Quanto mais pesada uma aeronave, mais combustível precisa para voar. Cada parte adiciona ao peso total da aeronave, das asas aos motores e aos parafusos que mantêm tudo unido. As muitas peças que compõem um veículo são tradicionalmente feitas por meio de vários processos de usinagem nos quais as matérias-primas são cortadas em seus formatos finais desejados. Contudo, os processos de usinagem tradicionais, como fresamento ou retificação, são limitados quando se trata de otimizar formas para o menor peso. Esses métodos de usinagem tradicionais levaram os fabricantes a criar muitas peças separadas que se encaixam - mas não precisa ser esse o caso.

Kate Whitefoot, professor assistente de engenharia mecânica e engenharia e políticas públicas, e Levent Burak Kara, um professor de engenharia mecânica, estão desenvolvendo métodos que permitem aos fabricantes consolidar peças discretas, pegando várias peças de tamanhos diferentes e redesenhando-as em uma única peça. Esta parte contínua pode então ser impressa em 3-D em metal.

Fabricação aditiva, também conhecido como impressão 3-D, permite a produção de novas formas que não podiam ser produzidas anteriormente. Como membros do NextManufacturing Center da Carnegie Mellon, Whitefoot e Kara estão usando a manufatura aditiva para reimaginar o que é possível ao criar peças de componentes.

"O que a consolidação de peças nos permite fazer é fabricar monoliticamente componentes que normalmente teriam que ser montados juntos, "diz Whitefoot." Isso pode reduzir substancialmente os custos associados à fabricação dessas peças, e também potencialmente nos permite uma economia de peso significativa. Isso é algo em que os fabricantes estão realmente interessados, particularmente em setores como aeroespacial e automotivo. "

Ao consolidar várias peças de tamanhos diferentes em uma parte, Whitefoot pode diminuir o número de fixadores, remova as superfícies correspondentes associadas às peças, e imprimir monoliticamente essas peças. Sob certas condições, isso pode torná-los mais fortes do que várias partes que eram, por exemplo, soldados juntos.

Ao redesenhar a geometria das peças para reduzir ainda mais o peso, A pesquisa de Whitefoot pode revolucionar muitos setores industriais - particularmente aeroespacial e automotivo. Quando a consolidação de peças é aproveitada para reduzir os custos de produção associados ao processo, a manufatura aditiva se torna mais competitiva em termos de custos com métodos de manufatura mais tradicionais. Ao consolidar as peças, Whitefoot e Kara não estão apenas reduzindo custos de produção e economia de peso, mas também diminuindo significativamente o tempo gasto na impressão da compilação.

Uma razão pela qual isso é tão atraente no setor aeroespacial é que as libras se traduzem diretamente no uso de combustível durante a vida útil das aeronaves. Cada grama economizada com a otimização do tamanho e peso de uma peça pode ajudar a compensar o uso de combustível, reduzindo custos e impactos ambientais.

"Se pudermos usar esses métodos para reduzir significativamente os custos de produção, então, muitas outras indústrias seriam capazes de adotar o aditivo e, em seguida, aproveitar os benefícios de desempenho que ele pode trazer, "diz Whitefoot, "que inclui a abertura do espaço de design e potencialmente causando uma economia de peso significativa, tendo enormes benefícios de custo e ambientais quando se trata de aplicações onde nos traduzimos em uso de combustível. "

Ser capaz de mesclar peças e produzi-las como uma única peça monolítica é um salto gigante para a fabricação de peças, mas os pesquisadores querem dar um passo adiante - em direção ao redesenho automático. Whitefoot está trabalhando com Kara para automatizar a otimização dos formatos das peças de metal criadas por meio da manufatura aditiva, minimizando o peso dessas peças, bem como o custo de produção.

“Com o avanço da manufatura aditiva, agora podemos fabricar geometrias mais complexas, "diz Kara." Uma coisa que torna a otimização da topologia aditiva atraente é que agora podemos fabricar peças que antes eram apenas teoricamente possíveis. Dentro das partes, geometrias internas complexas podem ser produzidas para minimizar a massa total da peça, ao mesmo tempo, certificando-se de que a estrutura pode suportar todas as forças externas aplicadas a ela, assim como uma peça usinada tradicionalmente. "

Whitefoot e Kara estão desenvolvendo métodos que permitem a otimização automática de peças. Com esta pesquisa, um fabricante pode fazer upload de um arquivo CAD de um conjunto de peças, e esses métodos medem automaticamente a maneira ideal como esse conjunto de partes deve ser consolidado.

"Pegar várias partes e ser capaz de sintetizá-las automaticamente em uma única parte geométrica pode não ter sido viável antes, "Kara acrescenta, "mas com manufatura aditiva, agora podemos não apenas otimizar para a melhor combinação dessas partes, podemos realmente criar as peças que eram impossíveis de criar com os métodos de usinagem tradicionais. "

Whitefoot e Kara estão atualmente passando por um projeto inicial de um ano com a Boeing para demonstrar a viabilidade dos métodos que desenvolveram. No mercado comercial, leva tempo para passar de um método viável no estágio de pesquisa para a capacidade real de vida comercial - mas os pesquisadores preveem que essa tecnologia pode estar disponível comercialmente em um horizonte de tempo de cinco anos.

"Estamos fazendo isso para ajudar os engenheiros e designers de manufatura aditiva a otimizar o processo de criação de ferramentas mais automatizadas, "diz Whitefoot, "para que o design aditivo possa realmente passar de uma arte para uma ciência."