Carros Impressos em 3D são Possíveis? Novos Desenvolvimentos Lançam Luz sobre uma Resposta

A impressão 3D capturou a imaginação de uma variedade de indústrias em todo o mundo. Também conhecida como manufatura aditiva, a impressão 3D tem sido corretamente chamada de uma das tecnologias mais definidoras de nosso tempo. Ao contrário das tecnologias de manufatura tradicionais, trata-se de um método que pode construir objetos 3D de quase qualquer tipo em camadas. Para isso, a tecnologia utiliza design assistido por computador (CAD) e uma ampla gama de materiais, como metal, plástico, concreto ou papel.

A versatilidade que oferece aos fabricantes globais para otimizar custos e tempos em seus fluxos de produção a torna uma candidata principal para adoção exponencial em breve. Segundo estimativas, o tamanho global do mercado de produtos e serviços de impressão 3D pode crescer de US$12,6 bilhões em 2020 para US$37,2 bilhões em 2026. Até 2030, o número de dispositivos de manufatura aditiva e impressão 3D no mundo pode chegar a 2,8 milhões.

Tal crescimento forte tornaria a impressão 3D praticamente ubíqua. Portanto, todos estão se perguntando: a impressão 3D pode se tornar adequada para o setor automotivo, uma indústria onde a precisão de fabricação é imensamente valorizada e apreciada? Em termos mais diretos, é possível imprimir carros em 3D? Discutiremos as possibilidades nos segmentos a seguir.

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Avanço da Universidade de Tohoku na Técnica de Impressão 3D Multi-Material

O Instituto de Pesquisa de Materiais e o Centro de Criação de Nova Indústria da Universidade alcançaram algo de ponta. Os pesquisadores demonstraram o processo para criar uma peça automotiva leve, porém durável por meio de uma técnica de impressão 3D multi-material.

Fonte: Tohuku University

Aqui, precisamos analisar mais de perto o fenômeno das técnicas de impressão 3D multi-material. Estruturas multi-material, como o nome sugere, combinam estrategicamente diferentes materiais para desempenho ótimo de um componente. Mais importante, elas podem ser criadas por impressão 3D.

Ao explicar o surgimento dessa técnica, o Professor Associado Kenta Yamanaka da Universidade de Tohoku disse:

“Multi-materials são um tema quente no campo da manufatura aditiva devido à sua flexibilidade de processo.”

Entretanto, ele também mencionou as limitações da tecnologia. Segundo ele:

“Para certas combinações de metais, como aço e alumínio, podem se formar compostos intermetálicos frágeis nas interfaces de metais diferentes. Assim, embora o material agora seja mais leve, acaba sendo mais frágil.”

O aspecto mais relevante dessa pesquisa foi que os cientistas tentaram resolver esse gargalo produzindo uma liga aço-alumínio que – apesar de leve – não comprometia a resistência.

O objetivo foi alcançado usando Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), uma das principais tecnologias de impressão 3D de metal que emprega um laser para fundir seletivamente pós metálicos. Os pesquisadores descobriram que aumentar a velocidade de varredura do laser poderia suprimir significativamente a formação de compostos intermetálicos frágeis (como Al5Fe2 e Al13Fe4). Propuseram que essa velocidade maior poderia levar ao que chamam de solidificação fora do equilíbrio, minimizando a partição de soluto que resultava em pontos fracos no material. O resultado final foi um produto com interfaces de ligação fortes.

Ao elaborar o valor de compreender esse mecanismo de liga in situ, o Professor Assistente Seungkyun Yim, da Universidade de Tohoku, afirmou:

“Em outras palavras, você não pode simplesmente juntar dois metais e esperar que eles adiram sem um plano.”

Embora as descobertas dos pesquisadores da Universidade de Tohoku pareçam técnicas e avançadas, elas têm grandes implicações no campo aplicado da fabricação automotiva. Em resumo, os pesquisadores puderam prototipar o primeiro componente automotivo multi-material em escala real (torre de suspensão) com geometria sob medida. No futuro, os achados podem impactar outras combinações de metais onde questões semelhantes de ligação precisam ser aprimoradas.

Embora essa pesquisa abra novos horizontes para a indústria automobilística, o uso da impressão 3D nessa área não é novo.

Clique aqui para saber como a impressão 3D está se consolidando no futuro da manufatura.

Impressão 3D para Prototipagem Mais Rápida e Componentes ou Peças Redesenhadas

Especialistas da indústria dizem que a impressão 3D já foi usada para acelerar a criação de protótipos, redesenhar peças e componentes selecionados e até substituí‑los. Mas, com o tempo, o uso da impressão 3D avançou além de seu domínio inicial, passando a produzir protótipos e peças de acabamento personalizadas de baixo volume em alguns veículos atuais.

De acordo com Robert Wilig, diretor executivo, CEO, SME, anteriormente Society of Manufacturing Engineers:

“À medida que a indústria automotiva avança para plataformas híbridas ou até mesmo veículos eletrificados focados em leveza, a manufatura aditiva se encaixa perfeitamente porque permite maneiras realmente eficientes de criar designs eficientes.”

Em vez de três partes, que poderiam ser o requisito anteriormente, a impressão 3D agora possibilita otimizar o design em uma única peça, colocando material apenas onde necessário para torná‑la mais leve, mais forte e mais flexível.

De acordo com Dallas Martin, engenheiro de manufatura aditiva na Toyota Motor North America (TM ) :

“A integração da impressão 3D na fabricação de ferramentas e gabaritos aprimorou a eficiência e a flexibilidade da linha de produção.”

Uma revisão da pesquisa feita neste campo até agora sugere que a impressão 3D poderia revolucionar a indústria automotiva ao tornar os designs mais flexíveis, a prototipagem mais rápida e a redução de resíduos mais eficiente. Isso poderia ser alcançado mantendo a produção leve. Os pesquisadores citaram essas razões como impulsionadores do crescente investimento das montadoras em técnicas de AM.

Embora exploremos algumas empresas pioneiras ativas nesse campo nos segmentos seguintes, os pesquisadores observaram mais oportunidades para AM em soluções sustentáveis e verdes, particularmente no avanço de sistemas de baterias e carros elétricos. A impressão 3D pode ser útil na geração de suportes de bateria resistentes ao calor que melhoram a dissipação térmica e o resfriamento da bateria. Também é vista como solução promissora para a fabricação de baterias de lítio de estado sólido.

Nos próximos segmentos, analisaremos casos de uso onde fabricantes automotivos conhecidos estão desenvolvendo soluções eficazes.

1. Toyota

Em julho de 2024, surgiram relatos de que a Toyota apresentou carros conceito Hyper‑F com peças impressas em 3D. Uma veterana nesse campo, a Toyota, por meio da TCD Asia (Toyota Customizing & Development) — já envolvida na produção de acessórios veiculares para vários modelos Toyota — revelou um conceito SUV de alto desempenho apresentando peças impressas em 3D e materiais de ponta. Isso só foi possível graças a colaborações com as empresas japonesas Mitsui Chemicals e ARRK Corporation.

Relatos sugerem que o carro conceito Hyper‑F da Toyota baseia‑se no Toyota Fortuner, desenvolvido pela TCD Asia. Aproveitando a expertise avançada da Mitsui Chemicals, a Toyota usou impressão 3D com pellets para produzir peças a partir de grânulos plásticos a baixo custo, reduzindo tempos de desenvolvimento e custos de investimento.

A empresa afirmou que essas peças impressas em 3D são particularmente estáveis e prontas para serem impressas em formatos de grande escala. Para o carro conceito Hyper‑F, componentes impressos em 3D adornam os painéis dos dutos de ar do capô.

Antes disso, a Toyota também teria colaborado com Solize, parceiro em engenharia de desenvolvimento de produtos globais e provedor de serviços de engenharia, para imprimir peças sobressalentes automotivas em 3D sob demanda. Mais especificamente, a Toyota usou impressão 3D multi‑jet fusion para criar peças de estoque antes de vendê‑las ao lado de sobressalentes produzidos tradicionalmente. Outro gigante tecnológico global, a HP, forneceu as impressoras à Toyota.

Ao falar sobre o interesse da indústria automotiva em aproveitar a impressão 3D, Nobuki Okado, MD da HP Japão, disse:

“Todos os dias, vemos uma tração crescente e aplicações de impressão 3D mais maduras em diversos setores globalmente, especialmente na automotiva. Montadoras líderes como a Toyota Motor Corporation estão demonstrando o poder da impressão 3D para design flexível, velocidade ao mercado e impacto sustentável.”

Além da HP, a Toyota utilizou soluções de várias outras empresas para refinar e melhorar suas ofertas automotivas em 3D. Por exemplo, trabalhou com a Materialise para desenvolver um assento de carro ultra‑leve impresso em 3D. Investiu em P&D da tecnologia co‑desenvolvendo o Somos Taurus ao lado da DSM, um material considerado ideal para aplicações automotivas devido à sua temperatura de deflexão térmica de 95 °C. A empresa tem a ala de impressão 3D nomeada em sua homenagem na Universidade de Waterloo.

Em maio de 2024, a Toyota Motor Corporation publicou seu relatório FY 2024 para o período de 1 de abril 2023 a 31 de março 2024. A empresa registrou receita de vendas de 45.095.325 milhões de ienes e lucro operacional de 5.352.934 milhões de ienes.

2. General Motors

Em 2022, talvez o player automotivo mais conhecido do mundo tenha relatado ter ido além de protótipos e peças de baixo volume em seu uso de impressão 3D ou manufatura aditiva. A maior montadora dos Estados Unidos imprime ferramentas personalizadas para operadores de fábricas, tornando seus trabalhos mais seguros e produtivos.

O romance da General Motors (GM ) com a impressão 3D remonta a 1989, quando instalou uma das primeiras impressoras 3D, uma máquina de estereolitografia com o número de série “3”, no campus do Warren (Michigan) Tech Center, próximo a Detroit.

Segundo Ali Shabbir, gerente de grupo de engenharia na GM para industrialização da manufatura aditiva:

“À medida que a tecnologia, as resistências dos materiais e a disponibilidade de metais começaram a ganhar ritmo, os executivos disseram: ‘Sabe de uma coisa, isso é algo que realmente precisamos prestar atenção, então vamos colocar uma pequena equipe nisso para realmente explorar o que poderia ser feito.'”

Em 2019, a GM abriu seu Additive Innovation Lab (AIL), uma instalação de 4.000 sq. ft. no Cole Engineering Center no Global Technical Center.

De acordo com Ali Shabbir, esse laboratório era a joia da coroa do programa de educação aditiva da GM. Era um espaço maker DIY e centro de aprendizado onde os funcionários podiam aprender a projetar, configurar construções aditivas e pós‑processar peças.

Entre os muitos exemplos de sucesso da GM ao implantar impressão 3D ou manufatura aditiva na indústria automotiva, alguns se destacam. Por exemplo, em 2020, a empresa imprimiu em 3D 75 % das peças do protótipo não operacional (não o veículo de produção) do primeiro Chevrolet Corvette C8 2020, permitindo que engenheiros estudassem o processo final de montagem e identificassem desafios de produção.

Nesse ano, a empresa produziu peças aditivas para a temporada de corridas do Corvette C8.R, INDYCAR, NASCAR Camaro e equipes de corrida Silverado.

Em 2021, por meio de parceria com a GKN Additive Forecast 3D, a empresa imprimiu em 3D 60.000 selos flexíveis de fechamento de spoiler para completar 30.000 SUVs Chevrolet Tahoe em cinco semanas. O modo tradicional de produção – moldagem por injeção – poderia ter levado até 10 semanas.

A GM também incorporou peças impressas em 3D, incluindo dois dutos HVAC e um suporte de chicote elétrico, nos veículos Cadillac CT4‑V e CT5‑V Blackwing. Em outubro de 2022, anunciou o mais ambicioso até então: o Cadillac CELESTIQ EV de US$300.000, que utilizaria extensivamente a manufatura aditiva de metal para personalizações sob demanda.

De acordo com seu relatório anual para o exercício fiscal que terminou em 31 de dezembro de 2023, a GM registrou receita de US$171,8 bilhões, lucro líquido atribuível aos acionistas de US$10,1 bilhões e EBIT ajustado de US$12,4 bilhões.

3. Daimler Truck

Daimler Truck Holding AG (DTG.DE ) é um dos maiores fabricantes mundiais de veículos comerciais. Com mais de 40 unidades de produção em todo o mundo e mais de 100.000 funcionários, oferece caminhões leves, médios e pesados, ônibus urbanos e intermunicipais, coaches e chassis de ônibus.

A empresa afirma ter se beneficiado imensamente de sua inovadora tecnologia de impressão 3D. Seus quase 30 anos de experiência em construção de protótipos por impressão 3D foram agora transferidos para a produção em série com padrões de alta qualidade. Usando impressão 3D, a divisão de ônibus da Daimler pode reagir rápida, flexível, econômica e ambientalmente a exigências urgentes dos clientes, incluindo a produção de componentes especiais como coberturas, alças e uma variedade de suportes individuais.

O \”Centro de Competência para Impressão 3D\” da Daimler começou a examinar mais de 300.000 peças sobressalentes de ônibus atuais em detalhe quanto à sua adequação como peças impressas em 3D em 2019. A empresa possui agora um braço completo de Soluções de Manufatura Aditiva que levou a até 80 % de redução no tempo de aquisição, identificou mais de 7.000 componentes potenciais para impressão 3D e criou um portfólio de mais de 400 peças sobressalentes aprovadas que podem ser impressas em 3D.

Segundo Ralf Anderhofstadt, chefe do Centro de Competência para Manufatura Aditiva, Impressão Shop & Media na Daimler Buses, as atividades da empresa no campo da manufatura aditiva, o \”imenso potencial da tecnologia ao longo de toda a cadeia de valor tornou‑se evidente passo a passo.“ Conforme Ralf vê, as oportunidades para o negócio da Daimler, bem como para seus clientes, variam de potencial de economia a novos modelos de negócios.

Em 2023, a Daimler Truck reportou receita de 55.890 milhões de euros, um aumento significativo em relação ao valor de 2022 de 50.945 milhões de euros.

Perspectivas Futuras

A opinião ainda está dividida sobre se a impressão 3D substituirá completamente a fabricação de automóveis no futuro. Segundo Robert Willig, diretor executivo, CEO, SME, anteriormente Society of Manufacturing Engineers, pode não haver uma ‘fábrica gigantesca com nada além de impressoras’.

Entretanto, de acordo com Luke Czinger, co‑fundador e COO da Divergent Technologies, que atualmente trabalha com seis montadoras, incluindo Mercedes‑Benz, Aston Martin, Bugatti e McLaren, a impressão 3D, principalmente em componentes de suspensão e reforço, pode melhorar o desempenho de veículos elétricos.

“A história dos EVs é atraente em termos de autonomia. Se você puder economizar 20 % a 30 % de massa na estrutura do chassi, pode aumentar a autonomia ou reduzir o tamanho do pack. Normalmente, para esses EVs de custo mais baixo, isso é realmente significativo para a rentabilidade do negócio. Além disso, há o aspecto da sustentabilidade. Se você está fabricando um veículo mais leve, terá menos desgaste de pneus, mas também usará menos alumínio, menos CO₂ no processo de fabricação.”

– Czinger

Pesquisadores acreditam que a força da impressão 3D na fabricação de carros reside em eliminar o uso de material excessivo e, portanto, o desperdício desnecessário, bem como a necessidade de rotas de transporte longas e áreas de armazenamento, reduzindo amplamente os impactos ambientais. (MBG.DE )

Em resumo, trata‑se de um método de fabricação sustentável promissor. Contudo, ele precisará superar alguns gargalos para ser realmente bem‑sucedido. Por exemplo, será necessário ter controle rigoroso da qualidade do produto. Também será preciso eliminar a necessidade de pós‑processamento excessivo, melhorar o volume de produção e lidar com a falta de padrões.

Para a aplicação bem‑sucedida da impressão 3D na indústria automobilística, processos e materiais padronizados são necessários. A falta de padrões universais pode dificultar a interoperabilidade entre diferentes impressoras 3D e softwares, tornando difícil alcançar o mesmo desempenho mesmo sob parâmetros de processo idênticos.

Clique aqui para uma lista das principais ações de manufatura aditiva e impressão 3D.