PPS5

O fabrico aditivo é um processo produtivo relativamente recente, com especial destaque para os materiais metálicos e cerâmicos. Neste sentido, existe uma necessidade de regulamentar estes novos métodos produtivos, razão pela qual se têm formado diferentes comités técnicos internacionais para o desenvolvimento de linhas de orientação e mecanismos de validação destas novas tecnologias, nomeadamente:

• ASTM – American Society for Testing and Materials (F 42),
• ISO – International Organization for Standardization (ISO/TC 261)
• CEN CENELEC – European Committee for Standardization / European Committee for Electrotechnical Standardization (CEN/TC 438).

Os trabalhos da tarefa incidiram no levantamento do estado de evolução das extensas e variadas normas que estão em desenvolvimento ao nível internacional, identificando aquelas que se enquadram nos âmbitos de estudo do projeto ADD.ADDITIVE, bem como o seu estado de maturidade.

Neste contexto, tem sido alimentada uma base de dados que, com a evolução do desenvolvimento das normas, vão sendo sinalizadas e elencadas com os âmbitos dos PPS antecedentes. Para tal, foi usado o critério do estado de desenvolvimento, onde as normas que apresentem uma evolução igual ou superior a 60% – correspondente à fase de publicação da primeira versão draft, foram consideradas relevantes para o projecto e encontram-se em análise quanto ao seu conteúdo – ver “Biblioteca de Normas”.

Comissão Técnica de Normalização para Additive Manufacturing

Dada a importância da temática e face à necessidade de desenvolver ferramentas que de certa forma regulem e normalizem as temáticas do Fabrico Aditivo, foi proposta a criação de uma Comissão Técnica de Normalização Nacional (CT) para acompanhamento dos trabalhos desenvolvidos no âmbito do Comité Técnico Europeu (CEN/TC 438) e Internacional (ISO/TC 261), relativos ao Additive Manufacturing, tendo sido decidido que o CATIM, enquanto Organismo de Normalização Sectorial, iria avançar com os procedimentos necessários para a formalização da proposta junto do Instituto Português da Qualidade (IPQ).

Após validação e formalização da candidatura a comissão técnica junto do IPQ (formalização da intenção em 04 de novembro de 2020 e resposta em 04 de dezembro de 2020), procedeu-se ao envio de convocatória para a realização da reunião preparatória (27 de janeiro de 2020), a qual foi dirigida às entidades do consórcio que manifestaram interesse e participar na CT, bem como às entidades/pessoas identificadas pelo IPQ.

No dia 17 de março realizou-se a segunda reunião preparatória relativa à criação da nova CT, a qual visou, essencialmente, a confirmação do âmbito, a definição da designação da CT, a nomeação do Presidente e a nomeação do Secretário da CT. No seguimento desta reunião ficou definido que a CT se designará “Manufatura Aditiva”, o Presidente nomeado foi Prof. Martinho Oliveira (Universidade de Aveiro) e o Secretário nomeado foi o Eng.º Eurico Assunção (EWF).

Após a aprovação a 30 de março de 2021 da criação da Comissão Técnica de Manufactura Aditiva CT220, por parte do Conselho Diretivo do IPQ, esta comissão tem mantido os seus trabalhos de análise e proposta de alterações / melhorias, relativamente aos diferentes documentos em desenvolvimento ao nível internacional.

Apesar de a CT220 funcionar autonomamente com os seus membros, o consórcio do ADD.ADDITIVE foi o catalisador da sua criação e dada a relevância desta comissão no contexto nacional, a mesma não ficou limitada aos parceiros do projecto ADD.ADDITIVE, contando com a participação de outras entidades – ISQ – Instituto de Soldadura e Qualidade, Centro de Excelência de impressão 3D na Johnson & Johnson e Direção Geral de Recursos da Defesa Nacional.

A abertura a stakeholders externos ao projecto, demonstrou ser uma preciosa valorização dos resultados do Projecto ADD.ADDITIVE, uma vez que nasceu da necessidade das organizações nacionais afiliadas às temáticas do Additive Manufacturing, procurando estabelecer uma parceria colaborativa de desenvolvimento das diferentes vertentes e sua padronização, para um crescimento mais sustentável e competitivo dos mercados quer nacionais, quer internacionais.

T1.2 – Certificação

A abordagem à certificação de materiais e/ou productos, varia entre as diferentes aplicações, sejam elas industriais, serviços ou de venda directa ao público em geral. Para alguns sectores industriais – sejam eles automóvel, biomédico, aeroespacial ou packaging, os requisitos definidos ascendem a um nível mais exigente, sendo avaliados por entidades reguladoras de peso global – é o caso da FDA (Food & Drug Administration) ou da ICAO (International Civil Aviation Organization). Esta ordem de definição das especificações é endereçada a toda a cadeia de fornecimento, sendo exigida a conformidade face aos requisitos estipulados.

Independentemente do sector, os motivos que levam à procura para a certificação passam pela segurança do produto – para a proteção do utilizador final, seja ele o público em geral, outras empresas ou mesmo o meio ambiente, a garantia do producto – que confirma que os requisitos previstos e legais correspondem ao produto especificado e para a aplicação pretendida, e a demonstração da qualidade e capacidade da peça, face ao já existente no mercado, como fator diferenciador.

A base do projeto, fabricação e inspeção de qualquer peça destinada a ser produzida por fabrico aditivo exigirá uma avaliação dos requisitos para essa peça, os quais podem surgir a partir de regulamentos, códigos, normas ou especificações do cliente). Isso ocorre porque os requisitos de inspeção serão específicos para a indústria, a aplicação, o projeto (por exemplo, geometria, material) e o processo de fabrico aditivo utilizado. O resultado dessa avaliação definirá o que deve ser demonstrado para que a peça seja certificada.

No futuro, à medida que os requisitos prescritivos para o Fabrico Aditivo forem desenvolvidos e estabelecidos por cada setor, tais considerações serão incorporadas em códigos ou critérios de aceitação regulatória. Por agora, essas diretrizes baseadas em objetivos descrevem uma base para alcançar uma metodologia de projeto, fabricação e inspeção que seja equivalente ao processo de certificação para as mesmas peças produzidas usando técnicas convencionais de fabricação e fornece um caminho para a certificação de peças de Fabrico Aditivo.

O guia de boas práticas criado no contexto da tarefa é, portanto, uma ferramenta auxiliar para o desenvolvimento de processos do contexto do Fabrico Aditivo, a serem integrados num sistema já existente ou em desenvolvimento, como forma de garantir mecanismos e práticas harmonizadas, assegurando a credibilidade de resultados.

Figura  SEQ Figura \* ARABIC 2 – Guia de Boas Práticas para Processos.

O desenvolvimento do Guia de boas práticas, no que concerne à abordagem a processos de uso de equipamentos ou produtos de fabrico aditivo, foi racionalizado com vista ao enquadramento nos sistemas de qualidade existentes nas organizações, como é o caso da ISO 9001.  A visão das estruturas reflete de forma genérica o contexto do fabrico aditivo, para que posteriormente possam ser personalizadas de acordo com a aplicação. O documento prevê a descrição de um conjunto de recomendações para a criação e desenvolvimento de um esquema de Qualificação e Certificação, desde Serviços, Produtos, Processos, Tecnologias e metodologias de teste, para que o utilizador do documento possa adequar à realidade a aplicar.

O desenvolvimento do Guia de boas práticas foi um trabalho continuado e que acompanhou os trabalhos dos restantes PPS, tendo decorrido até ao final do projeto.

A tarefa PPS5.A1.T3 – “Caracterização e inspeção” decorreu em paralelo com outras atividades e tarefas dos diferentes PPS’s do projeto Add.Additive, estando direta ou indiretamente associada às atividades de investigação, teste e caraterização de matéria-prima FA (caraterização e inspeção “a montante”), monitorização “on-the-fly” do processo FA, e verificação de resultados (“a jusante” do processo produtivo), com a caraterização e inspeção de peças FA. Todas as linhas de inovação presentes nestas atividades do projeto, contribuem para a presente tarefa.

A caracterização de matéria-prima FA tem vindo a ser alvo de estudo ou de utilização prática no PPS1 (materiais metálicos), no PPS2 (materiais cerâmicos, cimentícios e compósitos) e no PPS3 (materiais poliméricos), sendo o conhecimento das propriedades e características da matéria-prima fulcral, para o seu processamento com qualidade, através dos processos FA correspondentes.

A título de exemplo, no contexto do PPS1, para utilização no processo Tiled Laser Melting (TLM), foram caracterizados pós de aço inoxidável 316L relativamente a granulometria, superfície específica, forma, tamanho e distribuição de partículas. Foram também desenvolvidos estudos de caracterização de pós WC-Ni por difração de raios X, para posterior utilização em Robot Casting (R3D); no contexto do PPS2, foram realizadas caracterizações de pó de poliamida 12 (PA12) e de pó atomizado e chacotado de porcelana, sob o ponto de vista térmico e morfológico, para posterior utilização no processo Selective Laser Sintering (SLS), assim como, a caraterização de diversas pastas para utilização em técnicas de R3D; no contexto do PPS3, foram realizados testes de caracterização de diversos materiais poliméricos FA, para averiguação do comportamento térmico e mecânico, e avaliados os processos de granulação de variadas cargas (borracha vulcanizada, pinho, cortiça) e a integração das mesmas numa matriz polimérica, para processamento por técnicas de Material Extrusion (ME).

O objetivo primordial destes testes de caracterização centrou-se na compreensão das características que tornam os materiais analisados processáveis pelos processos correspondentes e, deste modo, compreender diversas especificidades técnicas que se deverão ser tidas em conta, quer no processamento dos materiais FA comerciais, quer no desenvolvimento de novos materiais. Com base nos resultados dos testes de caracterização pretendeu-se assim aprimorar o conhecimento relativo às características dos materiais utilizados em processos aditivos, bem como, antecipar o tipo de propriedades ou o comportamento expectável desses materiais, consoante o modo de fabrico. Numa outra vertente, o conhecimento relativo à influência dos processos e parâmetros de processamento nas propriedades finais e na integridade das peças a produzir, através da posterior caracterização e inspeção de material já processado (peças produzidas), manteve-se como um tema de extrema pertinência no projeto, sendo alvo de estudo implícito ou explícito em atividades dos PPS1, PPS2, PPS3 e PPS4.

À semelhança de outros processos de fabrico, a verificação e inspeção nos processos aditivos recai habitualmente “a jusante” do processo produtivo; no entanto, atendendo à complexidade das geometrias passíveis de processamento por FA (recorde-se, geometrias que podem incluir estruturas reticuladas (lattice), conformal cooling, formas orgânicas obtidas por otimização topológica e/ou design generativo), atendendo à grande variabilidade de espessuras, áreas e volumes de impressão e ao próprio processo camada-a-camada, a inspeção END “on-the-fly” (ou seja,  durante o processo construtivo em tempo real) é um dos grandes desafios que o setor explora e continuará a explorar nos próximos anos. Assim, no contexto do PPS4 foram estudadas técnicas para monitorização de processos FA, onde se incluem técnicas metrológicas e de inspeção não-destrutivas (como a termografia ou a espectroscopia do banho de fusão) em tempo real.

No contexto da presente tarefa do PPS5, foi realizado um estudo contínuo das técnicas de caracterização e inspeção “a jusante” – ou seja, a verificação e validação de resultados após o processo produtivo – sob um ponto de vista da análise do estado da arte, da identificação das técnicas mais utilizadas e dos atuais desafios associados à qualificação e certificação de componentes FA.

Nesse sentido, foi realizado um primeiro levantamento das diferentes técnicas de caraterização e inspeção END passíveis de utilização em peças obtidas nas 7 categorias de processos FA – Powder Bed Fusion, Directed Energy Deposition, Binder Jetting, Material Extrusion, Sheet Lamination, Material Jetting, Vat Photopolymerization – e/ou nas diferentes tipologias de materiais – materiais metálicos, poliméricos, compósitos e cerâmicos. Foram compiladas as principais técnicas END disponíveis no mercado, incluindo um estudo sobre seu o princípio de funcionamento e uma avaliação preliminar da sua aplicabilidade aos diferentes materiais e/ou processos FA: termografia (ativa), radiografia industrial, tomografia computorizada, ultrassons, correntes induzidas, líquidos penetrantes, partículas magnéticas, emissão acústica e inspeção visual.

Outras técnicas END, alternativas ou emergentes, foram igualmente alvo de estudo – como o caso das técnicas Process Compensated Resonance Testing (PCRT), Non-Linear Resonance (NLR) ou Resonance Acoustic Method (RAM) – podendo ser abordadas e integradas no próximo período de report, caso se considerem pertinentes ou viáveis no contexto FA e /ou nos objetivos atuais do projeto.

Foram encontradas as primeiras conclusões do trabalho de pesquisa e da avaliação de casos de estudo com as técnicas END mais usuais, sob a forma de uma matriz (em versão preliminar). Com esta matriz pretendeu-se catalogar e criar uma ferramenta de auxílio ao processo de seleção das técnicas END, em função da tipologia de material, da tipologia ou nível de criticidade de eventuais defeitos (superficiais ou internos, com diferentes dimensões ou morfologia), da capacidade de deteção desses mesmos defeitos (resolução, alcance ou limitações dos END – variável ainda não refletida na atual versão da matriz) e do nível de complexidade geométrica do componente (estruturas lattice, conformal cooling, formas orgânicas que podem inviabilizar determinadas técnicas – variável ainda não refletida na atual versão da matriz).

Matriz de seleção de técnicas END para inspeção de peças FA (versão preliminar) VER TABELA EM PDF

Com alguns constrangimentos no decorrer das tarefas, devido à situação pandémica que assombrou todo o mundo, com o necessário replaneamento das atividades, foram realizados esforços para a continuidade das atividades em regime de teletrabalho e, na medida do possível, criadas condições para realizar alguns ensaios END de suporte ou (pré-)validação de casos de estudo precedentes e de demonstradores do projeto Add.Additive.

Um dos casos de estudo foi um motor (300N) de um micro-lançador espacial, com a particularidade de ter vários canais de refrigeração internos, em torno da câmara de combustão, e que não podem ser replicados nos processos de fabrico convencionais. Este caso de estudo aeroespacial foi identificado pela Omnidea, e abordado em parceria com o CEiiA, IPL (CDRSP) e a Adira, no contexto de atividades do PPS1, PPS4 e deste PPS5. Associado a esta tarefa, foi apresentado o resultado de uma radioscopia realizada a um protótipo obtido por Powder Bed Fusion, e onde foi possível verificar-se a existência dos referidos canais internos.

Radioscopia realizada a uma câmara de combustão produzida por Powder Bed Fusion

Foi planeado um mapeamento das principais empresas nacionais que comercializam equipamentos, efetuam ensaios e realizam ações de formação certificada sobre metrologia e inspeção END. Paralelamente, encontra-se em discussão o eventual envolvimento dessas empresas para complementaridade de dados e validação teórico-prática da matriz de seleção – a definir, em função da evolução da pandemia, da recuperação de atrasos no planeamento de diversas atividades e/ou caso se considere pertinente para o bom cumprimento dos objetivos do projeto. Em qualquer cenário, será consolidada a informação constante da matriz de seleção.

Não obstante da necessária abrangência a todos os processos/ tipologias de materiais FA, existe uma maior preponderância no estudo destas técnicas quando associadas aos processos de Directed Energy Deposition e Powder Bed Fusion com materiais metálicos; esta questão justifica-se por um nível superior de fiabilidade ou maturidade técnica que os processos PBF já apresentam e/ou do tipo de aplicações ou setores onde estes processos PBF e DED têm sido mais explorados e onde os requisitos de aceitação de peças FA é mais rigoroso. Recorde-se, por exemplo, que a indústria de aviação e aeroespacial tem vindo a utilizar cada vez mais estes processos aditivos com materiais metálicos (por exemplo, para produção de peças de motores, pás de turbinas, bombas, entre outros componentes), pelo que o recurso a estas técnicas END é obrigatório, sendo mais e mais explorado, o que tem potenciado uma base de conhecimento teórico-prático de elevada relevância.

Fruto do nível de exigência das suas aplicações, dos seus produtos, as empresas do setor aeronáutico, criam habitualmente as suas próprias diretrizes relativamente a requisitos, critérios de inspeção e aceitação de peças provenientes de diferentes processos de fabrico, sendo que gradualmente têm vindo a criar ou adaptar essas mesmas diretrizes para peças obtidas em processos aditivos. A título de exemplo, verifica-se que a Airbus já possuiu no seu sistema de qualidade, um AIPS (Airbus Process Specification) específico para peças metálicas obtidas Powder Bed Fusion, “AIPS 01-04-020”, onde se incluem requisitos e diretrizes relativamente aos critérios de aceitação, aos métodos de inspeção END e respetiva frequência/ amostragem para inspeção que devem ser consideradas.

Airbus Spec: AIPS 01-04-020 – Powder Bed Fusion, 3.2 Acceptance Level (Fonte: Airbus/ Testia GmbH)

Airbus Spec: AIPS 01-04-020 – Powder Bed Fusion, 8.2 Part/ Inspection Methods (Fonte: Testia GmbH)

Airbus Spec: AIPS 01-04-020 – Powder Bed Fusion, Annex A – Acceptance Criteria (Fonte: Testia GmbH)

Importa referir ou reforçar que, nos últimos anos, os processos de qualificação e certificação de componentes FA vêm sendo identificados como o “ponto de viragem” no contexto do crescimento do mercado FA, para uma efetiva massificação da utilização das tecnologias aditivas como processos produtivos efetivos, nas mais indústrias ou setores com requisitos e critérios de validação e aceitação mais exigentes. Por esse mesmo motivo, têm surgido inúmeras sinergias industriais e iniciativas I&D para estudar o tema e os vários comités internacionais têm procurado reunir especialistas de dezenas de países, para serem unidos esforços no sentido de se padronizar e desenvolver métodos para melhor compreensão dos diferentes fenómenos ocorridos durante os processos produtivos FA (que podem culminar nos diferentes tipos de defeitos superficiais, defeitos internos, desvios dimensionais, empenos, …), para posteriormente se catalogar ou avaliar a aplicabilidade, fiabilidade e limitações destes processos END quando associados à caraterização e inspeção de peças FA.

No acompanhamento da evolução das normativas ISO/ASTM que o consórcio levou a cabo neste PPS5, a título de exemplo, constatou-se que têm havido alguns desenvolvimentos para a normalização destes processos END no contexto FA, com os comités ISO/ASTM a procurarem criar novas diretrizes, ainda que com alguns avanços e recuos, como é o caso da norma “ISO/ASTM DTR 52905 Additive manufacturing of metals – Non-destructive testing and evaluation – Defect detection in parts” (eliminada) ou da mais norma “ISO/ASTM DTR 52906 Additive manufacturing – Non-destructive testing and evaluation — Intentionally seeding flaws in parts” (em desenvolvimento), onde se pretendeu definir requisitos para a realização de testes em peças produzidas por FA com falhas ou defeitos conhecidos; o que implicitamente permitia estudar e avaliar as principais características associadas à qualidade das peças; procedimentos de teste mais apropriados; recomendações quanto ao âmbito e conteúdo das contratualizações de fornecimento de peças e/ou inspeção. Nesse mesmo seguimento, já se encontra publicada a norma “ISO/ASTM 52901:2017 Additive manufacturing – General principles – Requirements for purchased AM parts”, que procura definir e compilar requisitos para a aquisição de peças fabricadas por FA, diretrizes para os elementos/ dados a serem trocados entre cliente e fornecedor da peça FA, incluindo informações do pedido formal do cliente, dados de definição da peça, requisitos da matéria-prima, características e propriedades da peça final, requisitos de inspeção e critérios de aceitação finais.

Uma outra vertente da caraterização e inspeção de componentes obtidos por FA é o controlo de qualidade metrológico, para verificação de desvios dimensionais (contrações de materiais, precisão associada aos processos FA, …) e geométricos (empenos, distorções decorrentes de tensões internas, …).

Apesar do avanço tecnológico das tecnologias FA e a crescente precisão dos processos e da qualidade dos resultados obtidos, mantem-se e manter-se-á a necessidade de inspecionar as características dimensionais e geométricas mais críticas. Estas caraterísticas podem incluir superfícies negativas (contra-saídas), canais internos ou outras zonas potencialmente inacessíveis. Para estes casos, ainda que o objetivo possa ser uma análise meramente dimensional, o recurso a uma técnica END manter-se-á como a melhor opção, nomeadamente, a tomografia computorizada. Para a inspeção metrológica de geometrias mais simples e/ou sem superfícies negativas ou de acesso limitado, poderão ser utilizadas técnicas de metrologia convencional, de mapeamento de coordenadas ou captação de superfícies e objetos tridimensionais (digitalização 3D).

Diferentes tipologias de equipamentos para inspeção END (Fonte: MTC)

Existe uma grande variedade de tecnologias de aquisição de formas tridimensionais no mercado; estas tecnologias dividem-se em dois tipos: de contacto e sem contacto; e, por sua vez, as opções sem contacto poderão ainda ser subdivididas em duas categorias: ativas e passivas.

Por princípio de funcionamento, os equipamentos de contato utilizam sondas ou sensores de toque para realizar o processo de medição com precisão, através do mapeamento de coordenadas e obtenção de uma “nuvem de pontos”, relativos à distância e volume dos objetos; os pontos gerados são enviados para um computador, onde são processados e analisados em softwares específicos, nos quais se efetua a comparação e sobreposição dos pontos captados aos modelos CAD 3D dos objetos alvos de inspeção metrológica.

Os principais equipamentos de contacto são as Coordinate Measuring Machine (CMM) – associados normalmente a sistemas mecânicos de pórtico com mecanismos de translação e rotação para aproximação das sondas aos objetos – e os braços de medição – associados a braços robóticos articulados, com diversos sensores angulares para facilitar o movimento do mesmo e a captação de coordenadas.

Princípio de funcionamento de equipamentos de medição por contacto (fonte: Renishaw)

Estes equipamentos são utilizados na indústria essencialmente para controlo de qualidade de peças. Ainda que sejam tecnologias bastante precisas de controlo dimensional, têm como desvantagem a necessidade de efetivar um contacto físico com o objeto a inspecionar, o que neste contexto FA, pode resultar num processo bastante moroso (em geometrias mais complexas), ou mesmo não aplicável (peças com zonas de difícil acesso ou até inacessíveis às sondas).

Relativamente aos equipamentos sem contacto ativos, como o próprio nome indica, pressupõem métodos de digitalização sem qualquer tipo de contacto físico com a peça a ser inspecionada. Estes scanners sem contacto ativos emitem um determinado tipo de radiação (ultrassons, raios-x ou feixe de luz) sob a forma de diferentes padrões (pontos, linhas, listas) e detetam a sua reflexão para processamento e análise de dados relativos à posição/ forma da(s) superfície(s) a inspecionar. Sob o mesmo princípio de funcionamento, os scanners sem contacto ativos mais comuns podem ser de: triangulação a laser, luz estruturada e time-of-flight (TOF).

Scanner 3D de luz estruturada em funcionamento (fonte: EMS)

De uma forma geral e no contexto da inspeção de peças FA, estes equipamentos necessitam de níveis de luminosidade e reflexão muito específicos para a obtenção de bons resultados – superfícies muito brilhantes ou refletivas, sob condições adversas de luminosidade, resultam em falhas (zonas em falta) na captação ou digitalização das superfícies. No caso de peças com superfície muito refletiva ou transparente torna-se assim necessário aplicar sprays ou vernizes opacos. Uma outra limitação está associada, uma vez mais, à inspeção de peças com geometria muito complexa, com zonas negativas, canais internos ou de difícil acesso (zonas ocultas), onde não será possível efetivar a projeção/ reflexão.

No caso dos scanners sem contacto passivos, para além da digitalização decorrer sem qualquer tipo de contacto físico com a peça a ser inspecionada, estes não emitem qualquer tipo de radiação, já que se baseiam na deteção de radiação ambiente refletida (ainda que também possam recorrer a IR). Estas soluções sem contacto passivas são habitualmente de baixo custo, porque na maioria dos casos não necessitam de um hardware especializado, apenas de câmaras digitais simples. Algumas das técnicas sem contacto passivas incluem sistemas estereoscópicos, fotométricos, entre outros.

Esta variante da tecnologia será porventura mais adequada orçamentos limitados. No entanto, são igualmente necessárias condições de luminosidade bastante controladas; tal como nos scanners 3D sem contacto ativos, a existência de sombras mostra-se prejudicial; e poderão apresentar limitações na digitalização de peças FA com detalhes, rugosidades ou texturas finas (nos sistemas estereoscópicos).

No presente projeto Add.Additive, também foram realizadas análises metrológicas em grande parte dos demonstradores do PPS1, PPS2 e PPS3, com o intuito de se aferir a qualidade dos resultados alcançados, relativamente ao rigor dimensional e geométrico (quantificar distorções ou empenos), para se compreender melhor ou estudar a origem de eventuais desvios e avaliar possíveis ações corretivas ou de melhoria do processo.

Um dos casos de estudo foi identificado pela GLN e tem elevada pertinência na avaliação funcional das tecnologias aditivas no contexto da manutenção, recuperação ou retificação de ferramentas ou moldes. Este caso de estudo que está a ser efetivado em colaboração com o INEGI e com o CEiiA, é referente a um molde de injeção de termoplásticos que se encontra obsoleto, sendo necessária a sua substituição ou alteração da zona moldante para uma nova versão de produção. Após uma análise técnica sobre a tecnologia FA mais adequada (em termos de exequibilidade e/ou em termos de custo associado), foi selecionada a tecnologia Directed Energy Deposition para a recuperação/ alteração do molde. A figura seguinte é representativa do work-flow previsto para este caso de estudo.

Work-flow de um caso de estudo do projeto Add.Additve (GLN, CEiiA e INEGI)

Para além do enquadramento na tarefa “PPS1.A3.T2 – Demonstrador peça: Componentes para metalomecânica“, este caso de estudo potencia uma interligação com tarefas de outros PPS’s. Para a presente tarefa foram ensaios END e verificações metrológicas em vários estágios do processo de alteração da geometria: digitalização 3D como baseline do caso de estudo; nova digitalização após se realizar a deposição de material via DED, para se quantificar a sobreespessura de material aplicado e para se aferir a não-ocorrência de distorções devidas ao processo DED; eventual nova digitalização 3D e/ou inspeções NDT após a remaquinação/ retificação final do molde, para se aferir a precisão dimensional alcançada, a integridade do molde ou a eventual existência de falhas ou defeitos (superficiais ou internos, como fissuras, porosidades ou inclusões). Com todos estes passos monitorizados e quantificados, foram reunidos importantes contributos e inputs para a tarefa a PPS5.A3.T1, para análises LCA/ LCC e desenvolvimento de modelos de Ecoeficiência.

Foram realizadas várias sessões de trabalho entre os vários parceiros do consórcio para discussão e avaliação técnica das especificidades e requisitos associados ao referido molde em estudo, e foi realizada uma primeira digitalização 3D no CEiiA, bem como a preparação e parametrização do processo DED por parte do INEGI; A figura seguinte é referente aos resultados obtidos na caraterização metrológica inicial, realizada com um scanner 3D de luz estruturada, o modelo “Comet L3D 2M” da empresa Steinbichler:

Molde GLN em estudo: comparação entre o modelo CAD 3D e a digitalização 3D (CEiiA)

Molde GLN em estudo: desvios obtidos após “best-fit” entre CAD 3D e 1ª digitalização 3D (CEiiA)

Para além dos exemplos apresentados, importa referir que muitos outros casos de estudo nos PPS1 (com materiais metálicos), PPS2 (materiais cerâmicos, cimentícios e compósitos) e PPS3 (materiais poliméricos) foram caracterizados e inspecionados.

A transição que se verifica atualmente à escala nacional – e global – para um novo paradigma de digitalização na indústria e nos serviços apresenta um impacto particular no que concerne às técnicas de manufatura aditiva, pelo facto de se tratar efetivamente de processos de fabrico digital direto. Neste contexto, importa conhecer e potenciar novos modelos de organização do trabalho – e de negócio – com vista a promover um incremento efetivo de produtividade, eficiência e eficácia quando comparado com os processos produtivos convencionais.

A transformação digital característica dos novos modelos de negócios contribui de forma positiva para a criação de novas oportunidades e desafios no que concerne ao desenvolvimento e à implementação de novos modelos de trabalho. Os desafios que se colocam nesta transição para a produção digital direta – características também da manufatura aditiva – excedem claramente o âmbito restrito das técnicas e das tecnologias de fabrico disponíveis no mercado, passando pelo desenvolvimento e a criação de novos modelos organizativos e de produção, que necessitam de uma adaptação de toda a cadeia de valor. Neste sentido, antevêem-se mudanças significativas nos sistemas económicos e sociais atuais, que podem vir a produzir alterações radicais e disruptivas no tocante aos atuais modelos de trabalho e de negócio.

No âmbito da Tarefa 2.1 – Modelos de Negócio – deste PPS, foi alinhamento o estudo de quais as novas oportunidades e quais os novos desafios que se colocam às empresas e organizações no âmbito deste novo cenário digital. Neste sentido foi iniciado um estudo exploratório do estado da arte relacionado com os modelos de negócio de base digital direta – com especial enfoque para os processos aditivos – por forma a contribuir para um melhor entendimento das capacidades e das competências que se apresentam às empresas e organizações, com vista a potenciar a sua adaptação e o seu crescimento neste período de transição para um novo paradigma de digitalização da indústria e dos serviços.

A estratégia da definição de novos modelos negócio passa pela abordagem e análise de toda a cadeia de valor associada à manufatura aditiva, pelo que se propõe a passagem de um paradigma focado apenas na etapa de fabrico aditivo para todo o ecossistema de manufatura aditiva. Desta forma, importa focar para além dos processos de fabrico ainda em potenciais novos produtos, novos processos, novos modelos de colaboração e em novos modelos de prestação de serviço.

Figura 13 – Ecossistema de manufatura aditiva (Additive Industries).

Para tal foi criado um roadmap para identificação dos potenciais Modelos de Negócio dentro do consórcio Add-Additive. Este roadmap assenta numa ferramenta de suporte à criação de modelos de negócio de forma colaborativa com base no Business Model Canva. Assim, num primeiro passo procedeu-se à definição da estratégia de um survey para identificar as oportunidades de negócio ecossistema AM [Gestão de Topo / Gestão intermédia-operacional. No passo seguinte, criou-se um survey para identificar as oportunidades de negócio ecossistema AM, que foi submetido e validação em focus-group por um grupo restrito de elementos do consórcio de Gestão de Topo e de Gestão intermédia-operacional. Por fim submeteu-se o survey a todos os elementos do consórcio tanto da gestão de Topo como da gestão intermédia-operacional.

No final da receção dos resultados do inquérito procedeu-se ao processamento resultados do survey. Na sequência destes trabalhos desenharam-se dois ciclos de workshops colaborativos:  WORKSHOP 1 CANVA Gestão de Topo / WORKSHOP 2 CANVA Gestão intermédia-operacional. Após a realização dos workshops, far-se-á a o follow-up/facilitação CANVA 1 Gestão de Topo / CANVA 2 Gestão intermédia-operacional. Na figura seguinte apresenta-se, a título ilustrativo, o folheto de divulgação e inscrição em um dos workshops.

Teaser de divulgação e inscrição em um dos workshops colaborativos sobre a criação de Modelos de Negócio com base em Business Model Canvas.

Evolução do quadro da proposta de valor do grupo de Gestão Técnica sobre Modelos de Negócio com base em Business Model Canvas (da esquerda para a direita: entre 15 de outubro e 12 de novembro).

Na sequência do fecho CANVA 1 Gestão de Topo / CANVA 2 Gestão intermédia-operacional, foram apresentados os resultados preliminares num seminário online com todos os participantes na construção dos CANVA 1 Gestão de Topo / CANVA 2 Gestão intermédia-operacional. Na sessão plenária final, com a participação de todos os que colaboraram na construção dos Canvas com vista à identificação dos modelos de negócio mais promissores foi concretizado o balanço final dos workshops colaborativos, bem como um focus-group conjunto para avaliar a metodologia implementada nos trabalhos colaborativos.

À semelhança da tarefa dos Modelos de Negócio, os potenciais novos modelos de organização do trabalho e de negócio associados à transição para um novo paradigma de digitalização da indústria e dos serviços vem colocar particulares desafios às empresas e organizações do nosso tecido empresarial. De modo particular, importa qualificar todos os elementos da cadeia de valor para este novo paradigma – desde as estruturas de gestão aos agentes operacionais – com vista a promover a sua adaptação aos novos modelos de trabalho, potenciando ainda um expectável crescimento de eficiência e eficácia das suas funções.

Com o desenvolvimento da digitalização dos processos industriais e dos serviços, temem-se perdas de emprego e alterações significativas associadas aos novos modos e modelos de trabalho. Assim, de modo particular, a manufatura aditiva vem proporcionar novos modelos de trabalho que requerem competências específicas dos recursos humanos que potenciam de modo particular o seu valor acrescentado para a cadeia de valor.

Foi objetivo da Tarefa 2.2 – Estratégias de formação – deste PPS, estudar quais as oportunidades e quais os requisitos que se colocam aos perfis dos recursos humanos das empresas e organizações associadas aos processos de fabrico digital direto proporcionado pelas tecnologias de fabrico aditivo. De modo particular importa conhecer o que está a ser implementado nos diferentes níveis de ensino e formação – nacional e internacional – com vista a identificar boas práticas e novos perfis de formação que permitam potenciar as competências e qualificações dos recursos humanos associados aos processos de fabrico aditivo. No presente período de reporte, foram aprofundadas e avaliadas as áreas com potencial estratégico de formação, quer para organizações industriais, quer para outras entidades que possam explorar esta vertente do Additive Manufacturing.

Uma vez selecionado o modelo formativo mais adequado para ser considerado no ecossistema AM foi desenhado um piloto de formação para ser ministrado online ainda no decurso do projeto Add Additive. A proposta inicial para estas sessões eram para que tivessem lugar de modo presencial. No entanto, o atual contexto de pandemia tem vindo a impedir a sua concretização nesse modo, pelo que se teve de optar pela solução online. Na figura seguinte apresenta-se uma proposta de elenco de temas a tratar num ciclo piloto de novos modelos de formação em AM.

Estrutura de um ciclo piloto de formações colaborativas em AM.

Modelo LCA para caso estudo e estado de desenvolvimento

No âmbito do PPS5, foi realizada uma análise a um caso de estudo definido no PPS1 de forma a determinar o desempenho da tecnologia de FA a nível da sua sustentabilidade económica e ambiental.

Para o desempenho ambiental, realizou-se um estudo de avaliação de ciclo de vida (ACV, em inglês LCA – Life Cycle Assessment) – uma metodologia normalizada que permite a quantificação e análise dos potenciais impactes ambientais associados ao ciclo de vida de um produto ou sistema, incluindo a extração de matéria-prima, transporte, produção, montagem, utilização e tratamento em fim de vida. Isto permite uma descrição detalhada do desempenho ambiental do produto ou sistema analisado. Através da análise dos fluxos de materiais e energia que ocorrem em cada etapa, é possível extrair conclusões que auxiliem os processos de tomada de decisão. Este estudo de LCA foi realizado de acordo com as normas ISO 14040 [1] e ISO 14044 [2].

Metodologia de Avaliação do Ciclo de Vida (LCA), adaptado da norma ISO 14040 [1].

A primeira fase do LCA consiste na definição do Objetivo e Âmbito do estudo, onde a unidade funcional e as fronteiras do sistema são definidas. De seguida, é construído o Inventário de Ciclo de Vida (LCI) dos fluxos de entrada e saída de materiais e energia que ocorrem dentro das fronteiras do sistema. Com a informação recolhida nesta fase, procede-se à seleção do método de quantificação de impactes ambientais conforme o âmbito definido e quantificar os potenciais impactes ambientais e os pontos-chave ambientais dentro do sistema. Finalmente, é realizada uma análise e interpretação dos resultados. Estas fases são permutáveis entre si, sendo ajustadas sempre que necessário.

Para o caso de estudo do ADD.ADDITIVE uma breve pesquisa bibliográfica permitiu construir inventários de processos e equipamentos relevantes, que poderão ser necessários para a caracterização do caso de estudo selecionado.

O sistema Direct Energy Deposition (DED), uma tecnologia de fabrico aditivo para metais construído nos laboratórios do INEGI, foi selecionado para o caso de estudo. Para o inventário de ciclo de vida (LCI – Life Cycle Inventory), foi feito o levantamento da composição do equipamento DED, nomeadamente informação sobre a constituição da máquina ao nível de componentes, tendo em conta a quantidade mássica e absoluta, o material constituinte, e os processos de fabrico inerentes à produção destes componentes. É de ressalvar que não foram considerados os possíveis fluxos energéticos e mássicos que ocorrem durante a montagem da máquina DED.

Devido à sua complexidade, o sistema DED foi dividido em vários subsistemas conforme a sua função, e caracterizado a nível de componentes dentro de cada um desses subsistemas, conforme demonstrado através da figura apresentada:

Esquematização da análise do inventário do equipamento DED

Relativamente aos fluxos energéticos provenientes dos processos de fabrico aditivo via DED, procedeu-se se à instalação de equipamentos de medição do consumo de eletricidade – representado na figura – conectados ao robot, à cabeça do laser e à mesa de aquecimento do DED, que em paralelo com o sistema incorporado com webservice no controlador do robot permitiu uma abordagem holística relativamente às variáveis de produção, quer relativamente à sua visualização e monitorização em tempo real, quer relativamente à sua avaliação histórica.

Instalação INEGI dos analisadores energéticos para a tecnologia DED

Através de uma recolha de dados exaustiva, quer na recolha das referências dos fabricantes dos componentes em campo, medição das suas dimensões, entre outros, quer através da pesquisa bibliográfica, para definir a composição em termos materiais e respetivas quantidades mássicas, foi possível recolher a maioria da informação necessária para a realização do inventário da instalação DED. Não obstante, sempre que houve necessidade de colmatar a falta de informação, recorreu-se primeiramente à base de dados de ciclo de vida ecoinvent V3.6 e à literatura existente. Assim, foi possível construir um inventário da máquina DED com uma fiabilidade elevada e nível de detalhe similar para a maioria dos subsistemas.

Com a imputação dos processos no Simapro e respetivo matching com a base de dados, foi concluída a aquisição inicial de dados para caracterizar pormenorizadamente os fluxos mássicos e energéticos subjacentes à produção dos componentes que integram os sistemas de cada uma destas tecnologias. Relativamente aos fluxos mássicos, foi possível obter uma distribuição preliminar de massa pelos subsistemas do equipamento DED através do inventário recolhido, tendo como resultado o obtido na Figura seguinte.

Análise mássica aos subsistemas do equipamento DED

Como esperado, a célula de segurança (S6) é o subsistema com maior contribuição mássica relativamente aos restantes por contabilizar o aço da estrutura envolvente da máquina que protege o colaborador dos efeitos do laser quando este está em funcionamento. Segue-se o sistema da mesa de aço onde ocorre a deposição de material (S4) e o Robot (S1) que inclui o braço robótico de ferro fundido e o pedestal de aço inox.

Na figura abaixo, apresenta-se os impactes ambientais da construção do equipamento DED, com a contribuição de cada subsistema na categoria de Aquecimento Global.

Total de impactes do equipamento DED na categoria de Aquecimento Global por subsistema.

Com a informação recolhida, foi realizado um estudo de LCA para o caso de estudo da GLN, de forma a validar o inventário de ciclo de vida criado, verificar o desempenho ambiental do sistema DED e demonstrar o seu potencial de redução de impactes ambientais. Com o objetivo de identificar e quantificar a pegada de carbono relativa à reparação do postiço da GLN, através da tecnologia DED, o estudo de ACV pretendeu analisar um processo de fabrico híbrido de reparação, de forma a comparar com o processo convencional de descarte e produção de um novo postiço. Ressalva-se que o sistema em causa é uma demonstração laboratorial, com alguns dados hipotéticos e como tal, não está preparada para produções de grande escala. As fronteiras do sistema apresentam-se próxima figura.

Fronteira dos sistemas em análise

O caso de estudo analisado é um postiço de aço inoxidável, produzido de forma convencional, que durante a sua utilização sofre uma quebra ou defeito. Seguindo o business-as-usual (BAU), o postiço seria descartado. Com esta nova tecnologia, o postiço danificado é direcionado para o processo de fabrico híbrido onde é efetuado o corte da zona afetada, seguindo depois para o sistema DED onde é depositado aço inox na peça, reconstituindo a parte previamente cortada em apenas 30 segundos. Findo o processo de fabrico aditivo, o postiço é de novo maquinado para dar a forma e acabamento necessário, sendo posteriormente enviado para o utilizador, que usufruirá da peça durante mais tempo. Esta abordagem permite um menor tempo de resposta na reposição do componente.

Postiço danificado.

O estudo de LCA focou-se nos processos que ocorrem quando o postiço chega já danificado ao processo de fabrico híbrido, ou seja, analisou-se os processos de corte, fabrico aditivo com a tecnologia DED e acabamento por maquinação. Também foi analisado o cenário BAU do fabrico convencional de um novo postiço através de fresagem para efeitos de comparação. A unidade funcional – para a qual serão quantificados os fluxos energéticos, mássicos e os resultantes impactes ambientais – será de um postiço reparado e funcional, com uma massa de 64 gramas de aço inox.

Na construção do Inventário, a informação recolhida veio maioritariamente do trabalho de campo realizado para construir o sistema no laboratório do INEGI e dos dados de fabricantes relativos aos subsistemas e componentes. Foram também recolhidos os consumos de material, eletricidade e de árgon durante o processo de impressão 3D. Neste caso de estudo, o postiço é constituído por aço inoxidável. Para o processo de fabrico aditivo, foi contabilizada a produção do pó de aço 316L (Azom Materials) através do processo de atomização (Liu et al., 2018). Sempre que necessário, foram utilizados dados de componentes similares e aproximações mássicas para colmatar a falta de informação. Após a recolha de dados primários, foi feita a correspondência com os materiais e processos existentes para o contexto europeu na base de dados de ciclo de vida Ecoinvent v3.6 (Wernet et al., 2016) para obter os fluxos decorrentes da extração e produção dos materiais e componentes em análise. A partir desta base de dados, foi possível estimar os fluxos decorrentes da produção de aço inoxidável, bem como dos processos de corte, fresagem e tratamento para fim de vida de aparas e pó (sucata) para cada cenário. O processo de consumo de eletricidade em Portugal foi adaptado para o mix energético existente entre agosto de 2019 e agosto de 2020, através da informação disponibilizada pela APREN (APREN, 2020) e a DGEG (DGEG, 2019). No cenário BAU, assumiu-se uma massa de 117 gramas para a peça a ser maquinada por fresagem para formar o novo postiço.

Findo o ICV, a quantificação das emissões de gases de efeito de estufa foi realizada com uso do software Simapro v9.1.0.7 e do método ReCiPe 2016 v1.1 Midpoint (H) (Huijbregts et al., 2017) através da categoria de impacte GWP (Global Warming Potential – Potencial de Aquecimento Global), expressa em quilogramas equivalentes de CO2 (kg CO2 eq) por postiço funcional. Os resultados estão apresentados na Figura 18 para o fabrico convencional de um novo postiço por fresagem e a reparação através do processo de fabrico híbrido.

Comparação entre os potenciais de Aquecimento Global da reparação por processo híbrido e a produção convencional, expressos em kg de CO2 eq por unidade funcional – um postiço reparado e funcional.

Observando o gráfico, verifica-se que o processo convencional possui mais impactes do que o processo híbrido. O processo de produção convencional gera cerca de 0,72 kg de CO2 eq e o processo de reparação gera 0,53 kg de CO2 eq. No cenário de reparação, o processo de fabrico aditivo domina os restantes devido ao consumo de árgon e a utilização de aço 316L em pó. O corte da parte danificada não possui uma contribuição relevante para os impactes totais do processo (0,01 kg de CO2 eq) e a maquinagem neste cenário de reparação contribui com 0,11 kg de CO2 eq. Por sua vez, o potencial de aquecimento global do processo BAU gera 0,72 kg CO2 eq, considerando uma massa inicial de 117 g de aço inox na peça a maquinar.

Apesar de haver uma redução relevante de 26% da pegada de carbono no processo de reparação, é necessário ter em consideração os pressupostos tomados inicialmente para que o estudo pudesse ser conduzido. Um dos principais dados para o cálculo dos impactes do cenário BAU é a massa inicial da peça a maquinar. Neste caso, assumiu-se uma peça com um volume muito próximo da peça final, mas esta situação nem sempre acontece. Outro aspeto é a quantidade de área/volume da peça danificada, que pode também influenciar as conclusões.

O cenário de reparação tem elevado potencial para melhorar o desempenho ambiental do postiço analisado. Extrapolando para outros casos, com peças maiores que necessitem de reparação, a tecnologia de fabrico híbrido tem potencial para não só reduzir os impactes gerados pelo fabrico e substituição destas peças, como também reduzir custos e tempo de espera na reposição da peça.

Exemplos de peças de maiores dimensões reparadas com fabrico aditivo.

Os resultados da comparação do desempenho ambiental destas tecnologias estão altamente dependentes do caso de estudo em questão, nomeadamente das características dimensionais da peça inicial e da parte da peça a reparar. À medida que as especificações geométricas da peça se tornam mais complexas, a tecnologia de fabrico aditivo torna-se mais vantajosa, melhorando o desempenho ambiental e reduzindo o tempo de processamento face às tecnologias de produção convencionais.

Assim, ao possibilitar a redução do tempo de manutenção e custos associados, esta tecnologia FA permite aumentar a disponibilidade e capacidade de resposta do sistema onde se insere o componente. Com os resultados obtidos, verifica-se assim que a tecnologia de fabrico híbrido é uma ferramenta potenciadora de inovação para o desenvolvimento de um ecossistema industrial mais económico, competitivo, circular e sustentável.

O estudo LCC do equipamento DED foi iniciado através do levantamento de faturas e outros documentos para a contabilização dos custos associados à montagem deste equipamento. A figura apresenta a caracterização económica do equipamento DED por subsistema.

Análise de faturas: Contribuição de cada subsistema para o custo total do equipamento DED.

Após o levantamento das faturas e outros documentos para a contabilização dos custos associados à montagem deste equipamento, foi possível determinar e caracterizar os custos deste equipamento ao longo do seu ciclo de vida para o caso de estudo referido, tendo em conta cada fase de desenvolvimento, utilização e fim de vida.

A caracterização da fase de utilização do equipamento DED apresenta-se na seguinte:

Parâmetros de caracterização para a fase de utilização do sistema DED – Caso de Estudo GLN.

Framework da metodologia de LCC.

Os resultados apresentam-se na Figura seguinte, agregados em termos proporcionais relativamente aos custos totais da utilização desta tecnologia na reparação de um postiço danificado, cujas fronteiras de sistema foram já definidas no estudo de LCA.

Contribuição dos custos ao longo do ciclo de vida de 10 anos da tecnologia DED.

Os resultados indicam que a maioria dos custos derivam da fase de utilização da tecnologia, maioritariamente provenientes dos gastos a nível de materiais (aço em pó 316 L e árgon). A aquisição do sistema DED corresponde a cerca de um terço dos custos totais de ciclo de vida. Dentro deste grupo de custos, os componentes constituintes do sistema do laser geraram a maior quantidade de custos associados, seguido do sistema do braço Robot e da cabeça de impressão. Assim, o custo total por postiço reparado atingiu o valor de 3,37€, quando se considera os custos de externalidades associadas a futuras taxas ambientais. Sem estas externalidades, o custo total é de 2,98€ por postiço reparado.

Na tarefa T5.3.2 Modelos de Ecoeficiência pretendeu-se desenvolver e aplicar um modelo de ecoeficiência para processos de fabrico aditivo. Assim, foram desenvolvidas ferramentas integradas para avaliar a ecoeficiência dos elementos envolvidos num processo de fabrico aditivo, com o objetivo de avaliar, gerir e melhorar a eficiência do consumo dos recursos e consequentemente apoiar à decisão informada na identificação de estratégias para melhorar a eficiência global dos sistemas de produção.

Modelo de ecoeficiência para caso estudo e estado de desenvolvimento

Metodologia da ecoeficiência. Adaptado de [4].

De forma a determinar a ecoeficiência para o caso de estudo em questão (peça de metal), procedeu-se à recolha dos dados de reparação via DED e da produção via fabrico convencional, bem como dos resultados do estudo de LCA e LCC também para ambas as tecnologias.

Representação esquemática do cálculo da ecoeficiência no âmbito do projeto Add.Additive.