DefesaNet - Tecnologia Disruptiva - Prospecção tecnológica em Impressão 3D nas Forças Armadas da Holanda nos teatros de operações militares
14 de Abril, 2021 - 20:15 ( Brasília )
Prospecção tecnológica em Impressão 3D nas
Forças Armadas da Holanda nos teatros de operações militares
Drª Fernanda Corrêa*
Coordenadora – Departamento de Ciência, Tecnologia & Inovação
Secretaria de Produtos de Defesa/Ministério da Defesa
Pós-doutoranda em Modelagem de Sistemas Complexos (EACH/USP)
Pós-doutora em Ciências Militares (ECEME)
A Manufatura Aditiva (AM) é processo de criação de objetos tridimensionais (3D) a partir de modelos digitais por meio da deposição sequencial de material em camadas. Diversos países desenvolvidos, sobretudo, os EUA, a fim de solucionar questões materiais urgentes de logística têm instalado impressoras 3D em laboratórios móveis nos teatros de operações militares para produzir mais rapidamente protótipos desenvolvendo e produzindo peças sobressalentes e produtos de reposição. Embora a impressão tridimensional, sobretudo, de peças duráveis de plástico, esteja consolidada como tecnologia disruptiva, a impressão 3D em metal ainda está em processo de estudo e testes.
Nestes últimos anos, as tecnologias de impressão 3D vêm inovando e revolucionando a condução das guerras. Diferente de outros processos de manufatura aditiva, como sinterização direta a laser de metal (DMLS) e fusão seletiva a laser (SLM), a impressão 3D eletroquímica, por exemplo, cria estruturas metálicas por meio da redução eletroquímica de íons metálicos de soluções em substratos condutores à baixo custo. Uma das principais vantagens desta nova técnica é que uma ampla gama de materiais e ligas podem ser depositadas em condições ambientais sem danos térmicos e que pode ser aditiva e subtrativa por meio da reversão do potencial, permitindo a reciclagem de componentes por meio da dissolução eletroquímica.
Em artigo intitulado A Low Cost Desktop Electrochemical Metal 3D Printer publicado na revista Advanced Materials Technologies em agosto de 2017, os autores Xiaolong Chen, Xinhua Liu, Peter Childs, Nigel Brandon e Billy Wu, grupo de engenheiros do Imperial College London, propõem um novo projeto de impressora 3D eletroquímica que imprime peças de cobre mais rapidamente que versões mais antigas por meio de uma abordagem de confinamento de menisco através de um mecanismo mecânico de arrastamento de eletrólito. Neste novo modelo de impressora 3D eletroquímica de baixo custo e mais veloz, as estruturas de cobre impressas exibem uma natureza policristalina com tamanho reduzido, potencial aumentado, e resistência eletrônica maior.
Em 2017, a Boeing anunciou a produção de peças estruturais em titânio impressas em 3D em parceria com a empresa norueguesa de manufatura aditiva Norsk Titanium US Inc. (Norsk) para a construção do avião a jato 787 Dreamliner. O titânio é responsável por cerca de 17 milhões dos 265 milhões de dólares em custos de produção deste modelo de aeronave. Por meio do processo de rápida deposição de plasma frio a partir do gás argônio (RPD), a Norsk imprime peças 3D reduzindo as propriedades de matéria-prima do titânio em mais de 40 por cento. Além de manter o controle de processo da impressão 3D em RPD rigoroso, a Norsk mantém as propriedades do material necessárias às aplicações estruturais nas aeronaves da Boeing e de outros clientes.
O Ministério da Defesa e o Exército Real Holandês decidiram criar um programa de conscientização e possíveis aplicações da impressão 3D nas demais Forças Armadas do País. A fim de cumprir esta missão, o Exército Real Holandês solicitou ao Additive Manufacturing Expertise Center (AMEC) para executar o Programa de Aplicação em 3D e criar consciência sobre as possibilidades de emprego, treinar pessoal e identificar empregos reais a fim de aumentar a adaptabilidade e melhorar a implementação por meio de brainstorms, workshops interativos e lançamento de desafios de engenharia que tornassem possível a identificação de diversas aplicações militares em impressão de metais e polímeros em 3D. Na Figura 1 é possível identificarcomo o Ministério da Defesa buscou conscientizar as Forças Armadas sobre a importância das aplicações 3D e dos armazéns de digitalização na otimização de processos de gestão e gerenciamento e contornar a cadeia logística na fabricação de peças de sobressalentes nas três Forças Armadas holandesas.
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Figura 1: Infográfico sobre o Programa de Aplicação em 3D nas Forças Armadas da Holanda
Fonte:Ministério da Defesa holandês
Trata-se de uma grande mudança na forma de pensar toda a cadeia de suprimentos e valor, incluindo todos os pré-requisitos. A ideia com este Programa é, dentro de um processo de Transformação Organizacional da Defesa, orientar uma mudança de mentalidade cultural nas Forças Armadas a fim de, principalmente, contornar problemas na cadeia logística dentro das organizações militares e em toda a cadeia de abastecimento, tornar as unidades operacionais as mais autossustentáveis ??possíveis em missões militares, influenciar a cadeia de suprimentos na transiçãode estoques físicos para armazéns digitais, reduzir o custo de produção e de aquisição de material de defesa e otimizar processos de gestão, gerenciamento e de engenharia.
Tanto a Marinha quanto o Exército da Austrália testaram a impressora 3D de metal da empresa Spee3D para a produção de peças in loco. A título de exemplificação, a Spee3D é capaz de imprimir hélices de bronze de alumínio, material resistente à corrosão na água do mar e naturalmente anti-incrustante, em 3D em dezesseis minutos tornando-o ideal para aplicações navais. A empresa tem projetos em desenvolvimento para produzir no futuro próximos peças de cobre tungstênio, cromo de cobre e 316L de aço inoxidável em impressoras tridimensionais.
Desde o início do ano de 2017, a Marinha Real Holandesa tem buscado armazenar digitalmente e substituir aproximadamente 30.000 peças sobressalentes de manutenção e reparo desgastadas ou danificadas e promover modificações em componentes já embarcados de seis fragatas e 23 navios adicionais, desde navios de patrulha a submarinos e caçadores de minas, com impressão tridimensional conforme demanda. Esta Força decidiu investir em tecnologias 3D de alto desempenho a bordo de seus navios de empresas como a Artec e a Intamsys, a fim de aprimorar suas capacidades de fabricação de peças sobressalentes sob demanda, ser menos dependente de suas cadeias de suprimentos convencionais, reduzir estoques físicos, o peso destas peças sobressalentes e o tempo de paralisações operacionais. Da Artec, a Marinha Real Holandesa adquiriu scanners de luz estruturados portáteis Artec Eva e Spider 3D.Da Intamsys, a Marinha Real Holandesa adquiriu sistema FUNMAT HT 3D, capaz de imprimir materiais funcionais de alto desempenho como PEEK, ULTEM e PPSU, e dois sistemas FUNMAT Pro 410 3D, capaz de imprimir grande variedade de materiais de alto desempenho, como PEEK, PEEK-CF, PEKK, ULTEM e PPSU, e materiais de engenharia com grande volume de construção, como PA, PA-CF, PC e ABS.
O laboratório de impressão tridimensional do Departamento de Manutenção da Marinha Real Holandesa denominado Centro Especializado de Manufatura Aditiva (ECAM) desenvolveu modelos modulares do Contêiner de Fabricação de Aditivos para Defesa (AMCOD) para abrigar estes sistemas de impressoras 3D da Intamsys. O AMCOD é um hub de reparo móvel na forma de contêiner de transporte projetado para ser instalado em qualquer navio da Marinha Real Holandesa equipado com ar condicionado, ventilação e uma fonte de alimentação ininterrupta para a produção de peças de polímero 24 horas por dia, independentemente das condições ambientais a bordo do navio.
Figura 2: Contêiner de Fabricação de Aditivos para Defesa (AMCOD)
Fonte: Intamsys
As Forças Aéreas em geral operam grande variedade de helicópteros, caças e aviões de carga com peças exclusivas e encomendadas sob medida, muitas vezes de difícil disponibilidade no mercado. A Divisão de Resultados de Inovação Ambiciosa da Real Força Aérea Holandesa criou o MakAIRsJop, espaço específico de inovação aberta para obter e compartilhar conhecimento em técnicas de fabricação, como corte a laser e impressão 3D, que por meio de brainstorming, workshops etc, interagem com alunos da Koninklijke Militaire School Luchtmacht (Academia da Real Força Aérea Holandesa) e engenheiros de manutenção base militar em Woensdrecht para encontrar soluções inovadoras viáveis para visualizar novas oportunidades para melhorar a velocidade e a eficiência da manutenção de meios de defesa aéreos.
Motores a jato quando transportados, por exemplo, exigem coberturas com tampas especiais. A Real Força Aérea Holandesa passou a produzir estas tampas por meio de impressoras tridimensionais da empresa Ultimaker em apenas duas horas. Certas peças de helicópteros são difíceis de configurar quando são instaladas. Usando estas peças impressas em 3D, a Força Aérea tem conseguido realizar ajustes antes de montá-las nos helicópteros economizando várias horas para equipes por aeronaves.
Figura 3: Modelo de impressora 3D Ultimaker S5
Fonte:Ultimaker
Conforme Figura 3, é possível vislumbrar o modelo de impressora 3D Ultimaker S5 utilizado pela Real Força Aérea Holandesa. A implementação bem-sucedida de modelos mais simples de impressão 3D nesta Força tem impulsionado a organização a expandir esta tecnologia em toda sua cadeia de produção de aeronaves e a adotar o modelo inovador de impressora 3D Ultimaker S5 para produzir peças maiores com materiais novos e mais avançados, sobretudo, para atender aos requisitos do seu programa de caças de quinta geração.
Desde abril de 2015, a Holanda participa da Missão da ONU no Mali (MINUSMA) em apoio a operação internacional liderada pela França na tentativa de restaurar a segurança e a estabilidade neste país africano contra grupos extremistas. Dentre as diversas dificuldades levantadas pelo Exército Real Holandês no Mali, se encontrava a dificuldade em substituir peças de sobressalentes desgastadas dos veículos Fennek pelo clima do deserto em tempo hábil. Para reduzir os prazos de entrega, o Exército Holandês criou um Centro AM (Manufatura Aditiva) para atender às necessidades de impressão 3D da organização. O Exército holandês precisava garantir uma substituição de grades na parte traseira dos veículos Fennek. Após seguidas colisões, diversas peças que compõem essas gradesconstantemente expostas à vibrações e calor sofreram danos. O Comando de Logística de Estoque de Materiais (MATLOGCO) do Exército Real Holandês entre outras peças, produziu o projeto piloto de uma grelha sob demanda usando impressão 3D para manter o veículo Fennek operacional com a empresa DiManEx.
Após o sucesso da empreitada, esta mesma empresa em parceria com unidades de defesa do Exército Real e com a Organização Holandesa de Pesquisa Científica Aplicada (TNO), iniciou-se a impressão de outras peças de reposição para os veículos Fennek. Este tipo de veículo foi projetado, principalmente, para reconhecimento, no entanto, o Fennek também desempenha papel de comando e controle, de apoio de fogo e de defesa aérea. Na Figura 3 é possível visualizar itens impressos que foram produzidos em diferentes tipos de impressoras 3D, utilizando um conjunto diversificado de materiais, incluindo alumínio, aço e plásticos para os veículos Fennek do Exército Real Holandês. A participação da Holanda na MINUSMA durou de abril de 2014 a maio de 2019.
Figura 4:Peças Fennek impressas em 3D
Fonte:DiManEx
Figura 5: Veículo sobre roda tipo Fennek em operação no Mali como parte da MINUSMA
Fonte: Ministério da Defesa da Holanda
Em maio de 2018, o MATLOGCO do Exército Real Holandês assinou uma carta de intenção para cooperar com a empresa DiManEx na implantação da Manufatura Aditiva em toda a sua cadeia de suprimentos. Em uma primeira etapa, a plataforma da DiManEx, prospecta junto as Forças quais peças são mais adequadas para impressão 3D, seja do ponto de vista comercial ou técnico. Em um segundo momento, desenhos em 2D são convertidos em um modelo digital. Após a organização aprovar as peças, elas são inseridasem nuvem na plataforma do armazém digital, onde as peças podem ser impressas diretamente nas próprias impressoras da organização ou na própria rede da plataforma da DiManEx.
O Exército Real Holandês e a plataforma DiManEx já dispõem juntos de 20.000 peças transferidas em nuvem para armazéns digitais a fim de, em momento oportuno, serem impressas. Uma das principais vantagens da impressão 3D para as Forças Armadas é que elas não precisam mais realizar a quantidade mínima de encomenda, reduzindo assim economia nos custos de aquisições, aumentando a sustentabilidade da organização, evitando a obsolescência e substituindo peças em desuso, muitas vezes por décadas. Essa iniciativa se enquadra no escopo da Iniciativa de Manutenção da Terra do Exército Real Holandês.
As peças produzidas pelas impressoras 3D da DiManEx com peso acima de 100 gramas têm diferentes requisitos de prevenção de incêndio. As peças de plástico, por exemplo, devem ser resistentes ao fogo. ?Dentro de padrões rigorosos de garantia de qualidade, o Exército Real Holandês junto com o Centro do Exército de Manufatura Aditiva e a DiManEx identificaram oportunidades de usar plástico reciclado em matéria-prima para impressão 3D de filamentos a fim de solucionar questões referentes ao fornecimento de peças de reposição de forma ainda mais sustentável e se aproveitando de materiais do próprio local do ambiente operacional. A DiManEx em atendimento a uma demanda do Exército Real Holandês prospectou uma solução tecnológica em impressão 3D que contribuiu para evitar a obsolescência, eliminar o fator problemático de logística, reduzir o custo total do produto e impulsionar a sustentabilidade ao reduzir o desperdício de tempo e os quilômetros percorridos.
Indubitavelmente, empresas como a Norsk, a Artec, a Intamsys, a Spee3D e DiManEx, que se diferenciam no mercado de defesa têm condições de competir no mercado com empresas gigantes que são tradicionalmente fornecedoras para as Forças Armadas. A prospecção tecnológica contribui para que as organizações disponibilizem no mercado novos produtos, implantem novos métodos e processos de produção, apontem tecnologias emergentes e gaps existentes em programas e projetos, implementem novas culturas organizacionais, obtenham novas fontes de matéria-prima e/ou recursos estratégicos (humanos, materiais e tecnológicos), explorem novos mercados, criem novas estruturas de mercado em uma indústria, auxiliem na priorização de investimentos em Pesquisa & Desenvolvimento, no aumento de lucros empresariais e na redução do custo de da produção e da própria aquisição de defesa.
O maior diferencial das empresas citadas, como é possível observar, é que, se utilizando de ferramentas e métodos de prospecção tecnológica em impressão tridimensional, tem conseguido auxiliar tomadores de decisão das Forças Armadas Holandesas na redefinição de prioridades em termos logísticos, econômicos, gerenciais e sustentáveis, respectivamente, tornando as organizações militares menos dependentes de cadeias de suprimentos convencionais, reduzindo o custo de produção de produtos de defesa, otimizando processos de gestão de programas e projetos e reaproveitando e/ou aprimorando as propriedades de matérias-primas por meio de técnicas e processos que empregam outras tecnologias de forma integrada, como a deposição rápida de plasma frio a partir do gás argônio em titânio.
A impressão 3D eletroquímica tem muito a evoluir e não são tão hipoteticamente futuristas ou irreais cenários em que empresas 3D ou mesmo Forças Armadas produzam armas pesadas de alto desempenho, como caças, submarinos ou veículos sobre rodas, integralmente, a partir de tecnologias eletroquímicas de manufatura aditiva a baixo custo, em alta velocidade e/ou com matérias-primas cujas propriedades são recicladas ou aprimoradas a partir do emprego de técnicas, processos e tecnologias integradas nos teatros de operações. A expectativa é que, na guerra do futuro, ferramentas e métodos de prospecção tecnológica, cada vez mais orientem empresas e organizações militares a desenvolver soluções logísticas, econômicas, gerenciais e mais sustentáveis em tecnologias 3D para produzir munições, bombas inteligentes e armas leves e pesadas nos teatros de operação.