Como a Northrop Grumman transformou o uso de ferramentas para acelerar o desenvolvimento de motores de foguete.
Customer
Northrop Grumman
Headquarters
Falls Church, Virginia, USA
Industry
Aerospace and Defense
Employees
95,000
Um dos motores de foguete mais icônicos já projetados quase não decolou. Os engenheiros responsáveis pelo desenvolvimento dos motores de foguete F-1 do Apollo Saturn V ficaram desorientados com um problema que fazia com que os motores explodissem durante os testes em bancada. Foi somente quando a equipe adotou uma abordagem inovadora — uma nova forma de pensar — para o design padrão do sistema de injeção de combustível que conseguiram alcançar a estabilidade da combustão e o sucesso, permitindo que a humanidade chegasse à Lua.
Avançando sessenta anos, a Northrop Grumman, uma desenvolvedora contemporânea de motores de foguete, está adotando uma abordagem inovadora semelhante para superar os desafios complexos da produção. Agora, o desafio é o tempo excessivo na cadeia de suprimentos de ferramentas, que está causando atrasos significativos no desenvolvimento de novos motores de foguete. Em vez de aceitar a situação atual, a equipe da Northrop Grumman desbravou um novo caminho ao adotar a manufatura aditiva para substituir as ferramentas de metal que estavam provocando atrasos no desenvolvimento de novos motores. O resultado foi uma diminuição significativa no tempo de produção de ferramentas, permitindo a criação de um novo motor de foguete em menos de um ano.
A Northrop Grumman Propulsion Systems tem uma longa trajetória no desenvolvimento de motores de foguetes sólidos, oferecendo soluções de elevação para aplicações em foguetes de defesa, civis e comerciais ao longo de mais de 60 anos. A equipe da Northrop Grumman chegou a fornecer motores de foguete para as missões Apollo que levaram os astronautas à Lua. O sucesso em um nível tão elevado exige inovação constante e uma cadeia de suprimentos robusta para superar os desafios técnicos, de custo e de cronograma que surgem em qualquer programa de desenvolvimento de produtos. No entanto, as cadeias de suprimentos são frágeis, como evidenciado pela pandemia de COVID-19, embora essa não seja a única causa dos problemas enfrentados. Tensões políticas, guerras comerciais e desafios geopolíticos similares representam ameaças contínuas à estabilidade das cadeias de suprimentos, ressaltando a importância de estratégias como internalização e nearshoring. No desenvolvimento de motores de foguete, um dos pontos críticos é a aquisição de novas ferramentas para moldar o propelente sólido dentro da carcaça do motor, de forma a atender aos requisitos da missão. Para a Northrop Grumman, as questões da cadeia de suprimentos mencionadas podem resultar em atrasos de mais de um ano nos prazos de produção de ferramental para alguns projetos.
Chase Smaellie, engenheiro de ferramentas da Northrop Grumman, tem ampla experiência com os atrasos nas aquisições que impactam os cronogramas dos projetos: “Durante a pandemia de COVID, muitos fornecedores fecharam suas portas, e enfrentamos grandes dificuldades — e ainda enfrentamos — para conseguir peças grandes, forjadas, fundidas e soldadas. Leva muito mais tempo do que deveria para integrar alguns desses equipamentos maiores na empresa.”
As consequências das interrupções na cadeia de suprimentos vão além dos simples atrasos no cronograma. Como qualquer fabricante sabe, os intervalos na produção resultam em um lançamento do produto mais tardio, e não mais rápido. Em um setor competitivo, isso pode levar à perda de oportunidades de negócios. Os atrasos no processo comprometem a capacidade de responder rapidamente a mudanças nas condições de mercado, novas exigências dos clientes ou tendências emergentes. Além disso, esses atrasos prejudicam os cronogramas de entrega, resultando em expectativas frustradas dos clientes, diminuição da confiabilidade da empresa e perda de vendas.
Para enfrentar essas dificuldades, a Northrop Grumman adotou uma abordagem inovadora. A empresa desenvolveu o Solid Motor Annual Rocket Technology Demonstrator, conhecido como SMART Demo. É um programa anual projetado para impulsionar o desenvolvimento de motores de foguete, com foco em ferramentas, materiais e design. O SMART Demo visa atender às necessidades específicas da indústria e dos clientes, além de enfrentar os desafios do processo.
Um aspecto da demonstração SMART 2023 abordou diretamente a questão dos prazos de entrega prolongados para o ferramental. Em vez de depender das tradicionais ferramentas metálicas para moldar o propelente dos motores de foguete, a Northrop Grumman recorreu à tecnologia FDM® de manufatura aditiva da Stratasys para agilizar o processo, utilizando impressão 3D para criar ferramentas de formas complexas. O resultado foi a conclusão do molde em uma fração do tempo necessário para adquirir ferramentas de metal. Enfatizando o valor da manufatura aditiva em comparação com os materiais tradicionais, Smaellie afirma: “É necessário. A fabricação interna em larga escala é vantajosa. Estamos reduzindo um ano de tempo de fabricação para seis semanas.”
No entanto, além de confirmar a manufatura aditiva como uma solução para interrupções na cadeia de suprimentos, a SMART Demo 2023 também destacou a importância da tecnologia de polímeros como uma alternativa ao metal. Como o propelente do motor de foguete é fundido a altas temperaturas, é essencial que qualquer material polimérico utilizado para moldar o propelente resista a essas condições extremas. Com base nos resultados bem-sucedidos, especialmente na redução do tempo de ciclo das ferramentas, a SMART Demo 2023 validou o valor da abordagem de polímeros como alternativa ao metal. Com base nesses resultados, espera-se que a tecnologia de manufatura aditiva ajude a reduzir os prazos de entrega e a acelerar a produção de novos motores de foguetes sólidos
Por várias décadas, os pioneiros da Manufatura Aditiva utilizaram a tecnologia como uma forma mais rápida e econômica de produzir gabaritos, fixadores e outras ferramentas de manufatura, tradicionalmente feitas de metal. No entanto, para alguns fabricantes, o uso de polímeros em vez de metal, especialmente para aplicações de ferramentas de alta exigência, nem sequer é considerado. Isso geralmente se deve a um desconhecimento das capacidades da manufatura aditiva com polímeros. No entanto, a Northrop Grumman seguiu um caminho distinto, demonstrando confiança de que a tecnologia de manufatura aditiva com polímeros pode ser uma alternativa eficaz ao metal, especialmente para projetos que exigem um desenvolvimento rápido.
Para a demonstração SMART 2023 da empresa, um requisito fundamental para o uso de manufatura aditiva era identificar materiais com propriedades adequadas para as aplicações específicas. As ferramentas para o molde do motor de foguete precisavam ser compatíveis com o propelente e os solventes de limpeza utilizados. Ele também precisa ser devidamente aterrado eletricamente para prevenir o acúmulo de estática e evitar descargas acidentais que poderiam inflamar o propelente de forma catastrófica.
Os materiais de manufatura aditiva que atenderam a esses requisitos foram o ABS-ESD7™, um plástico ABS resistente a descargas eletrostáticas e o Antero® 840CN03, um polímero à base de PEKK com alta resistência, excelente resistência química e propriedades de descarga eletrostática. “Nós escolhemos o Antero. Escolhemos o Antero devido às suas propriedades mecânicas superiores e à sua resistência a solventes. Limpamos nossos núcleos e as ferramentas com solventes. (Antero) resistiu a isso”, conta Smaellie.
As propriedades dissipativas eletrostáticas (ESD) do Antero ofereceram outro benefício significativo. “Muitos dos nossos processos são voltados para a prevenção de faíscas, seja por contato metal-metal ou problemas de condutividade com isoladores”, afirma Smaellie. “Nossos protocolos de segurança internos nos direcionam a buscar materiais condutores que não gerem faíscas, e o Antero atende a esse requisito. As propriedades de materiais eram atraentes para fins de segurança”, acrescenta Smaellie.
O tamanho do ferramental foi outro desafio com o qual os engenheiros da Northrop Grumman tiveram que lidar. O projeto principal do motor do foguete tinha aproximadamente 3 metros de comprimento. Fabricar a ferramenta de molde para o núcleo envolvia imprimir várias peças grandes. Isso exigiu uma impressora 3D com volume suficiente para construir cada grande seção. No final, a Northrop Grumman imprimiu o núcleo em quatro peças usando as impressoras Stratasys F900 da empresa. Segundo Smaellie, a F900 oferecia a vantagem de “um grande volume de montagem e alta precisão”. Além disso, a confiabilidade da impressão foi um fator importante, dado que o tempo necessário para imprimir cada seção era considerável.
Outra vantagem de imprimir a ferramenta, em vez de usar ferramentas metálicas tradicionais, foi a redução de peso. A impressão com um preenchimento personalizado (uma estrutura interna não sólida e semelhante a um favo de mel) forneceu a integridade estrutural necessária, minimizando o peso. A flexibilidade no design proporcionada pela impressão 3D também possibilitou a inclusão de fixadores integrados, que foram essenciais para a usinagem pós-impressão das superfícies de acoplamento das seções principais.
A lição para outros usuários de manufatura aditiva, com base na experiência SMART Demo 2023 da Northrop Grumman, é que as ferramentas de manufatura aditiva de polímero têm um potencial significativamente amplo e oferecem um retorno favorável em suas aplicações. Embora o material Antero compatível com ESD tenha sido inicialmente desenvolvido para peças de espaçonaves, Chase Smaellie e a equipe da Northrop Grumman reconheceram seu potencial para uma aplicação de ferramentas. O resultado foi uma redução significativa no tempo de produção, o que permitiu a fabricação de um novo motor de foguete em um período muito mais curto. Essa abordagem de “pensar fora da caixa” continua a gerar resultados positivos, proporcionando à equipe o conhecimento necessário para alcançar ainda mais benefícios nos futuros demonstradores SMART anuais.
A substituição de polímero por metal, é claro, depende dos requisitos estruturais específicos de cada peça. Mas a disponibilidade de materiais poliméricos de alto desempenho abre novas portas, oferecendo oportunidades para evitar o processo caro e demorado de usinagem de metal multieixo. Smaellie afirma: “A impressão 3D realmente brilhará quando conseguirmos substituir grandes peças forjadas e componentes complexos de máquinas de cinco eixos por Antero.” “Já estamos observando isso com outros componentes que estamos produzindo com o Antero, além dos núcleos futuros. E é justamente aí que começamos a observar uma economia antecipada em dólares e centavos para essas peças, além de ganhos em velocidade e valor a longo prazo”, acrescenta.
Não há uma solução única que resolva todos os problemas que podem surgir em uma cadeia de suprimentos complexa. As soluções podem ser tão variadas quanto as próprias causas. No entanto, a manufatura aditiva demonstrou sua capacidade de reduzir significativamente os atrasos no tempo de entrega, especialmente no que diz respeito a ferramentas. A disponibilidade de polímeros especiais e de alto desempenho, como o Antero, possibilita o desenvolvimento de aplicações de ferramentas inovadoras.
No final das contas, o que realmente importa são as oportunidades de negócios que a tecnologia de manufatura aditiva possibilita. Chase Smaellie ressalta as vantagens do ciclo de desenvolvimento reduzido proporcionado pela manufatura aditiva: “Quando consideramos a entrega e o pagamento de um cliente, e como estamos atendendo aos nossos prazos e responsabilidades, conseguimos ver o impacto significativo que isso tem em nossos negócios.” Ele acrescenta: “Estamos recuperando uma quantia considerável ao cumprir os prazos e acelerar o processo por meio da adoção de novos métodos. Produzir e testar um motor em apenas um ano para o projeto SMART Demo abriu novas oportunidades para nossa empresa.”
