Análise do ciclo de vida de suporte de turbina mostra a importância da manufatura aditiva para redução de peso

A Additive Manufacturer Green Trade Association (AMGTA), um grupo de defesa mundial com foco no desenvolvimento e promoção de práticas sustentáveis do setor de manufatura aditiva, anunciou que publicou sua primeira pesquisa independente, com o título “LCA comparativa de um suporte de turbina de baixa pressão (LPT) por dois métodos de fabricação”.

O relatório, encomendado pela AMGTA e de autoria do Instituto Golisano de Sustentabilidade do Instituto de Tecnologia de Rochester, analisou um suporte de turbina de baixa pressão aeroespacial comercial através de uma avaliação do ciclo de vida (“LCA”), ao analisar (i) o impacto comparativo de fabricação por fusão do leito de pó a laser (“LPBF”) na manufatura aditiva (“AM”) em relação à fabricação tradicional do suporte e (ii) o impacto de uma redução de peso superior a 50% do suporte durante a vida útil da aeronave. Embora o resultado final comparativo tenha sido inconclusivo sobre qual método de fabricação utilizou mais energia, os resultados confirmaram o impacto drástico que os motores e fuselagens de aeronaves comerciais mais leves possuem em emissões de carbono.

As principais averiguações da LCA incluíram os seguintes itens:

– Método de fabricação inconclusivo. Usando três metodologias separadas, a LCA não foi conclusiva sobre qual método de manufatura (tradicional ou aditiva) utilizou mais energia. Em geral, esta descoberta neutra representou uma melhoria quanto aos estudos anteriores, ao mostrar maior energia utilizada na fabricação de LPBF quando comparada a métodos tradicionais.

– Importância da mescla de energia. O estudo descobriu que, de longe, o maior fator na determinação da sustentabilidade da produção era a mescla de energia de uma instalação fabril no local de geração, e se esta rede de energia era produzida com uso de meios sustentáveis.

Impacto superdimensionado em aeronaves leves. O estudo mostrou claramente que a redução de peso dos componentes de aeronaves através do projeto de AM resultou em uma drástica redução em emissões de carbono durante a vida útil de uma aeronave, com uma redução de 13.376 kg para cada 1 kg de redução de peso. Em geral, a manufatura aditiva produziu uma peça mais sustentável. O impacto da redução de peso foi, de longe, o fator mais importante em determinar que os componentes produzidos por manufatura aditiva são mais sustentáveis do que uma peça tradicionalmente projetada e fabricada.

“A publicação desta LCA revisada por pares, a primeira de seu tipo, representa um marco para a AMGTA”, diz Sherri Monroe, diretora executiva da AMGTA. “Pela primeira vez, podemos publicar resultados tangíveis que demonstram a importância do projeto na manufatura aditiva quando comparada aos métodos tradicionais. Este estudo demonstra o impacto muito real que a manufatura aditiva pode ter em projetos de aeronaves e motores do futuro, sendo um bom presságio para usar estratégias semelhantes em outros setores e programas.”

O estudo de dois anos analisou os dois suportes com uso de três metodologias de LCA, incluindo o método de ponto médio ReCiPe 2016 versão 1.1, a Demanda Cumulativa de Energia v1.11 e os métodos IPCC 2021 GWP100 do Grupo Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas. Dois dos três métodos indicaram que, estritamente a partir do ponto de vista da fabricação, o suporte tradicional exigia menos energia para produzir, enquanto um método indicou que a versão de manufatura aditiva produzia menos dióxido de carbono. Em todos os casos, contudo, os resultados indicaram que a mescla de energia da rede elétrica subjacente teve um efeito descomunal na sustentabilidade do processo de fabricação. A LCA foi executada conforme ISO 14040:2006(E) e revisada por pares pela EarthShift Global.

O suporte subjacente, que é um dos 12 em cada um dos dois motores de turbinas GE Aviation CF6-80C2B6F que impulsionam uma aeronave Boeing 767, segura um coletor de combustível à caixa externa do módulo da turbina de baixa pressão do motor. Foi selecionado pela AMGTA por ser uma peça relativamente simples, de fácil acesso e localização. O projeto aditivo e a fabricação do suporte foram realizados pela Sintavia, LLC em Hollywood, Flórida, e impressos em uma impressora EOS GmbH M290 usando pó Höganäs AB Inconel 718. A peça tradicional foi fabricada por uma oficina mecânica com sede no Tennessee com uso de um processo CNC. O suporte otimizado por manufatura aditiva era mais de 50%, ou 0,063 kg, mais leve que a versão original. Segundo a Sintavia, o suporte otimizado superou o suporte tradicional em termos de propriedades mecânicas, com maior resistência à fadiga, apesar do peso reduzido.

Embora a escolha do LPT tenha oferecido uma demonstração simples de como o peso leve pode atuar em um motor de aeronave, a AMGTA acredita que as lições incorporadas na LCA atual poderiam ser adotadas muito mais amplamente por fabricantes de aeronaves e motores em diversos sistemas mecânicos. Além disto, os métodos de transporte de peso leve com uso da tecnologia de projeto aditivo não se limitam apenas ao processo de manufatura aditiva LPBF, pois outras tecnologias aditivas (incluindo jateamento de aglutinantes, deposição de energia direcionada e impressão de polímeros) podem remover o excesso de peso de veículos, aeronaves e embarcações.

“Este estudo destaca a importância de usar manufatura aditiva para desenvolver peças e componentes otimizados que foram reduzidos através da tecnologia de manufatura aditiva”, diz Brian Neff, diretor executivo da Sintavia e presidente da AMGTA. “Nenhuma outra tecnologia comercial atualmente viável oferece um impacto tão imediato em emissões de carbono quanto à redução de peso de peças de aeronaves via manufatura aditiva, e agora temos dados verificados de modo independente e revisados por pares que comprovam isto. Estamos na expectativa de trabalhar com a Boeing, a GE e todos os fabricantes de equipamentos originais do setor, à medida que buscam liberar o potencial sustentável da manufatura aditiva em plataformas atuais e futuras.”

“As duas fases deste estudo, produção e uso, têm implicações muito além deste suporte específico, aeronave ou setor fabril”, acrescentou Sherri Monroe. “A diferença irrisória em impactos ambientais durante a produção combinada com os benefícios da produção sob demanda, quando quiser, onde quiser, como quiser, a fim de fornecer cadeias de fornecimento mais resilientes, eficientes e sustentáveis, têm implicações significativas no ecossistema de fabricação para oferecer soluções mais sustentáveis.”

“Embora este estudo tenha implicações imediatas para fabricar motores e fuselagens de aeronaves, as descobertas na fase de uso se estendem a qualquer parte de uma aeronave que possa ser potencialmente leve, como sistemas mecânicos, assentos, carrinhos de serviço e cozinhas, e muito além da aeronave a qualquer equipamento movido por um mecanismo ou motor, como veículos, navios, trens e robôs, embora as demandas de energia para o setor aeroespacial o tornem o maior, mais óbvio e mais imediato beneficiário.”

A AMGTA informa que espera publicar pesquisas independentes adicionais durante 2023.  (foto/divulgação)