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Aplicação de impressão 3D e lasers no desenvolvimento de aviões

Se você gosta de tecnologia, você com certeza já ouviu falar sobre impressão 3D. Existem inúmeros grupos de pesquisa pelo mundo trabalhando com técnicas de impressão 3D e com o desenvolvimento de equipamentos capazes de imprimir as mais variadas coisas, desde nanopartículas1 (materiais muito muito mas muito pequenos), até comida2. Mas mais interessante do que o desenvolvimento da impressão 3D é o leque de possibilidades que essa tecnologia abre.

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Túnel de vento da Mercedes Benz, em Stuttgart, Alemanha. Fonte.

Testes de protótipos de carros, aviões e asas em túneis de vento são parte fundamental do processo de desenvolvimento e melhoramento da aerodinâmica desses veículos. Os túneis de vento variam em tamanho e, dependendo da etapa do desenvolvimento da pesquisa, modelos em escala são testados nestes túneis antes da construção de protótipos em tamanho real. Antigamente, os modelos eram praticamente todos feitos de metal ou madeira, mas avanços na tecnologia de impressão 3D tornaram possíveis maior precisão e flexibilidade na construção de modelos, gerando resultados mais próximos aos reais durante testes iniciais. Isso é de extrema importância para as empresas desenvolvedoras dessas tecnologias, já que problemas com determinados designs podem ser percebidos em etapas iniciais, gerando grande economia em dinheiro e tempo.

A Delft University of Technology (TU Delft), localizada na Holanda, tem sido uma das grandes contribuintes para o desenvolvimento da pesquisa em túneis de vento. Grupos de pesquisa desta universidade foram pioneiros na invenção de técnicas não-intrusivas de medição de fluxos de ar. Para esse tipo de estudo, é muito comum o uso de instrumentação baseada em medição de pressão, o que exige o posicionamento de sensores de pressão no fluxo de ar que podem influenciar a coleta de dados. Técnicas baseadas no uso de lasers e câmeras minimizam esses problemas, já que não há a necessidade de introduzir sensores diretamente na seção de teste.

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Imagem de partículas iluminadas por laser durante um teste feito com velocimetria por imagem de partículas. Fonte.

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Sequência de partículas capturadas com velocimetria por imagem de partículas. As setas indicam a direção do fluxo onde as partículas se encontram. Fonte.

As técnicas a laser mais utilizadas hoje em dia são chamadas particle image/tracking velocimetry (Velocimetria por imagem de partículas, em tradução da Wikipedia3). Essa técnica consiste em inserir partículas muito pequenas (da ordem de micrômetros – 10-6, ou 0,000001 metros) que acompanhem o desenvolvimento do fluxo de ar praticamente sem afetá-lo, e tirar duas fotos consecutivas dessas partículas iluminadas pela luz do laser. O software de captura de imagens tem a capacidade de medir o deslocamento das partículas entre a primeira e a segunda imagem, que são espaçadas com um determinado tempo. E, sabendo tempo e deslocamento, é possível calcular a velocidade do fluxo de ar.

Um exemplo de aplicação da combinação de impressão 3D e dessa técnica de medição é um estudo realizado na própria TU Delft em que foi impresso um modelo em tamanho real do ciclista Tom Dumoulin para análise da sua performance aerodinâmica em um túnel de vento.4 Cento e cinquenta câmeras digitais foram utilizadas para fotografar o corpo do ciclista em detalhe, para garantir que o modelo impresso fosse o mais fiel possível. O manequim foi impresso em 8 partes separadas em diferentes impressoras e levou 50 horas para ficar pronto. O modelo foi então colocado em uma bicicleta e vestido com as roupas e capacete de corrida similares aos que o próprio ciclista veste durante suas corridas. A técnica de velocimetria por imagem de partículas foi utilizada para analisar o fluxo de ar sobre o modelo do ciclista em pontos cruciais, onde existem possibilidades de melhoria aerodinâmica, como no capacete e sobre o traje do ciclista. Foram utilizadas partículas chamadas helium filled soap bubbles (bolhas de sabão preenchidas com gás hélio, em tradução livre) e imagens do teste podem ser vistas no vídeo a seguir: https://www.youtube.com/watch?v=TBEagWWFkuA.

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Modelo em 3D do ciclista Tom Dumoulin no túnel de vento da TU Delft. Fonte.

Técnicas similares são aplicadas no estudo e desenvolvimento de novos modelos de asas e aviões. A NASA tem investido bastante em um novo conceito de avião comercial chamado hybrid wing body, que possui asas que se fundem ao corpo do avião, dando a ele um formato bem diferente dos aviões comerciais disponíveis atualmente. Os principais objetivos desse conceito são aumentar a eficiência energética dos aviões, diminuindo seu consumo de combustível e diminuir a emissão de ruídos durante vôos.

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Novo conceito de avião da NASA, chamado hybrid wing body. Fonte.

Construir um modelo de avião em tamanho real sem antes analisar se existe a possibilidade de atingir os objetivos desejados seria extremamente caro e arriscado. A NASA então construiu um modelo em escala 6% (ou seja, com 6% do tamanho real) com ajuda de impressão 3D para ser testado em um de seus túneis de vento nos Estados Unidos.5 Resultados desses testes indicam que existe a redução de consumo de combustível e de barulho durante o vôo. Com isso, a NASA segue realizando testes para verificar outros aspectos envolvidos no vôo de uma aeronave tão diferente. Também existem outros grupos de pesquisa trabalhando com materiais impressos em 3D para verificar a operabilidade e eficiência das turbinas de aviões deste modelo.6

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Modelo em escala do avião conceito da NASA durante teste com velocimetria por imagem de partículas no túnel de vento da NASA. Fonte.

Não existem dúvidas de que o avanço da pesquisa, tanto na indústria como em universidades, está diretamente ligado ao desenvolvimento de novos produtos e conceitos inovadores que tem como objetivo melhorar a vida das pessoas e ao mesmo tempo minimizar o impacto causado na natureza e no mundo. Hoje pode parecer estranho ver um avião tão diferente quanto esse em uma arte de divulgação, mas pode ser que daqui a dez anos nós estejamos voando em aviões similares a estes. E tudo isso graça à combinação de diversos conceitos e conhecimentos das mais diversas áreas da engenharia.

Referências:

1 http://advances.sciencemag.org/content/2/4/e1501381

2 http://www.cnn.com/2014/11/06/tech/innovation/foodini-machine-print-food/

3 https://pt.wikipedia.org/wiki/Velocimetria_por_imagem_de_part%C3%ADculas

4 http://www.tudelft.nl/en/current/latest-news/article/detail/3d-geprinte-mannequin-van-tom-dumoulin-in-windtunnel-moet-seconden-winst-opleveren/

5 Gatlin, G. M., Vicroy, D. D., Carter, M.B. 2012 “Experimental Investigation of the Low-Speed Aerodynamic Characteristics of a 5.8-Percent Scale Hybrid Wing Body Configuration.” 30th AIAA Applied Aerodynamics Conference, 25- 28 June, New Orleans, Louisiana.

6 Guimarães Bucalo, T., Lowe, K. T., and O’Brien, W. F., “An overview of recent results using the StreamVane method for generating tailored swirl distortion in jet engine research,” AIAA Paper 2016-0534, January 2016.