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Modelo de Custo para Fabricação Aditiva em Metal: Aplicação no Setor AeroespacialModelo de Custo para Fabricação Aditiva em Metal: Aplicação no Setor Aeroespacial
fabricação aditiva, mais conhecida como impressão 3D, é A um processo de fabricação que difere do tradicional na
medida em que se baseia na adição de material, camada a
camada, para construir a peça desejada (Syed, 2015). A
fabricação aditiva pode ser aplicada a um espectro alargado de
materiais, como polímeros, cerâmicos, sistemas biológicos e
metais (Frazier, 2014).
A fabricação aditiva em metal (FAM) é uma tecnologia recente e
que carece ainda de estudo e desenvolvimento em vários
domínios, como o estudo de propriedades mecânicas e
materiais, software, tratamentos de pós-processamento,
otimização de design e criação de diretrizes (Herderick, 2011).
No entanto, a FAM permite o desenvolvimento de aplicações que
não eram possíveis até agora, como próteses ortopédicas
personalizadas (Singh and Ramakrishna, 2017), turbinas a gás
mais complexas e eficientes (Metal AM, 2017) e bocais de motor
a jato que combinam 20 peças numa única parte (Kellner,
2014). Além disso, a FAM oferece vantagens relevantes como a
possibilidade de fabricar peças mais leves e com designs mais
complexos (Attaran, 2017). Devido à liberdade de fabricação e à
otimização topológica, a FAM permite aumentar a eficiência da
peça resultando frequentemente na redução de material utilizado
e, em consequência, de peso da peça (Seabra et al., 2016).
No sector aeroespacial, a redução de peso é de elevada
importância, uma vez que o uso de componentes mais leves
numa aeronave permite reduzir o seu peso total e, por isso,
utilizar menos combustível, reduzindo custos e emissões
poluentes (Lyons, 2011).
Apesar das vantagens de integração e aplicação da FAM no
sector aeroespacial, é importante estudar esta tecnologia sob
um ponto de vista económico. A eficiência económica da FAM
pode ser avaliada usando um modelo de custo que tem em conta
os fatores envolvidos na produção de uma peça, as
características da máquina, o material usado, o processo
utilizado e mão-de-obra necessária (Hopkinson and Dickens,
2003). Esta análise permite fazer uma comparação com
métodos de fabricação tradicionais, o que, em última instância,
permite compreender qual o método mais vantajoso de produção
(Ruffo et al., 2006).
Para analisar a eficiência económica da FAM, utilizou-se como
caso de estudo um componente de suporte aeronáutico,
fabricado em aço inoxidável, numa máquina de FAM,
desenvolvida pela ADIRA e localizada no Centro de Engenharia e
Desenvolvimento de Produto (CEiiA), em Matosinhos. Esta
máquina usa o processo de fusão em cama de pó (PBF), onde o
material é disposto, em camadas, numa cama de pó. Parte do
material, correspondente à secção do componente que está a
ser fabricado, é fundido por um laser (fonte de energia mais
comum) ou feixe de eletrões (Gibson et al., 2015). Este processo
é repetido as vezes necessárias até o componente estar
completo.
No seguimento do trabalho desenvolvido por Ruffo et al. (2006),
a análise que se apresenta neste artigo considera os custos
segmentados em duas categorias: custos diretos e indiretos. Os
custos diretos (€) são associados à construção da peça e estão
diretamente relacionados com o número de peças produzidas.
Por outro lado, os custos indiretos (€/hora) são custos fixos e
independentes do número de peças que integram a produção.
Os custos diretos foram organizados tendo em conta as várias
fases do processo de produção: no pré-processamento incluem-
se os tempos de preparação dos ficheiros STL e CAD da peça, de
carregamento dos ficheiros e pré-aquecimento da máquina
(horas); no processamento incluem-se o tempo de fabricação
(horas), a taxa de rejeição (%), o peso da peça (em kg), o preço do
material utilizado (€/kg), o preço da eletricidade (€/kWh) e a
potência da máquina (kW); por fim, no pós-processamento estão
incluídos os custos dos tratamentos térmico, de erosão a fio e
shot peening (€/produção).
Os custos indiretos foram também organizados em três
categorias: custos gerais de produção, nos quais se incluem a
renda anual por unidade de área da zona onde se efetua a 2 2produção (€/ano.m ) e a área necessária para a produção (m );
custos gerais de administração, nos quais se contabilizam as
compras de hardware e software (€) e o custo de hardware e
software por ano (€/ano); por fim, os custos e características da
máquina, nos quais se tem em conta a compra da máquina (€), a
preparação para a operação na máquina (preparação da sala na 2qual a máquina é instalada, €/m ), custo anual de manutenção e
2consumíveis anuais da máquina (€/m ), a vida útil da máquina
(anos) e o tempo anual de operação da máquina (horas).
Para obter o custo total de produção é necessário, para além da
determinação dos custos diretos e indiretos, calcular o tempo de
produção do componente em causa. Conhecendo o número total
de camadas e seguindo o trabalho de Ruffo et al. (2006), obteve-
se a estimativa de 5,42 horas para a produção do componente
analisado. Este valor apresenta um erro relativo (em módulo) de
9,60% em relação ao tempo real de fabricação, que é de 6
horas. Os dados necessários para os cálculos dos custos diretos
e indiretos foram fornecidos pelo CEiiA e estimados pelos
autores.
Para a produção de um componente, obteve-se um custo total de
869,44€. A análise deste custo é apresentada na Figura 1, de onde
se conclui que as despesas associadas à máquina de FAM e ao pós-
processamento são as de maior impacto no custo total da peça.
Figura 1 - Composição do custo total de produção de um
componente
Uma vez que geralmente se pretende produzir mais do que um só
componente, analisaram-se os custos associados à produção de
múltiplos componentes. Esta análise foi feita por analogia à feita
para a produção de um único componente. Contudo, foi
necessária uma nova estimativa do tempo de fabrico que tem em
conta o número de peças a ser produzido. Esta estimativa
assumiu que a orientação das peças não se altera e, por isso, o
número de camadas necessárias é igual ao de produção de um
único componente. Assim, o tempo de sinterização varia
consoante o número de peças que integram a produção e o
tempo de revestimento mantém-se constante. Deste modo,
pode concluir-se que o tempo de fabrico não é diretamente
proporcional ao número de componentes produzidos. No que diz
respeito ao custo total de produção por peça, este diminui à
medida que o volume da produção aumenta, até eventualmente
estabilizar, como apresentado na Figura 2. A diminuição do custo
total de produção por peça deve-se ao facto dos custos indiretos,
ao serem cobrados num número crescente de componentes,
assumirem um valor por peça cada vez menor, até atingir a
estabilização que se reflete no custo total de produção por peça.
Figura 2 - Evolução do custo por peça com o volume de produção
Assumiu-se que os custos associados ao pré-processamento são
cobrados por produção, uma vez que as peças são todas iguais.
Para além disso, foi também necessário um ajuste do tempo de
pós-processamento, que teve por base os dados obtidos para a
produção de um único componente e os trabalhos de Laureijs et
al. (2017) e Atzeni and Salmi (2012). Considerando um volume
de produção de 2000 peças, obtém-se um custo de produção
por peça de 199,54€.
A análise feita a este custo é apresentada na Figura 3,
demonstrando novamente que os custos associados à máquina
de FAM são os que mais influenciam o custo de produção da peça.
Figura 3 - Composição do custo total por componente de uma
produção múltipla
Este modelo de custo pode ser utilizado para uma comparação
com os métodos tradicionais de fabricação, com o objetivo de
perceber qual é o mais vantajoso e em que circunstâncias isto
acontece. Devido à estabilização do custo de produção por peça,
pode considerar-se, em termos gerais, que este método se
adequa a produções de baixos a médios volumes, comuns na
indústria aeroespacial. Quanto à produção de elevados volumes,
dificilmente a FAM atinge a eficiência de métodos como a injeção
por molde, cujo elevado custo dos moldes acaba por ser diluído
no elevado volume de produção.
Agradecimentos: Os autores agradecem ao CEiiA e à ADIRA pelo
apoio prestado durante a realização deste estudo.
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Agradecimentos
Referências
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