Há muito tempo, os humanos se interessam pela biomimética como uma abordagem para projetar materiais e sistemas mais eficientes. Embora algumas tentativas iniciais não tenham tido tanto sucesso — como a máquina voadora humana inspirada em pássaros de Da Vinci — outras foram inovadoras. É o caso do BionicBee, um objeto voador em miniatura desenvolvido pela Festo, especialista em automação.
O BionicBee é uma microaeronave notável por sua natureza autônoma, bem como por sua capacidade de navegar em espaços estreitos e complexos, além de ser operado como parte de um enxame. Com envergadura de 240 milímetros e peso de apenas 34 gramas, o objeto voador é atualmente o menor objeto voador na Rede de Aprendizado Biônico da Festo, um feito que teve seus desafios, mas que foi finalmente possível graças à tecnologia de Resolução Fina de Detalhes (FDR) da EOS.
Conceituando o BionicBee
“O BionicBee nasceu da Rede de Aprendizagem Biônica da Festo, que explora soluções de engenharia inspiradas na natureza para enfrentar desafios do mundo real”, explicou Mattias Speckle. “Neste caso, a ideia era repensar o voo autônomo estudando a extraordinária agilidade e eficiência de uma abelha na natureza.”
As abelhas possuem uma forma única de voar, que lhes permite mover-se rapidamente entre as flores para coletar néctar e pólen. Seu movimento é caracterizado por batimentos curtos e rápidos das asas e por uma rotação das asas. Em combinação com músculos de voo fortes, essa abordagem permite que as abelhas voem eficientemente com asas relativamente pequenas em comparação com o tamanho do seu corpo.
“Em vez de desenvolver um drone convencional, a equipe se propôs a projetar uma microaeronave que imitasse a estrutura leve e altamente manobrável de uma abelha — com o objetivo de possibilitar comportamentos de enxame para aplicações em ambientes complexos”, continuou Mattias. “O projeto também foi uma forma de expandir os limites do design e da fabricação para demonstrar o que é possível quando os princípios biológicos se encontram com a engenharia avançada.”
Encontrando a solução certa
Ao projetar o microobjeto voador autônomo, a equipe da Festo precisou encontrar o equilíbrio ideal entre obter uma estrutura pequena e leve, mantendo a durabilidade e a funcionalidade. A equipe também precisou criar uma estrutura que pudesse permanecer compacta e, ao mesmo tempo, abrigar diversos componentes, incluindo um motor sem escovas, três servomotores, uma caixa de engrenagens, uma bateria e diversas placas de circuito.
Sem surpresa, a manufatura aditiva rapidamente se tornou uma solução clara para a Festo no desenvolvimento do BionicBee. “Logo no início do processo de desenvolvimento, ficou claro que a manufatura aditiva seria essencial”, acrescentou Mattias. “Os requisitos de design do BionicBee — uma estrutura ultraleve, porém robusta, com geometrias extremamente finas e complexas — simplesmente não poderiam ser atendidos usando métodos de fabricação convencionais. A necessidade de abrigar múltiplos componentes eletrônicos em um corpo incrivelmente pequeno e leve exigiu uma estrutura de treliça otimizada que seria quase impossível de produzir sem a manufatura aditiva.”
No início, porém, a equipe teve dificuldades para atingir as métricas corretas em termos de resistência, flexibilidade e resolução usando a sinterização seletiva a laser (SLS) convencional. “A SLS convencional simplesmente não conseguia fornecer as estruturas ultrafinas e de alta resolução necessárias para equilibrar peso mínimo com resistência suficiente. Essas limitações deixaram claro que uma solução diferente era necessária”, disseram.
Essa solução veio na forma da impressora 3D FORMIGA P 110 FDR da EOS, baseada na tecnologia Fine Detail Resolution da empresa. A impressora 3D de polímero à base de pó é equipada com um laser de CO2 com feixe ultrafino (metade do diâmetro do SLS padrão), possibilitando a impressão de componentes de nylon resistentes com precisão dimensional de +/- 40 µm e espessura mínima de parede de 0,22 mm.
Dando vida ao enxame
Ao trabalhar em estreita colaboração com o parceiro de fabricação austríaco 1zu1 e aproveitar a solução FDR da EOS, a Festo finalmente conseguiu imprimir com sucesso a estrutura do BionicBee, atingindo os padrões necessários em todas as frentes em termos de resistência, capacidade e peso mínimo.
A estrutura do objeto voador em questão foi impressa em 3D a partir de PA 1101, um nylon derivado do óleo de rícino conhecido por sua alta resistência ao impacto e estabilidade térmica. A equipe da Festo Bionic também otimizou a estrutura usando modelagem orientada por algoritmos, o que possibilitou uma redução impressionante de 85% no peso da peça, de 20 para apenas 3 gramas, sem comprometer o desempenho.
Além disso, o uso da manufatura aditiva no desenvolvimento do projeto permitiu que a equipe da Festo cumprisse os prazos e testasse várias versões da estrutura do objeto voador sem prolongar os prazos de entrega. “A impressão 3D permitiu ciclos de iteração rápidos, o que foi crucial considerando o cronograma apertado do projeto”, disse Mattias. “Desde o início, a Festo viu a manufatura aditiva não apenas como uma opção, mas como um facilitador de todo o conceito.”
No final, a Festo criou com sucesso um microobjeto voador inspirado em abelhas, com a capacidade de bater as asas a uma frequência de 15 a 20 hertz e quatro graus de liberdade de batimento. Isso dá ao objeto voador a capacidade de manobrar em espaços apertados e a agilidade para voar em enxame — algo que a Festo demonstrou com um enxame sincronizado de 20 unidades.
“O BionicBee se tornou uma vitrine do que é possível com AM de alta resolução em design leve”, acrescentou Mattias. “O sucesso deste projeto abre muitas outras oportunidades — desde robótica aérea avançada e microobjetos voadores até qualquer aplicação onde a redução de peso, estruturas complexas e iteração rápida sejam cruciais. Em particular, a capacidade demonstrada de reduzir o peso do quadro em 85%, mantendo a integridade estrutural, sugere um enorme potencial para outras aplicações aeroespaciais, automotivas e até médicas que exigem componentes precisos, duráveis e ultraleves.”
“A colaboração também mostrou como a FA pode encurtar os prazos de desenvolvimento, tornando-a atraente para indústrias orientadas pela inovação que buscam passar rapidamente do conceito ao protótipo funcional e à produção”. Para saber mais sobre o modelo acesse o site.
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