Fraunhofer IPT automatiza a produção de pás do ventilador do motor termoplástico CFRP

Os materiais para aeronaves devem ser altamente resilientes e, ao mesmo tempo, tão leves quanto possível. Oferecendo ambos, os plásticos reforçados com fibra de carbono (CFRP) têm sido usados ​​cada vez com mais frequência em pás de ventiladores de motores aéreos. (Veja “Rolls-Royce inicia a fabricação das maiores pás do ventilador do mundo”). No entanto, a produção desses componentes é muito demorada e cara porque eles têm que curar por várias horas na autoclave. Uma equipe de pesquisa do Instituto Fraunhofer de Tecnologia de Produção (IPT, Aachen, Alemanha) está procurando automatizar ainda mais a produção de pás do ventilador CFRP.

A produção de muitos componentes CFRP já está parcialmente automatizada. Os pré-impregnados semi-acabados pré-impregnados - normalmente feitos de resina epóxi reforçada com fibra - são aplicados e orientados em camadas finas para criar um layup personalizado. Este é então curado sob pressão e calor em um processo de autoclave que consome muita energia, custo e tempo. Fraunhofer IPT tem pesquisado as possibilidades de automatizar ainda mais a fabricação de lâminas CFRP para torná-las ainda mais econômicas.

No entanto, esses pesquisadores não estão confiando em materiais à base de resina epóxi, mas em termoplásticos reforçados com fibra de carbono . Esses materiais já são usados ​​em estruturas voadoras há décadas, têm boas propriedades de construção leve combinadas com excelente comportamento ao impacto e podem ser processados ​​com rapidez e flexibilidade de maneira automatizada. Sendo termoplásticos, eles não requerem reticulação química para endurecer, mas apenas aquecimento para derreter e pressão para consolidar durante o resfriamento controlado. Eles também podem ser reaquecidos e remodelados.

Compósitos termoplásticos são, portanto, muito mais adequados para processos de fabricação eficientes, explica o Dr.-Ing. Henning Janssen, chefe do departamento de tecnologia de sistemas de laser e compósitos de fibra da Fraunhofer IPT. Em várias séries de testes, sua equipe conseguiu pela primeira vez combinar dois desses processos para a produção de pás de ventilador:colocação e formação de fita totalmente automatizada.

Cadeia de processo flexível:assentamento automático de fita e termoformação

Com um sistema de colocação de fita totalmente automatizado, um desenvolvimento proprietário do Fraunhofer IPT que é comercializado sob licença, fitas termoplásticas reforçadas unidirecionais (UD) são colocadas em camadas umas sobre as outras de acordo com direção da carga exigida na estrutura. Desta forma, é criado um painel multicamadas, altamente resiliente e flexível, uma chamada folha orgânica. Os pesquisadores monitoram e documentam todas as etapas do processo totalmente automatizado usando vários sensores. Dessa forma, eles podem olhar para a “caixa preta” da produção durante o processo e criar uma chamada “sombra digital” para cada folha orgânica. Esta imagem virtual da folha orgânica real torna possível identificar desvios de qualidade em um estágio inicial e tomar as contra-medidas adequadas.

A folha orgânica acabada é aquecida na próxima etapa de produção e moldada para quase a forma líquida em um processo de termoformação. Na série anterior de testes, o processo foi inicialmente testado em folhas orgânicas reforçadas com tecido de 16 mm de espessura feitas de PA12 e fibras de carbono e logo será transferido para folhas orgânicas feitas de PEEK e fitas de fibra de carbono.

Série de testes para fresamento de componentes FRP

Após a termoformação, as bordas da folha orgânica formada são aparadas e fresadas na forma final. O fresamento de FRP é um grande desafio devido à estrutura heterogênea do material. Além disso, as fibras de carbono têm um efeito altamente abrasivo na aresta de corte da ferramenta de fresamento e, portanto, levam a um grande desgaste da ferramenta e a uma qualidade de processamento flutuante.

Uma possibilidade de estender a vida útil da ferramenta é o uso de ferramentas de fresamento revestidas com diamante policristalino (PCD). Durante suas tentativas de usinar lâminas CFRP em uma escala menor, os pesquisadores descobriram que a vida útil das ferramentas de fresamento revestidas com PCD é significativamente mais longa do que a das ferramentas não revestidas. Além disso, um design personalizado da estratégia de fresamento teve uma influência positiva na qualidade da usinagem.

Implementação em vários contextos de aplicação industrial

Os primeiros resultados com os materiais termoplásticos CFRP são promissores:“Pudemos mostrar que os processos de fabricação vinculados - fabricação e acabamento de lâminas - funcionam”, diz Daniel Heinen, chefe da a Unidade de Negócios Turbomachinery da Fraunhofer IPT. “Conseguimos alcançar qualidades de superfície muito boas tanto na direção radial da lâmina quanto entre as bordas dianteira e traseira das lâminas. Agora, temos que examinar e otimizar os processos individuais mais de perto. ”

Projetos de pesquisa estão planejados para os próximos meses, nos quais os novos processos serão otimizados e examinados em vários contextos de aplicação industrial. Os cientistas de Aachen estão particularmente interessados ​​no uso do termoplástico de alto desempenho PEEK como matriz e na laminação da tecnologia de sensor dentro da folha orgânica. Este último tornaria possível não apenas monitorar os processos de fabricação, mas também o status dos componentes durante o uso posterior no motor. A aplicação da cadeia de processo para outros componentes também é procurada, por exemplo, para estatores e componentes de nacele, bem como componentes fora da indústria de aviação. O Fraunhofer IPT dá as boas-vindas às empresas interessadas que queiram participar nos projetos.