Equipe britânica desenvolve instrumentos científicos espaciais da próxima geração para a primeira missão europeia a Marte

Estudo de Caso da Universidade de Leicester

Desempenho vital

O custo para lançar um objeto ao espaço é superior a US$ 30.000,00 por quilo, e são poucas as oportunidades de corrigir problemas depois de ele sair da Terra. Para atender aos critérios de desempenho, cientistas e engenheiros do Space Research Centre da Universidade de Leicester (também chamado de Space Research Centre ou só Centre, para abreviar) usam o software NX™ e o Teamcenter® para projetar, simular e fabricar de acordo com minuciosos padrões.

O Centre já participa de pesquisas espaciais há mais de 50 anos, trabalhando estreitamente com parceiros como a NASA e a Agência Espacial Europeia. Eles desenvolvem sensores, telescópios, espectrômetros e outros instrumentos científicos, além de estruturas mecânicas, componentes eletrônicos e sistemas de geração de energia relacionados. Entre os projetos estão missões para estudar a Terra e outros planetas do nosso sistema solar e outras estrelas e galáxias no universo. Com amplas instalações, incluindo laboratórios de teste e manufatura local, o Centre também conduz pesquisas interdisciplinares em ciências biológicas, tecnologias contra falsificação, história da arte e medicina. Equipe e alunos usam o NX e o Teamcenter, ambos da Siemens PLM Software, como base para o ciclo de vida dos projetos – como com a primeira missão europeia para Marte, que deverá ocorrer em 2018.

"Para enviar equipamentos ao espaço, tivemos um amplo programa de desenvolvimento", disse Dr. John Pye, que gerencia o Space Research Centre. "O equipamento não só deve comprovadamente funcionar como deveria como também tem de passar por rastreabilidade e controle de qualidade rigorosos. E tudo isso precisa ser feito com estritas restrições de custo e tempo."

Há quinze anos, a equipe de projeto e análise mecânicos começou a usar o NX I-deas, que é uma versão antiga do atual NX.

Segundo Piyal Samara-Ratna, administrador de projeto auxiliado por computador (CAD) e engenheiro mecânico do Space Research Centre, o grupo estava usando as ferramentas de modelagem 3D principalmente para desenvolver configurações simples, e depois as utilizava para testes térmicos e estruturais. "A maior parte do projeto detalhado era feita inteiramente em 2D, e a manufatura era executada por software terceirizado ou ferramentas manuais", recorda-se. "Essa metodologia levava à repetição das mesmas informações, que trazia consigo um risco elevado de erros e não era ideal para o desempenho."

Transformando projeto em produção

Logo após concluir a transição do I-deas para NX e introduzir o Teamcenter, o Centre transformou seu fluxo de trabalho. "As ferramentas de modelagem do NX acabaram com a necessidade de concentrar a produção de desenhos 2D complexos. Nós fazemos amplo uso de técnicas de modelagem paramétrica e oscilação para criar nossa geometria. Quando alteramos as dimensões, a montagem inteira responde – e com isso podemos nos adaptar rapidamente aos requisitos em constante evolução."

O Space Research Centre conta com três máquinas de fresagem Tryax, com 4 eixos, e um torno com controle numérico do computador (CNC) que usa o NX CAM. Essas máquinas aceitam modelos, que vêm diretamente dos engenheiros e são gerenciados com o Teamcenter. Há também uma impressora 3D, usada para fins de criação de protótipo e demonstração. "Nós originalmente usávamos as ferramentas de criação de protótipos para modelos de conferência, mas agora as utilizamos cada vez mais para as atividades do projeto, especialmente as de integração – quando precisamos entender o acesso a ferramentas e a visualização na tela não dá conta do recado."

O ciclo completo, desde o projeto até a produção, é gerenciado pelo Teamcenter, Leicesterque é usado para coletar informações – como caminhos de ferramenta – geradas pelo processo de manufatura. A equipe pode especificar datas de solicitação e quantidades. A equipe de manufatura adiciona outros dados, incluindo informações de rastreabilidade. A equipe de baixa adiciona relatórios de inspeção pós-manufatura, detalhando o processo de verificação. A função de Status é usada para proteger dados e fazer um resumo do processo – por exemplo, se o trabalho foi executado internamente ou terceirizado. O fluxo de trabalho pode ser auditado conforme adequado.

Do conceito à área de lançamento

"O NX é muito poderoso", diz Ivor McDonnell, engenheiro mecânico sênior do instrumento Mercury Imaging X-ray Telescope (MIXS) no Space Research Centre. O MIXS deve ser lançado na missão BepiColombo da Agência Espacial Europeia, que irá para Mercúrio em 2015. McDonnell observa: "O NX oferece ferramentas que conversam com as diferentes fases do projeto e da manufatura, integrando o ciclo inteiro. Nós estamos ativamente envolvidos em todos os aspectos do projeto MIXS e, ao usar o NX e o NX Nastran, damos apoio a todas as principais atividades de teste – inclusive ao teste de vibração, para simular a carga de lançamento. Nós achamos as ferramentas NX particularmente eficientes no fornecimento de uma boa correlação com os ambientes de projeto reais".

Outro projeto que se beneficia com o uso do NX e do Teamcenter é o Telescópio Espacial James Webb (JWST), programado para substituir o Telescópio Espacial Hubble em 2018. O espelho principal desse novo telescópio tem área seis vezes que a do Hubble, com um escudo solar do tamanho de uma quadra de tênis. Com um projeto extremamente ambicioso, a Universidade de Leicester é a principal equipe de engenharia mecânica do consórcio internacional que desenvolve um dos quatro instrumentos científicos por trás do espelho, o Instrumento de Infravermelho Médio (MIRI). "Achamos o NX muito útil para analisar todos os aspectos mecânicos do instrumento e do envelope alocado, inclusive acesso a ferramentas, e para projetar os equipamentos de suporte em solo que serão usados para transportar o instrumento até a NASA", comentou Jon Sykes, engenheiro mecânico chefe do MIRI no Space Research Centre. "Essa é uma solução inovadora que custa substancialmente menos que os sistemas típicos, e nós a testamos com êxito ao enviar um modelo de protótipo à NASA.“

A melhora na colaboração encurta o ciclo

"Com o NX e o Teamcenter, pudemos fazer muito mais", disse Samara-Ratna. "Juntos eles criam um ambiente coeso no qual vários especialistas podem interagir e discutir as questões do projeto. O Teamcenter é uma fonte única de informação e controle. Nossos instrumentos projetados para o Mars Rover, por exemplo, são totalmente gerenciados dentro do Teamcenter. Nós ganhamos flexibilidade e proteção. Como os erros não podem ser propagados pelo sistema, não há o perigo de alguém fazer uma alteração que poderá ter efeito negativo. Nossos engenheiros eletrônicos podem exportar as placas eletrônicas 3D completas para os modelos, e a integração do projeto elétrico e mecânico melhorou nossa eficiência e reduziu o tempo de reprojeto. Como consequência, o tempo desde o conceito até o produto final é muito menor."

Samara-Ratna continua descrevendo o benefício da colaboração: "Nós temos colaboração com vários institutos, grandes e pequenos, todos usando um software próprio. O NX consegue lidar com diferentes formatos de dados e a tecnologia síncrona nos permite manipular modelos quase como se fossem nosso próprio projeto."

Da pesquisa à realidade

Samara-Ratna agradece alegremente a contribuição do fornecedor do centro, a TEAM Engineering. Como ele destaca, "Os especialistas da TEAM Engineering não oferecem só treinamento e software: são também parceiros que nos ajudam a aproveitar ao máximo nossas ferramentas, particularmente com relação à transferência de tecnologia. Como consequência, estamos trabalhando com o English Heritage para escanear artefatos históricos nas tumbas do século XIV. Também estamos trabalhando com a indústria no uso de impressão 3D para aplicações de engenharia de alto desempenho."

Samara-Ratna conclui: "A solução de desenvolvimento de produtos do NX é absolutamente fundamental para o que fazemos aqui, tornando-se parte intrínseca da forma como operamos. Estamos disponibilizando as ferramentas do NX a mais alunos e incrementando os benefícios do ambiente de engenharia no gerenciamento de projetos."