Pesquisadores do Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia e da NASA imprimiram em 3D uma roda semelhante à do rover lunar robótico da NASA – mostrando o potencial da tecnologia para a criação de componentes especializados vitais para a exploração espacial.
A roda impressa em 3D foi baseada no design usado no Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (VIPER), um robô que a NASA pretende implantar em 2024 para mapear o gelo e outros recursos no pólo sul da Lua. A missão do VIPER ajudará os cientistas a compreender a origem, distribuição e capacidade potencial de captação da água da Lua para sustentar a habitação humana.
Embora o protótipo da roda não seja destinado à Lua, ele atende aos critérios de design das rodas VIPER da NASA. Outros testes avaliarão este projeto e seu método de fabricação para uso em futuras missões espaciais.
A manufatura aditiva, que pode reduzir o consumo de energia, o desperdício de materiais e o tempo de entrega, também oferece suporte a projetos complexos e permite a personalização das propriedades dos materiais. O Centro de Demonstração de Fabricação (MDF) do DOE, que liderou essa tecnologia por mais de uma década, desenvolveu o protótipo da roda em 2022, usando uma impressora 3D exclusiva. Esta impressora, grande o suficiente para acomodar uma pessoa, utiliza dois lasers sincronizados e uma placa de impressão giratória para derreter seletivamente o pó metálico na estrutura desejada. Ao contrário dos sistemas padrão de leito de pó metálico, este funciona continuamente, com os processos acontecendo simultaneamente.
“Isso aumenta drasticamente a taxa de produção com a mesma quantidade de potência do laser”, disse Peter Wang, que lidera o desenvolvimento de novos sistemas de fusão de leito de pó a laser em MDF, acrescentando que a deposição ocorre 50% mais rápido. “Estamos apenas arranhando a superfície do que o sistema pode fazer. Eu realmente acho que este será o futuro da impressão a laser em pó, especialmente em larga escala e na produção em massa.” Wang e os membros da equipe do projeto publicaram recentemente um estudo analisando a escalabilidade da tecnologia para impressão de componentes como motores elétricos.
Wang enfatizou que a singularidade da impressora é acompanhada pela experiência da equipe em automação e controle de máquinas. Os pesquisadores utilizaram o software desenvolvido pelo ORNL para dividir o design da roda em segmentos verticais – distribuindo uniformemente o trabalho entre os dois lasers – resultando em uma taxa de produção eficiente. Esta abordagem aproveita uma técnica computacional recentemente proposta para patenteamento.
A roda protótipo, composta por uma liga à base de níquel, mede 8 polegadas de largura e 20 polegadas de diâmetro – maior do que as peças normalmente impressas com sistemas de pó metálico. Usando a impressão 3D, a equipe conseguiu designs de aros complexos sem custos extras ou desafios de fabricação. Em contraste, as rodas do VIPER, que irão rolar na Lua em breve, passaram por numerosos procedimentos de fabricação e montagem – tornando-as complexas e trabalhosas.
“Muitos desses recursos de roda foram incluídos apenas para destacar o que você pode fazer com a fabricação aditiva”, disse Richard Hagen, engenheiro de projeto mecânico da NASA e gerente do laboratório de fabricação aditiva no Johnson Space Center da NASA, em Houston. “Ele permite implementar facilmente recursos de projeto que são difíceis de implementar com ferramentas tradicionais ou até mesmo com uma peça usinada tradicionalmente.”
Se a roda impressa em 3D corresponder à robustez das rodas construídas tradicionalmente, os futuros rovers poderão optar por este aro de roda impresso individualmente, que levou apenas 40 horas para ser produzido no ORNL. O processo de impressão 3D introduziu recursos como paredes laterais angulares, formas abauladas e bandas de rodagem onduladas – melhorando a rigidez das rodas.
No entanto, existem limitações. A impressora funciona apenas com materiais específicos – fazendo com que a roda impressa em 3D seja 50% mais pesada que a de alumínio da VIPER quando impressa com espessura semelhante.
A NASA pretende testar o desempenho desta roda impressa em 3D em um rover, seja no Johnson Space Center da NASA ou em uma instalação de testes especializada – avaliando várias métricas de desempenho.
Estações de pesquisa tripuladas colocadas na Lua como parte do Programa Artemis da agência precisarão de capacidade de fabricação fora do planeta. “Ser capaz de construir peças no espaço para reparos será importante, porque você simplesmente não consegue levar peças sobressalentes suficientes”, disse Hagen. “Pó, pellets ou filamento para impressão são muito mais fáceis de embalar e permitiriam mais flexibilidade.”
“A fabricação aditiva oferece a flexibilidade de que, se você tiver a matéria-prima, poderá fabricar qualquer peça de reposição necessária, seja no espaço ou na Terra”, disse Brian Gibson, pesquisador que liderou o projeto da roda do rover para o ORNL. Esta é a razão pela qual a fabricação aditiva gerou um interesse significativo para uma série de necessidades de substituição, desde ferramentas de fabricação rápida até peças fundidas e forjadas de difícil obtenção. Para a exploração espacial e habitação, as impressoras 3D poderiam eventualmente usar material local da Lua ou de Marte como matéria-prima. Para saber mais acesse o site.
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