Manufatura para decolagem

Vimos vários saltos gigantescos para a humanidade nos últimos anos. A missão JUpiter ICy moons Explorer (JUICE) da Agência Espacial Europeia foi lançada em abril de 2023 e deve chegar ao Sistema Joviano em 2030. Em seguida, levará três anos e meio para observar as três luas de Júpiter. Cerca de 100 lançamentos também estão planejados pela SpaceX este ano  e o OSIRIS-Rex da NASA retornou recentemente à Terra em setembro de 2023. E isso é apenas um punhado de projetos recentes, atuais e futuros que visam nos ajudar a saber mais sobre nossa galáxia. 

Garantir o sucesso entre as estrelas requer muitas considerações. Seja por meio de um planejamento completo da missão, simulação rigorosa, gerentes de missão qualificados ou planejamento de contingência eficaz, uma viagem espacial bem-sucedida exige planejamento, preparação e execução cuidadosos. Além disso, os materiais usados em aplicações espaciais devem resistir a algumas das condições mais extremas que se possa imaginar, como vácuo, radiação, ciclos térmicos e impactos de micrometeoroides.

Materiais resistentes

A construção de qualquer coisa destinada ao espaço envolve uma série de considerações sobre materiais para garantir sua segurança, desempenho e funcionalidade em condições extremas. Estruturalmente, os materiais devem suportar as altas pressões e tensões sofridas durante o lançamento e em voo. A espaçonave também enfrentará calor intenso durante a reentrada na atmosfera terrestre e, portanto, os materiais externos devem funcionar para evitar que o veículo se queime, enquanto outras peças, como os bocais de foguete, também devem ser feitos de materiais resistentes ao calor. 

O peso também é uma consideração, especialmente para elementos como tanques de propelente de foguete, em que um tanque mais leve pode suportar melhor as tensões estruturais e ajudar na capacidade de carga útil. Quanto mais pesado for o foguete, menor é a carga útil, incluindo satélites, instrumentos científicos e tripulação, que ele pode levar ao espaço. Tanques mais leves permitem que uma parte maior do peso total do foguete seja alocada para a carga útil, maximizando os recursos da missão.

Entre os materiais mais populares para essas aplicações estão as superligas resistentes ao calor (HRSAs). Esses materiais são vantajosos para o espaço devido à sua excepcional capacidade de suportar condições adversas. Entretanto, sua resistência também traz desafios de usinagem.  

Os HRSAs são projetados para suportar temperaturas extremas, tensões mecânicas e ambientes corrosivos e são usados principalmente em aplicações em que os materiais convencionais falhariam devido às suas limitações em condições extremas. Capazes de manter suas propriedades mecânicas e integridade estrutural em temperaturas muito altas, muitas vezes superiores a 1.000 °C (1.832 °F), e com excelente resistência à fluência e boa estabilidade térmica, os HRSAs são usados em peças como lâminas de turbina, bocais de exaustão e câmaras de combustão.

Porém, as superligas resistentes ao calor têm suas limitações, principalmente do ponto de vista da usinagem. Embora os materiais sejam compostos metalurgicamente para manter suas propriedades quando expostos a temperaturas extremas, isso também significa que as tensões geradas durante a usinagem desses materiais são altas. A capacidade exclusiva dessas superligas à base de níquel de funcionar próximo ao seu ponto de fusão também lhes confere uma usinabilidade geralmente ruim.

Outro material importante usado para peças espaciais é o titânio. Um metal leve com uma densidade cerca de metade da do aço, o titânio ajuda a reduzir o peso total das espaçonaves, o que por sua vez resulta em maior eficiência de combustível e capacidade de carga útil. Ele também é altamente resistente à corrosão e tem excelente resistência ao oxigênio atômico, o que torna o titânio ideal para aplicações em órbita terrestre baixa, onde sua camada de óxido pode oferecer proteção contra essa forma extremamente reativa de oxigênio. 

No entanto, essas vantagens também tornam o titânio difícil de usinar. As ferramentas de corte precisam ser afiadas, manter a aresta e ser incrivelmente resistentes ao desgaste para combater a alta resistência do material, enquanto sua baixa condutividade térmica em comparação com metais como aço comum ou aço inoxidável pode levar ao acúmulo de calor durante a usinagem, o que pode resultar em desgaste prematuro da ferramenta. 

Considerações sobre usinagem

A usinagem de superligas resistentes ao calor exige ferramentas e técnicas especializadas - então, o que a egenharia espacial precisa considerar? Primeiro, eles devem pensar no material de suas ferramentas de corte. Embora o metal duro seja o material predominante, outros materiais também estão disponíveis, como cerâmica para desbaste e nitreto cúbico de boro (CBN) para acabamento de HRSAs e diamante policristalino (PCD) para acabamento em ligas de titânio. As coberturas e a geometria da ferramenta são outras considerações importantes. Estes materiais têm tendência a serem cisalhados, então uma geometria mais afiada geralmente é uma opção melhor para não gerar calor durante a usinagem. É preferível usar coberturas finas e resistentes. Em geral, a deposição física de vapor (PVD) é a primeira escolha para os materiais HRSA; no entanto, em aplicações de torneamento de titânio, a classe sem cobertura é recomendada como primeira escolha.

Normalmente, os HRSAs são usinados em velocidades de corte (rpm) mais baixas em comparação com os materiais convencionais para evitar o acúmulo excessivo de calor e o desgaste por entalhe. O ajuste das taxas de avanço e das profundidades de corte também desempenha um papel fundamental na manutenção de uma usinagem eficiente. A estratégia de refrigeração correta também é crucial devido à quantidade de calor que os HRSAs e o titânio geram durante a usinagem. A refrigeração de alta pressão frequentemente é empregada para ajudar a quebrar os cavacos e dissipar o excesso de calor. Os fabricantes também devem priorizar o monitoramento do desgaste da ferramenta para prever a falha da ferramenta e reduzir a chance de falha da pastilha, que pode danificar uma peça cara. 

Um método recomendado pela Sandvik Coromant para a usinagem de peças aeroespaciais é o fresamento lateral de alto avanço. A técnica envolve uma pequena área de contato radial com a peça, o que permite maiores velocidades de corte, maiores taxas de avanço e profundidades de corte axiais com menos calor e forças radiais menores. Para respaldar esse método, a Sandvik Coromant desenvolveu a CoroMill Plura HFS, a linha de fresamento lateral de alto avanço. A linha apresenta uma série de fresas de topo com geometrias e classes exclusivas e é composta por duas famílias de fresas de topo. Uma família é otimizada para ligas de titânio e a outra, para ligas de níquel.

Requisitos exclusivos

Embora o titânio e os HRSAs sejam materiais cruciais na corrida espacial, os especialistas também estão constantemente inovando seus próprios materiais. Em uma tentativa de alcançar novos patamares espaciais antes de seus concorrentes, a maioria das organizações que operam no campo também desenvolve sua própria e exclusiva mistura de materiais para obter uma vantagem.

O conteúdo desses materiais geralmente é mantido em sigilo - podem ser ligas de titânio, materiais ablativos, compostos de carbono-carbono ou algo totalmente diferente. Além dos próprios engenheiros da espaçonave, os segredos de sua mistura de materiais também serão revelados ao fornecedor das máquinas-ferramentas.

No caso da Sandvik Coromant, nossa experiência em explorações espaciais se estende por todo o mundo e inclui várias equipes dedicadas de P&D encarregadas de aconselhar sobre as melhores ferramentas e técnicas para o trabalho. Quando um cliente entra em contato com a Sandvik Coromant, a equipe trabalha com ele para descobrir a solução de usinagem para suas necessidades de material. Isso pode envolver testes em um local seguro, consultoria na seleção de ferramentas e aconselhamento sobre metodologias de usinagem. 

Os riscos são altos no desenvolvimento de peças destinadas ao espaço sideral. Até mesmo a menor falha na qualidade pode impedir que uma missão decole, portanto, é preciso tomar muito cuidado em cada etapa do processo de manufatura. Isso inclui os materiais selecionados para cada peça e como eles são usinados. Para obter sucesso entre as estrelas, é importante que os fabricantes considerem um equilíbrio entre os materiais resistentes e os desafios de usinagem que eles trazem. Ter acesso ao conhecimento correto de usinagem e a ferramentas robustas é fundamental para dar o próximo grande salto.