodesk.com/inthefold/light-weight-airplane-seat-can-save-airlines-200000000-dramatically-reduce-carbon-emissions/

Obs.:
“Fabricação Aditiva (AM) é um nome apropriado para descrever as tecnologias que compõem objetos 3D, adicionando camada sobre camada de material, seja o material, plástico, metal, concreto ou um dia … tecido humano.”
“O termo AM abrange muitas tecnologias, incluindo subconjuntos como impressão 3D, Prototipagem Rápida (RP), Produção Digital Direta (DDM – Direct Digital Manufacturing) e fabricação em camadas.”

Fonte: http://additivemanufacturing.com/basics/

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