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Rastejar, Andar, Correr: Um Vislumbre da Adoção Gradual da Manufatura Aditiva na Indústria de Defesa


Militares da Guarda Nacional dos Estados Unidos

De acordo com a Estratégia Nacional de Defesa publicada em 2018, os Estados Unidos destacam a inovação tecnológica americana como um princípio fundamental de seu plano para "estar preparado para defender a pátria, permanecer como a potência militar predominante no mundo, garantir que os equilíbrios de poder permaneçam a nosso favor e promover uma ordem internacional que seja mais propícia à nossa segurança e prosperidade." (Departamento de Defesa dos Estados Unidos, 2018) Para reforçar este plano, foram formadas entidades de inovação em defesa que permeiam todas as áreas militares. NavalX, Comando Futuro do Exército, RapidX, AFWERX, SPACEWERX, Unidade de Inovação de Defesa, Laboratório de Aplicações do Exército e Fábrica de Software do Exército estão entre os grupos mais conhecidos.


A manufatura aditiva (AM) está entre as tecnologias-chave identificadas como críticas para os esforços de defesa futuros. No entanto, para que a indústria de defesa realize todo o potencial da tecnologia AM, deve haver uma ênfase maior na exposição e educação em AM de curto prazo em todas as áreas funcionais dentro do militar em uma escala muito maior do que a atual. A exposição limitada existente à tecnologia AM em campos e especialidades ocupacionais específicas, como manutenção e aviação, dificulta o potencial de impacto da impressão 3D no militar.


A Essentium Inc., em parceria com o National Guard Bureau e a Força Aérea dos Estados Unidos, teve a oportunidade de conversar com membros de diversos escalões e especialidades ocupacionais sobre como a MA poderia potencialmente expandir-se em todo o setor militar.

Em um exercício de brainstorm de 60 minutos, vários operadores de transporte motorizado da Guarda Nacional do Exército conseguiram identificar 12 aplicações baseadas em polímeros que melhorariam drasticamente a qualidade de vida e a segurança, reduziriam as horas de trabalho e otimizariam os fluxos de trabalho existentes. Quando soldados do corpo de sinais responderam ao mesmo conjunto de perguntas, seus materiais desejados e aplicações finais variaram consideravelmente em relação ao grupo anterior. Enquanto os soldados de transporte e manutenção focavam em ferramentas personalizadas não condutivas, calços de roda de veículos e reposições atrasadas para peças de borracha degradadas, os soldados do corpo de sinais concentravam-se em aplicações de materiais seguros para ESD, gerenciamento de cabos e bandejas de manutenção. Essas variações observadas ocorrem também em componentes militares dos EUA. Os membros da Guarda Nacional Aérea rapidamente apontaram as necessidades de polímeros em botas e bonés de voo, proteção personalizada contra FOD e gabaritos e dispositivos para necessidades avançadas de manutenção e usinagem.


Time da Essentium e Guarda Nacional Militar dos Estados Unidos

Com base nessas interações, é evidente que, com um aumento da exposição e educação sobre as capacidades da MA, outros membros de áreas profissionais como engenheiros de combate, armas de combate, médicos, defesa aérea e artilharia podem encontrar novas formas em que componentes de polímeros rápidos e personalizados possam aumentar a prontidão individual e das unidades.


Presos na Fase de Rastejar


A frase militar comum "rastejar, andar, correr", usada para apoiar uma abordagem em fases para o treinamento, está se tornando cada vez mais prevalente na implementação da impressão 3D. O Laboratório Expedicionário da Força de Equipamentos Rápidos do Exército dos Estados Unidos tem utilizado impressoras 3D em um ambiente implantado por mais de uma década, e o Corpo de Fuzileiros Navais começou a introduzir impressoras 3D de mesa em unidades de primeira linha já em 2016.


A experimentação da MA e impressão 3D em aplicações militares tem estado na fase de "rastejar" para esses grupos há algum tempo. No outro extremo do espectro, a adoção pela Força Aérea e pela Marinha de AM de alta resistência em depósitos estratégicos está ganhando impulso. Estes ramos estão "correndo" enquanto atendem a usuários avançados que precisam de acesso a materiais de engenharia de alta qualidade para produtos finais altamente técnicos ou exigentes.


A Extrusão de Alta Velocidade da Essentium oferece a oportunidade de preencher a lacuna entre esses dois níveis de experiência e "andar" o usuário através do desenvolvimento de suas habilidades fornecendo um conjunto de ferramentas completo que pode ter um verdadeiro impacto dentro de suas formações.



sola de tração para neve impressa pela Essentium para a Guarda Nacional dos EUA

Ação da Extrusão de Alta Velocidade


Engenheiros de aplicação da Essentium criaram dois modelos para provar como a MA rapidamente escalável pode impactar os membros da Guarda Nacional dos Estados Unidos e militares que operam em ambientes áusteros. O primeiro foi uma sapatilha de tração para membros de serviço da linha de frente, para ilustrar como a Extrusão de Alta Velocidade pode criar equipamentos de usuário final rapidamente sob demanda. A necessidade desse tipo de solução tornou-se mais evidente quando o Texas enfrentou uma severa tempestade de inverno que interrompeu as cadeias de suprimentos e deixou os socorristas com equipamentos inadequados para o inverno ao resgatar motoristas presos.


multi-grip impresso pela impressora 3D Essentium

O segundo foi um multi-pegador de aptidão pessoal construído para possibilitar a inovação na linha de frente e aumentar a prontidão física. Ao fornecer um multi-pegador que os membros do serviço podem prender a qualquer objeto pesado com segurança, a Essentium demonstrou como produções similares podem melhorar a prontidão em escala. A Extrusão de Alta Velocidade dá aos membros do serviço a liberdade de trabalhar e inovar sem medo de danificar peças de equipamento altamente valiosas ou sensíveis. Essa mesma liberdade permite que eles se adaptem a uma variedade mais ampla de ambientes de treinamento com mais facilidade, através de acesso sem precedentes a itens anteriormente considerados impraticáveis ou inalcançáveis.


Este acesso tem reforçado ainda mais os avanços na tecnologia de MA através da Extrusão de Alta Velocidade. A redução do tempo de impressão aumenta a produção de produtos, mas, mais importante ainda, a experiência e o acesso ao equipamento. Máquinas mais lentas reduzem essa capacidade em unidades militares, levando o dobro do tempo para produzir qualquer produto, desde simples auxílios de treinamento até peças complexas de uso final. Sem o benefício da velocidade, um usuário pode ocupar uma única impressora por mais de 10 horas, preenchendo um dia inteiro de trabalho em uma iteração.


Além disso, quaisquer ajustes ou erros prolongam o tempo de produção da peça, fazendo com que o usuário ocupe uma máquina por dias. Esse processo prolongado tem segundos e terceiros efeitos que limitam severamente a capacidade da MA, já que a impressão de peças deve passar por um processo de filtragem de prioridade. O fator velocidade também afeta as forças da Guarda Nacional e da Reserva, que já enfrentam cronogramas apertados e dias de treinamento comprimidos. Esses usuários precisam de acesso a tecnologia rápida que lhes permita realizar múltiplas iterações ao longo de um fim de semana ou período de treinamento de duas semanas. A velocidade é crucial na produção de peças, mas, mais importante ainda, concede um acesso mais amplo à tecnologia de MA.



representante da essentium apresentando as impressoras para o setor militar

É difícil imaginar uma força de combate moderna sem acesso a computadores desktop e laptops. A tecnologia permeia a comunicação dentro da sociedade moderna e se incorporou em todo o aparato militar. O uso generalizado de vários softwares e aplicativos de informação atualmente permite que os usuários realizem uma ampla gama de tarefas críticas para a missão, desde módulos de treinamento anualmente requeridos até operações de inteligência extremamente sensíveis. Habilidades em informática, independentemente da ocupação militar, são uma necessidade nas forças armadas modernas. Conforme a Indústria 4.0 começa a tomar forma no mundo moderno, a natureza altamente técnica do design e a capacidade de impressão sob demanda se fundirão com tecnologias avançadas como aprendizado de máquina e IoT. Esse desenvolvimento contínuo de "coquetéis" tecnológicos reduzirá drasticamente a barreira de entrada para a impressão 3D e a MA em uma taxa crescente. O potencial de curto prazo para a MA revolucionar a logística de hardware e equipamentos ecoa o impacto histórico que os computadores tiveram nas operações de informação e comunicação dentro da indústria de defesa.



militar inspecionando uma peça impressa em 3D

Obstáculos na Adoção


Os maiores obstáculos para a implementação em escala da MA dentro do meio militar são a aversão ao risco, preocupações com propriedade intelectual e acesso a plataformas abertas robustas. Surgiram crescentes preocupações sobre as capacidades e vulnerabilidades da MA e impressão 3D. Vale ressaltar o potencial para os usuários criarem ou imprimirem equipamentos ou itens não autorizados que poderiam comprometer a segurança dos membros do serviço ou serem explorados por adversários envolvidos em ciberataques. A alteração de um arquivo de impressão 3D para um componente crítico em um sistema de armas poderia ter repercussões terríveis no campo de batalha, conforme uma auditoria realizada pelo Inspetor Geral dos Estados Unidos em 2021. Novamente, essa mesma preocupação espelha a implementação anterior de tecnologias de computação dentro das formações militares, mas agora se tornou comum e crítica para o sucesso da missão.


Para combater esses riscos, o militar produziu programas de treinamento que informam os usuários de computadores sobre como evitar contratempos. Há uma ênfase na responsabilidade do usuário final que é reforçada por meio do treinamento. Esperar que a MA seja "perfeita" antes de começar a implementação em grande escala a força a trilhar o mesmo caminho de outras tecnologias que ficaram significativamente para trás no setor de defesa, como os sistemas aéreos não tripulados pequenos (S-UAS). Assim como a implementação do S-UAS, os usuários finais militares ficarão presos em sistemas "comprovados" que oferecem escopo ou capacidade limitados, que rapidamente são ultrapassados pelo mercado comercial mais ágil e competitivo. O resultado ainda é sentido até hoje; apesar de avanços significativos e acessibilidade, os combatentes americanos não têm acesso comum a sistemas não tripulados rápidos e descartáveis. Se a aversão ao risco mais uma vez for permitida a se espalhar através da implementação de tecnologia dentro das fileiras, o setor comercial e privado começará a desenvolver capacidades de MA que superam em muito as das militares, reduzindo sua eficácia na guerra convencional e não convencional.


O segundo obstáculo é o da propriedade intelectual e a falta de orientação clara dentro das formações. A capacidade de digitalizar objetos físicos em 3D está se tornando cada vez mais acessível ao usuário médio, com smartphones e dispositivos semelhantes integrando LiDAR para aprimorar programas de realidade aumentada. Desenvolvedores já criaram aplicativos de digitalização surpreendentemente poderosos que criam arquivos que podem ser impressos. Os fabricantes de hardware agora enfrentam uma pergunta quase idêntica à que a indústria da música enfrentou com o surgimento dos gravadores de CD: o que acontece quando a capacidade do usuário excede a disponibilidade do mercado ou permite que eles contornem completamente os processos? Não há escassez de respostas propostas para essa pergunta. Por exemplo, os principais contratantes militares podem apoiar o processo de manufatura aditiva adotando a tecnologia organicamente para criar peças sob demanda rapidamente ou podem transferir a responsabilidade pela fabricação diretamente para os usuários finais com uma porcentagem razoável da produção de peças.



reunião de militares conhecendo a manufatura aditiva

O ex-chefe do Comando de Material do Exército dos Estados Unidos, o General Gus Perna, disse: "Eu só preciso dos direitos para produzir as capacidades para o equipamento que compramos. É para a execução da substituição desses impulsionadores de prontidão, não para substituir a cadeia de suprimentos." Este conceito importante tem sido um ponto particular de estagnação entre o avanço da MA e é objeto de discussões em curso entre profissionais da indústria e da defesa. Quando perguntado se eles haviam colocado alguma peça fabricada por adição não crítica em veículos, um mecânico de veículos de rodas da Guarda Nacional do Texas simplesmente balançou a cabeça e respondeu: "A peça funciona muito bem. Só não sei se tenho permissão para mantê-la lá." À medida que a impressão 3D ganha momentum de ambos os lados, tanto na adoção estratégica quanto na do usuário final, torna-se fundamental treinar uma ampla variedade de profissões militares sobre o potencial da manufatura aditiva. Isso leva ao terceiro obstáculo para a MA em escala.


O terceiro obstáculo para a MA em escala é o acesso à tecnologia alvo. As impressoras 3D de mesa estão diminuindo de preço e se tornando mais comuns. No entanto, a velocidade e as capacidades de material dessas impressoras não atendem às necessidades dos combatentes. Por outro lado, as máquinas de MA industriais são tradicionalmente mais caras, com plataformas fechadas que oferecem pouca liberdade ao usuário e o prendem em portfólios de materiais específicos da marca. Isso reduz significativamente a capacidade de missão e limita o acesso à tecnologia. Em 2021, a Marinha dos Estados Unidos concedeu um contrato de US$ 20 milhões para comprar capacidades avançadas de manufatura aditiva para escalar a tecnologia.


O resultado foi a compra de 25 máquinas e incluiu material de suporte e pacotes de treinamento. Embora a compra tenha sido um marco significativo para a indústria de manufatura aditiva, vale ressaltar que a Marinha dos Estados Unidos tem aproximadamente 80 bases dentro e fora do território continental dos Estados Unidos. Uma compra emelhante de US$ 20 milhões em Plataformas de Impressão 3D Essentium HSE equivaleria a mais de 85 impressoras 3D HSE 280i HT, materiais de suporte, treinamento e equipamentos DryBox para armazenamento de materiais. Considerando que a capacidade da Impressora 3D HSE 280i HT oferece dois cabeçotes de impressão completamente independentes em uma única máquina, esse número aumenta para efetivamente dobrar a capacidade disponível para o combatente.



Impressoras Essentium no setor militar

Conclusão


O setor militar e a indústria de defesa não são estranhos à impressão 3D. No entanto, historicamente, a velocidade necessária para tornar a tecnologia aplicável e útil para formações inteiras tem sido ausente. A Essentium continua a desafiar limites e abrir caminhos de capacidade para uma variedade de indústrias. Esses avanços têm chamado a atenção de profissionais de várias indústrias. Se o Departamento de Defesa está focado em desafiar as expectativas e verdadeiramente colocar a inovação nas mãos do combatente, então a escalabilidade das capacidades de manufatura aditiva em toda a força é uma maneira sólida de entrar na próxima fase.



Logo da voxel manufatura com fundo transparente



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