A crescente exploração de materiais compostos na impressão 3D representa uma tendência promissora. Está posicionada para superar as limitações dos métodos tradicionais, levando a economias significativas de custo e tempo dentro do setor de fabricação de compósitos.

Fundado em janeiro de 2021, o Instituto de Novos Materiais Industriais (Dezhou) dedica-se à pesquisa, desenvolvimento e comercialização de tecnologias relacionadas a materiais compostos marinhos, compósitos de comunicação 5G, processos de fabricação de compósitos avançados e equipamentos de alta tecnologia. Como uma “Instituição de P&D de Novo Estilo” provincial na China, o instituto se associa à INTAMSYS para liderar duas iniciativas na aplicação da tecnologia de impressão 3D para desenvolver e implementar peças de produtos compostos.

Fabricação Direta por Impressão 3D: Um Substituto para Processos Tradicionais de Moldagem de Materiais Compostos

O desenvolvimento de coletores de admissão para um motor de aeronave específico foi um projeto significativo no instituto. Coletores de admissão, componentes críticos dentro dos sistemas de motores, impactam diretamente o desempenho geral do motor. No entanto, sua estrutura complexa tem representado desafios durante o desenvolvimento, como dificuldades na fabricação de moldes, altos custos e o processo de soldagem por vibração demorado. Isso levou a prazos mais longos e redução na eficiência no desenvolvimento de produtos.

Para enfrentar esses desafios, o instituto embarcou em sua primeira tentativa de produzir coletores de admissão diretamente usando a tecnologia de impressão 3D FFF. Após pesquisar minuciosamente e avaliar diferentes marcas de impressoras 3D FFF com base no desempenho do material, capacidades do equipamento e suporte de serviço, o instituto escolheu a impressora 3D FUNMAT PRO 610HT da INTAMSYS e o material composto PEEK-CF para o desenvolvimento e aplicação do produto.

Como um equipamento de impressão FFF de alto desempenho, o FUNMAT PRO 610HT é principalmente projetado para imprimir materiais termoplásticos de alta temperatura, como PEEK, ULTEM e PPSU. Ele pode lidar com uma ampla gama de materiais termoplásticos disponíveis no mercado, incluindo materiais personalizados. Sua câmara de temperatura constante garante excelente desempenho ao imprimir materiais de alto desempenho. Com temperatura de aquecimento de duplo bocal de até 500°C e temperatura da câmara de 300°C, ele pode imprimir materiais de alta temperatura sem distorção, garantindo uma impressão sem falhas, enquanto derrete efetivamente a maioria dos termoplásticos.

O componente final impresso em 3D mede 218,4 × 216,4 × 95,4 mm. Desenvolvido em conjunto por especialistas do instituto e engenheiros da INTAMSYS, o design foi otimizado para fabricação (DfAM), e os processos de impressão foram ajustados para as seguintes melhorias:

• Redução de Peso em 30%: Com a parede mais fina do produto impresso medindo apenas 1,7 mm, em comparação com cerca de 3 mm para produtos de coletores de admissão moldados por injeção tradicionais, o peso da aeronave é significativamente reduzido.
• Precisão Dimensional: As dimensões da peça são controladas com precisão dentro de ±0,2 mm, garantindo a instalação precisa do coletor de admissão.
• Aumento da Resistência Mecânica em 30%: O produto demonstra uma resistência mecânica de 100 MPa, excedendo a de produtos de PA66-GF moldados por injeção tradicionais em mais de 30%.
• Resistência a Altas Temperaturas: Resistência a altas temperaturas por um longo período, atendendo plenamente aos requisitos de aplicação do cliente a 144℃.

Ao considerar a eficiência de fabricação, se esta peça fosse feita usando processos tradicionais de moldagem por injeção, exigiria custos de ferramentas de cerca de $27803, com um prazo de entrega de ferramentas de 45 dias. No entanto, com a tecnologia de impressão 3D, o produto pode ser fabricado de forma integrada como uma única peça, reduzindo os custos para apenas um décimo dos métodos tradicionais e encurtando o prazo de produção para apenas 4-7 dias.

Incorporando a Impressão 3D aos Processos Tradicionais: Um Novo Paradigma para a Fabricação de Materiais Compostos

Além de fabricar diretamente componentes de materiais compostos, a combinação da impressão 3D com técnicas tradicionais desbloqueia soluções para desafios com os quais os métodos convencionais lutam, garantindo desempenho ideal, eficiência de custo e vantagens de economia de tempo. Com essa estratégia inovadora em mente, o instituto colaborou com uma universidade doméstica líder para desenvolver um braço manipulador de materiais compostos robótico.

Inicialmente, a impressora 3D FUNMAT PRO 610HT foi utilizada para produzir de forma integrada a estrutura de suporte interna do braço manipulador usando material PEEK-CF. Este componente é reconhecido por seu grande tamanho, superfícies curvas, alta relação rigidez-peso e resistência específica excepcional. Essas qualidades demonstram a capacidade do equipamento de impressão para criar peças complexas de alto desempenho.

Posteriormente, o instituto aplicou um método de laminação pré-impregnada para envolver fibra de carbono ao redor da estrutura impressa em 3D. Esta abordagem resultou em um braço manipulador de material composto leve e robusto de forma rápida e acessível, contornando a necessidade de ferramentas de moldagem enquanto alcança resistência estrutural comparável às ligas de alumínio.

Além de integrar-se com processos de laminação pré-impregnada, a impressão 3D oferece um amplo potencial para se fundir com várias outras técnicas, incluindo a tradicional enrolamento de filamento, laminação automatizada e processos de moldagem por compressão.

A impressão 3D alcançou avanços tanto na fabricação direta de componentes de produtos quanto na integração com processos tradicionais, fazendo contribuições significativas para melhorar a eficiência e reduzir os custos na fabricação de produtos de materiais compostos. Através da colaboração com a INTAMSYS, o Instituto de Novos Materiais Industriais demonstrou sua força em inovação de engenharia, mostrando o imenso potencial da tecnologia de impressão 3D no design, fabricação e desenvolvimento de aplicações para produtos de materiais compostos.