Dois professores da Universidade do Arizona estão a desenvolver novos materiais para objectos de impressão 3D que podem suportar as temperaturas geradas a velocidades hipersónicas. Uma bolsa de $1.2 milhões do Programa de Instrumentação de Pesquisa da Universidade de Defesa Naval do Office of Naval Research vai financiar uma gama de novos equipamentos para apoiar o trabalho e contribuir para o Centro de Pesquisa para Hipersónica do Arizona.

Nem todo o material, ou todas as formas, podem suportar viajar a cinco vezes a velocidade do som e mais rápido. Mas numa era em que as capacidades hipersónicas são cada vez mais importantes para a estratégia de defesa nacional, dois professores da Universidade do Arizona estão a desenvolver novos materiais para objectos de impressão 3D concebidos para resistir a essas velocidades elevadas. Um subsídio de 1,2 milhões de dólares do Programa de Instrumentação de Investigação da Universidade de Defesa Naval do Gabinete de Investigação Naval irá financiar um conjunto de novos equipamentos para apoiar o trabalho e contribuir para o Centro de Investigação de Hipersónicos do Arizona.

Alto calor e alta força

A impressão 3D, ou fabricação de aditivos, oferece muito mais flexibilidade de design do que a fabricação tradicional, permitindo às pessoas criar geometrias precisas que de outra forma não seriam possíveis. Oferece um novo mundo de possibilidades para o campo do voo hipersónico, como a incorporação de tubos de refrigeração directamente na estrutura de um veículo. Para fabricar algo aditivamente, cientistas ou engenheiros transformam um material num pó e imprimem um desenho derretendo o pó uma camada de cada vez. Os processos tradicionais de fabrico são um pouco mais grosseiros.

“Na forja, por exemplo, você pega num pedaço de metal, aquece-o e esmaga-o na forma que quiser”, disse Andrew Wessman, professor assistente de ciência e engenharia de materiais da UArizona. “Se você tentar pegar nesse mesmo material, pode transformá-lo num pó e depois imprimir com ele. E imprime-se bem, mas não é realmente ideal”.

Até agora, a maioria dos especialistas em fabricação de aditivos metálicos tem usado ligas de metal que foram originalmente desenvolvidas para processos de fabricação tradicionais. Por exemplo, a liga Inconel 718, que foi desenvolvida nos anos 50 especificamente para forjar, tem uma mistura de elementos como o níquel, cromo e ferro concebida para lhe dar a máxima resistência. Mas também tem alguns elementos que fazem com que o material, quando processado através do fabrico de aditivos, se torne frágil.

Wessman e Sammy Tin, chefe do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Faculdade de Engenharia, irão criar novas ligas metálicas optimizadas para serem utilizadas no processo de fabrico de aditivos e para suportar as condições extremas do voo hipersónico, particularmente a altas temperaturas e níveis de stress.

O lugar certo e a equipa certa

O Gabinete de Investigação Naval irá financiar um conjunto de instrumentos, incluindo um sistema de fusão de leito de pó para fundir e fundir pós; um sistema de atomização de gás, que permite que o metal líquido fundido seja pulverizado em gotas ultra-finas utilizadas para produzir pó; um forno de vácuo para pós-processamento de objectos impressos em 3D; e um difractómetro de raios X, que pode examinar e caracterizar a estrutura interna dos objectos impressos em 3D.

“Combinar todas estas peças dar-nos-á uma capacidade única em termos de infra-estruturas para o fabrico avançado”, disse Tinin. “Se conseguirmos desenvolver materiais e ligas que sejam específicos do processo de impressão 3D, podemos personalizar os químicos de liga para que tenham atributos que facilitem ou tornem mais amigável a impressão 3D”.

Devido à fricção, objectos que viajam a velocidades hipersónicas experimentam temperaturas de até 5.000 graus Fahrenheit. Assim, a resistência ao calor é uma das características mais críticas das ligas que a equipa irá desenvolver. Os materiais também precisarão de ser resistentes à oxidação e a outros processos de “desgaste”.

Juntos, Tin e Wessman detêm mais de uma dúzia de patentes no desenvolvimento de ligas. Eles também estão num local privilegiado para colaborar com outros especialistas, uma vez que a UArizona é a casa do Centro de Pesquisa de Hipersónica do Arizona. Os investigadores em engenharia aeroespacial e mecânica estão a trabalhar em projectos que incluem experiências em túneis de vento de alta velocidade e caracterização de ambientes hipersónicos. O professor de sistemas e engenharia industrial Roberto Furfaro recebeu recentemente uma bolsa do Consórcio Universitário para a Hipersónica Aplicada para desenvolver sistemas melhorados de orientação, navegação e controlo para veículos autónomos que operam a velocidades hipersónicas. A professora de ciências e engenharia de materiais Erica Corral é a especialista residente da universidade em cerâmica de temperatura ultra-alta concebida para resistir a condições hipersónicas.

A cerâmica é mais resistente ao calor do que o metal, por isso os veículos hipersónicos são frequentemente revestidos com cerâmica especializada que pode resistir a temperaturas ultra-elevadas. Mas os veículos são feitos em grande parte de metal, que é menos frágil e mais capaz de suportar cargas mecânicas.

“Por baixo da cerâmica, tem de haver metal”, disse Tin. “Se conseguirmos melhorar as capacidades de temperatura dessas estruturas metálicas, isso oferece benefícios significativos em termos de design e desempenho”.

Embora o trabalho inicial da equipa se concentre no fabrico de materiais para ambientes hipersónicos, a investigação também pode ser aplicada a outras áreas, tais como o fabrico de componentes de alto desempenho para motores a jacto e foguetões.

“O voo hipersónico e a exploração espacial estão entre os maiores pontos fortes da nossa universidade, e ambos requerem materiais que possam resistir a ambientes extremos”, disse a Universidade of  Presidente do Arizona Robert C. Robbins. “Estou orgulhoso de ter membros da faculdade como Sammy Tin e Andrew  Wessman trabalhando nesta área crítica e d raising  the Universidade do Arizona’s  já com um perfil impressionante na produção avançada”.

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