Fabrication and Hydrostatic Evaluation of a Meter-Scale Aluminum Propellant-Tank Demonstrator by Hybrid Wire Arc Additive and Subtractive Manufacturing

Construir a próxima geração de espaçonaves requer materiais que sejam incrivelmente fortes e leves o suficiente para voar. Durante décadas, engenheiros confiaram em métodos tradicionais para moldar metal, mas essas técnicas costumam ter dificuldades ao criar as curvas grandes e complexas necessárias para tanques de combustível. Uma abordagem mais nova, conhecida como manufatura aditiva por arco de fio, oferece um caminho diferente. Em vez de cortar um bloco de metal para chegar ao tamanho desejado, este método constrói um objeto de baixo para cima, camada por camada, usando um braço robótico que atua como uma tocha de soldagem altamente precisa. Ele derrete um fio fino de metal e o deposita em um padrão específico, fundindo-o em uma estrutura sólida. Embora essa técnica prometa muito para a criação de peças massivas rapidamente, ela enfrenta um obstáculo significativo: o calor intenso necessário para derreter o metal faz com que o material se deforme e se distorça conforme esfria. Ao longo da construção de um objeto grande, essas pequenas deformações podem se acumular, levando a uma forma final que é torta ou fraca demais para ser útil.

Para resolver esse problema, pesquisadores da Shimizu Corporation e da Agência de Exploração Aeroespacial do Japão decidiram combinar a velocidade deste método de construção baseado em soldagem com a precisão da usinagem tradicional. Eles desenvolveram um sistema híbrido onde um robô não apenas adiciona metal, mas também o remove. Ao integrar uma ferramenta de fresagem e um scanner a laser na mesma célula robótica, o sistema pode medir a altura de cada nova camada enquanto ela está sendo construída e ajustar a trajetória do robô em tempo real. Se o metal se acumular demais ou deformar, o robô pode pausar a soldagem, desgastar o excesso de material para criar uma superfície perfeitamente plana e, então, continuar a construção. Esse processo garante que o objeto final mantenha sua forma pretendida, mesmo quando o calor tenta tirá-lo do alinhamento. A equipe colocou esse sistema à prova construindo um modelo em escala real de um tanque de propelente, o tipo de recipiente que conteria combustível para um foguete, e depois submeteu-o a uma pressão extrema para ver se ele aguentaria.

Os pesquisadores construíram um tanque demonstrador que tinha 1,1 metro de altura, com uma seção larga medindo um metro de largura e uma seção mais estreita com meio metro de largura. As paredes deste tanque foram construídas a partir de fio de liga de alumínio, depositadas em camadas para atingir uma espessura de cinco milímetros. Para manter a estrutura rígida durante o longo processo de adição de camada após camada, a equipe introduziu reforços em forma de anel dentro do tanque, que foram soldados manualmente no lugar antes de o robô retomar seu trabalho. Uma parte crítica do sucesso deles foi o uso de um perfilador a laser que escaneava a superfície do tanque dez vezes por segundo enquanto o robô realizava a soldagem. Isso permitiu que o sistema verificasse constantemente a altura do metal que estava sendo adicionado e ajustasse automaticamente os movimentos do robô para manter as camadas uniformes. O resultado foi uma casca metálica contínica que manteve uma espessura de parede consistente, apesar dos desafios de construir um objeto tão grande com alto calor.

Assim que o tanque foi concluído, a equipe precisou verificar se ele era forte o suficiente para funcionar como um real recipiente de combustível. Eles selaram o topo com uma tampa metálica e encheram o tanque com água para realizar um teste de pressão hidrostática. Este método é seguro e eficaz para testar a resistência porque a água não pode ser comprimida como o ar, o que significa que o tanque não explodirá violentamente se falhar. Eles aumentaram lentamente a pressão dentro do tanque, observando atentamente como o metal esticava e se deformava. O tanque manteve-se firme até que a pressão interna atingisse 1,7 megapascais, ponto em que finalmente rompeu. No entanto, a ruptura ocorreu na costura onde a tampa soldada manualmente encontrou o tanque construído pelo robô, e não no corpo principal do tanque em si. Isso indicou que a junta soldada era o ponto mais fraco, e não as paredes de metal criadas pelo processo aditivo.

A verdadeira medida do desempenho do tanque veio da análise do momento em que o metal começou a esticar permanentemente, um ponto conhecido como pressão de escoamento. Ao medir a deformação na superfície do tanque com medidores sensíveis, os pesquisadores descobriram que a seção cilíndrica do tanque começou a escoar a uma pressão de 1,30 megapascais, enquanto a seção curva inferior escoou a 1,38 megapascais. Esses números estavam notavelmente próximos do que a equipe havia previsto usando simulações de computador baseadas na resistência conhecida do fio de alumínio utilizado. As simulações haviam estimado uma pressão de escoamento de aproximadamente 1,37 megapascais para o cilindro e 1,38 megapascais para o domo. A correspondência próxima entre o teste físico e o modelo de computador confirmou que o metal produzido pelo processo de soldagem robótica era tão forte quanto o material bruto usado para fazer o fio.

O estudo também examinou se os reforços internos em anel faziam uma diferença significativa na capacidade do tanque de resistir à pressão. Os modelos de computador sugeriram que a adição desses anéis melhorava a resistência à pressão em apenas cerca de cinco por cento, um ganho relativamente pequeno. Os dados experimentais apoiaram isso, mostrando que o tanque teve um bom desempenho mesmo sem depender fortemente dos reforços para sua força primária. Os pesquisadores observaram que as pequenas diferenças entre suas previsões e os resultados reais do teste provavelmente derivaram de simplificações em seus modelos de computador, como não considerar a forma exata da tampa soldada manualmente ou pequenas variações na espessura da parede. No entanto, a descoberta central permaneceu clara: o sistema de manufatura híbrida produziu com sucesso um tanque de alumínio grande e complexo que atendeu aos requisitos de resistência teórica.

Este trabalho demonstra que é possível construir componentes aeroespaciais de escala métrica usando uma combinação de técnicas aditivas e subtrativas sem sacrificar a integridade estrutural. A chave para este sucesso foi a capacidade de corrigir erros conforme eles aconteciam, evitando o acúmulo de defeitos que costuma assolar projetos de soldagem de grande escala. Embora a equipe tenha identificado áreas para melhoria, como aumentar a qualidade do metal nos pontos onde o processo de soldagem era reiniciado, o experimento geral provou a viabilidade da abordagem. O tanque resistiu à pressão exatamente como as leis da física previam, sugerindo que este método híbrido pode se tornar uma maneira confiável de fabricar as estruturas grandes e leves necessárias para a futura exploração espacial.