Explore a Instalação Woodlawn da Veelo Technologies: Por Dentro da Planta Inovadora de Fibra CNT

O que você faz quando a fibra de nanotubo de carbono (CNT) que sua empresa tentava comercializar não fornece o desempenho necessário por seus potenciais clientes, que incluem a Força Aérea dos EUA e a Boeing (Chicago, Ill., EUA)? Você pivota, volta à prancheta, e usa sua expertise em materiais avançados e processamento de compósitos para desenvolver outras soluções. "Frequentemente usamos nanomateriais, mas não somos de forma alguma uma empresa de nanomateriais", diz o CEO da Veelo Technologies, Joe Sprengard. "Somos uma empresa de materiais avançados focada em materiais condutores elétricos e soluções de aquecimento não metálicas. O fio comum entre nosso foco inicial no desenvolvimento de fibras e folhas contínuas de CNT e nosso portfólio atual de produtos – proteção contra raios (LSP) e blindagem eletromagnética, mantas de aquecimento para processamento eficiente de compósitos e sistemas de descongelamento eletrotérmico não metálicos para aeroestruturas – é nossa capacidade de desenvolver novos materiais que não apenas entregam novos níveis de desempenho, mas também atendem requisitos de peso e custo."

A empresa escalou de quatro para 24 funcionários e mudou para uma nova instalação de manufatura de 20.000 pés quadrados em Woodlawn, um subúrbio de Cincinnati localizado a uma milha da sede da GE Aviation em Evendale e uma hora ao sul do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (AFRL) na Base Aérea Wright-Patterson em Dayton, Ohio. Sprengard lidera o tour da CW pela nova instalação de produção da Veelo Technologies, caminhando pela evolução da empresa de fornecedora de nanomateriais a especialista em bens amplos avançados a parceira de inovação para futuros compósitos.

De nano a compósitos multifuncionais e processamento
A Veelo Technologies começou desenvolvendo folhas de fibra CNT contínua (canto superior esquerdo) mas agora evoluiu para usar uma gama de materiais em seus produtos para proteção contra raios e mantas de aquecimento não metálicas para processamento de compósitos e sistemas de descongelamento para aeroestruturas (inferior e direita).

Fibras e folhas CNT

A Veelo Technologies foi originalmente spun out da Universidade de Cincinnati (UC) como General Nano. A universidade produziu os arrays de CNT mais longos do mundo – 18 milímetros – em 2007. "O Diretoria de Materiais e Manufatura da AFRL se interessou e começou uma avaliação multi-ano", explica Sprengard, que se juntou à empresa em 2009. "Nos primeiros três anos, tentávamos descobrir como converter esses CNTs longos em fibras macro de alta resistência, que era o que a AFRL estava interessada. Mas as propriedades nunca se materializaram."

Então, a empresa pivoteou, desenvolvendo uma maneira de converter os CNTs em uma folha contínua. A Boeing se interessou, visando a tecnologia como uma solução potencial para sua necessidade de LSP e blindagem contra interferência eletromagnética (EMI) para suas estruturas de aeronaves compósitos. "Em média, aeronaves comerciais são atingidas por raios a cada 1.000 horas", diz Sprengard. Embora a fibra de carbono seja condutiva, as resinas de matriz em compósitos não são. Assim, as aeroestruturas de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP) que a Boeing estava produzindo em números recordes para seus aviões comerciais 777 e 787 dependiam de folha de metal expandida e outras soluções metálicas para conduzir rapidamente corrente elétrica para uma conexão aterrada a fim de prevenir dano por calor. "Mas malha metálica é pesada, produz muito peso parasita e pode ser desafiadora para processar em peças compósitos", diz o engenheiro de desenvolvimento de produto da Veelo Technologies, Larry Christy.

Em 2015, a Boeing tinha um impulso em toda a empresa para desenvolver uma solução LSP de próxima geração, e a General Nano era uma parceira chave. CW visitou a General Nano logo após, em 2016, em sua localização original em uma incubadora de negócios baseada em Cincinnati que abrigava múltiplas start-ups. Christy liderou aquele tour dos laboratórios da empresa e discutiu a evolução da tecnologia então em progresso. "A eficácia de LSP e blindagem metálicos diminui com a frequência", ele explicou. "Você precisa melhorar condutividade e reduzir impedância mas ser menos que 25 mícrons de espessura. No entanto, junções CNT-a-CNT adicionam resistência dentro da folha. De 2014 a 2016, melhoramos condutividade em 12 vezes e provamos uma solução drop-in para blindagem a uma frequência de 200 [megahertz] MHz com 25% economia de peso versus metal. Mas ainda precisamos reduzir espessura."

Neste ponto, a empresa tinha desenvolvido a capacidade de produzir CNTs alinhados em substrato de 5 pés de largura em comprimentos medindo centenas de pés. Também estava fazendo materiais de papel CNT e não-tecidos de 20 gramas por metro quadrado, 2 milímetros de espessura – um tipo de não-tecido contínuo CNT – usando uma rede de parceiros de manufatura terceirizada com capacidade excedente em seus equipamentos de fabricação de papel. "Esta abordagem nos dá flexibilidade", Christy explicou, "e nos permite focar em trabalhar com nossos clientes para adicionar funcionalidade e adaptar as propriedades e formato de nossos produtos." A empresa também tinha sido solicitada a fazer fitas contínuas, que novamente fez usando sua rede terceirizada.

Pivô para bens amplos de alto desempenho

Esta adaptabilidade e disposição para modificar seus produtos baseados em requisitos do cliente foi chave, pois aproximadamente uma década em sua existência, a empresa entendeu que seu futuro poderia parecer muito diferente de seu passado. Christy explicou que havia múltiplas necessidades, não apenas para LSP mas também para blindagem EMI. "Você tem que adaptar o desempenho elétrico para cada. As propriedades de malha metálica são dependentes de frequência e caem à medida que a frequência aumenta por causa de vazamento dos furos na folha. Nosso desempenho sobe com frequência porque nossos produtos são contínuos sem furos e sem vazamento. CNTs superam metais em altas frequências, então são ótimos para aplicações de radiofrequência de alta intensidade (HIRF) e comunicações via satélite de alta potência. CNTs também não têm efeito pele, que é um problema com metais." Efeito pele é a tendência de corrente alternada evitar viajar através do centro de um condutor, limitada em vez disso à sua superfície ou pele, o que efetivamente reduz a área de seção transversal disponível para transportar corrente e aumenta resistência. Christy continua: "Mas CNTs não podem competir em baixas frequências. Sua condutividade simplesmente não é alta o suficiente e há muita perda de sinal. Então, estamos olhando para híbridos."

"Isso levou a outros materiais de folha que não são baseados em nanomateriais", diz Sprengard. "Desenvolvemos VeeloVEIL, uma solução de fibra de carbono metalizada para LSP que é 70% mais leve que folha de cobre expandida (ECF) e atende requisitos de proteção contra raios Zona 1A." Zona 1A inclui o radome/nariz, pontas das asas, naceles e extremidades do empenagem de uma aeronave e deve suportar 200.000 amperes de corrente elétrica, conforme definido por requisitos da Administração Federal de Aviação dos EUA (FAA) (ver "Estratégias LSP para aeronaves compósitos" e "LSP para estruturas compósitos"). "VeeloVEIL é quatro vezes mais condutivo e ainda metade do peso versus outros não-tecidos metalizados", ele continua. "Isso é possível devido à química e processamento de materiais que desenvolvemos."

A indústria aeroespacial não usa atualmente véu de fibra de carbono para LSP, diz Sprengard, "porque não há produtos condutivos o suficiente para atender requisitos da Zona 1A." VeeloVEIL foi engenheirado para entregar 5-10 milliohms de resistividade elétrica (menor resistividade significa material mais condutivo) a um peso areal de 40-50 gramas por metro quadrado, e atende requisitos de LSP de aeronaves usando uma única camada de 80 mícrons de espessura. "Isso torna o material muito drapeável, o que resulta em acabamento superficial liso sem o pós-processamento de preenchimento de porosidade frequentemente requerido com produtos ECF", ele nota. "Isso, por sua vez, permite que fabricantes usem menos resina de superfície, o que economiza material e custos de manufatura. Fomos informados pelos três principais OEMs de aeroestruturas que VeeloVEIL permite que eles reduzam materiais totais de LSP e tempo de processamento de mais de vinte horas para menos de três horas."

VeeloVEIL é fornecido na mesma forma de produto que ECF, o que permite fabricantes usá-lo sem mudar seus processos de manufatura existentes. "Todos os nossos materiais condutores elétricos para compósitos aeroespaciais são engenheirados para serem processados por máquinas [colocação automatizada de fibra] AFP", diz Sprengard. A Veelo Technologies também está no processo de integrar VeeloVEIL em um produto de camada superficial padrão, trabalhando com pré-impregnadores Tier 1 aeroespaciais.

Adaptando condutividade para aquecimento

Durante desenvolvimento do VeeloVEIL, a equipe de Sprengard percebeu que a capacidade de adaptar condutividade elétrica de seus bens amplos também poderia ser usada para aplicações de aquecimento eletrotérmico. Isso abriu a porta para outra de suas famílias de produtos, VeeloHEAT.

"VeeloHEAT é um material não metálico baseado em carbono que é integrado em aeroestruturas para descongelamento", diz Sprengard. Note que isso não é fibra de carbono. "Hoje, sistemas de descongelamento de aeronaves frequentemente usam fios metálicos, que têm problemas com durabilidade, especialmente em ambientes de alta fadiga como rotorcraft. Se um dos fios quebra, o sistema não funciona mais. Estes sistemas convencionais de descongelamento metálicos comumente falham, e devem ser reparados, o que é intensivo em tempo e custo. Demonstramos que nossos produtos são muito mais duráveis, o que diminui drasticamente o tempo de inatividade da aeronave." Ele nota que estes produtos estão de fato sendo usados em pás de rotor para helicópteros e têm potencial significativo para aeronaves EVTOL (decolagem e pouso vertical elétrico) que estão sendo desenvolvidas para mobilidade aérea urbana e a próxima geração de transporte.

Mais a curto prazo, Sprengard diz que produtos VeeloHEAT estão programados para voar em uma aeronave comercial de asa fixa no Q1 2020 para qualificação em estágio inicial. "O apelo desta tecnologia não é segredo", ele diz, notando que a Collins Aerospace (anteriormente UTC, que agora fará parte da Raytheon) anunciou uma licença exclusiva para sistemas de descongelamento baseados em CNT em janeiro de 2017. "Eles conhecem bem o mercado e estão se posicionando para o futuro. Seu investimento é uma boa indicação de para onde esta tecnologia está indo", Sprengard adiciona.

A Veelo Technologies testa cada Manta VeeloHEAT para saída de temperatura e uniformidade.

De descongelamento a processamento e reparo de compósitos

Mantas de calor convencionais têm sido usadas por décadas para curar áreas relativamente pequenas – tipicamente menos de 1 metro quadrado – de estruturas compósitos durante reparos de emenda colada. Estas mantas de calor usam fios metálicos tradicionais embutidos em borracha de silicone ou outros materiais (dependendo da temperatura de cura requerida). "Similar aos sistemas de descongelamento baseados em metal, se um fio quebra, mantas de calor curto-circuitam e não funcionam mais", diz Sprengard. "Aproveitamos nosso produto de descongelamento baseado em carbono em uma manta de aquecimento não metálica que tem durabilidade e drapeabilidade incomparáveis, bem como desempenho." O padrão da indústria para o último é 3% coeficiente de variância (CV), que é uma medida de uniformidade em produtos de aquecimento, capa a capa e borda a borda. A Manta VeeloHEAT excede este padrão na saída de energia típica de 5 watts por polegada quadrada.

Mantas de calor da Veelo podem produzir temperaturas até 550°F (288°C) e podem ser moldadas em rede para se ajustar a peças e ferramentas. "Esta capacidade é possível por causa de nossa capacidade de formular químicas e manufaturar materiais avançados únicos com resistividades adaptadas", nota Sprengard. A Veelo Technologies comercializou esta tecnologia em 15 meses e agora está em produção total. "Estamos vendo muito bom crescimento nesta linha de produtos", ele adiciona, "e agora estamos manufaturando grandes volumes de Mantas VeeloHEAT que são usadas para colar grandes estruturas compósitos fora do autoclave e forno, fazendo uso de múltiplas zonas de temperatura e outros recursos de processamento que nossos clientes solicitaram."

Realocação e aumento de produção
O novo salão de produção de 20.000 pés quadrados da Veelo Technologies oferece bastante espaço para escalar produção de Manta VeeloHEAT, que foi realocada e acelerada a velocidade total na fase um da transição de manufatura. Fase dois será completada até 3T 2019.

Manufatura para atender necessidades do cliente

Em outubro de 2018, a Veelo Technologies recebeu confirmação que ganhou um grande programa de defesa que exigia aumento imediato. "Felizmente encontramos uma instalação near-perfect, pronta para ocupar que já estava equipada com a infraestrutura que precisávamos para começar correndo", Sprengard recorda. A instalação Woodlawn apresenta controle ambiental de ponta, iluminação e piso epóxi wall-to-wall – recursos que Sprengard nota como padrão em aeroespacial de seus tours das operações de clientes. "Não tomamos atalhos – nosso investimento nos materiais e acabamentos da mais alta qualidade reflete nossa estratégia e visão de longo prazo para o futuro", ele explica. Este investimento também é visto no controle de acesso e equipe de segurança da instalação, necessários para seus contratos de defesa.

A construção necessária da instalação foi completada em 2T 2019, após o que a Veelo começou a realocação de suas linhas de produção. "Todo nosso equipamento está rodando a quase capacidade total, o que fez agendar desligamento para mover todas as linhas para a nova instalação um desafio", ele concede. A empresa completou a fase um de sua transição de manufatura em julho de 2019, realocando a linha de Manta VeeloHEAT e acelerando-a de volta à produção total.

O grande salão de produção aberto da nova instalação é acessado do lobby frontal. À direita está a área de manufatura de Manta VeeloHEAT. Quatro mesas de layup de 4 pés por 10 pés são usadas para colocar camadas de filme VeeloHEAT com outros materiais em ferramentas de moldagem metálicas moldadas. Estes layups são então curados em um forno de 10 por 10 pés fornecido pela JPW Industrial Furnaces (Trout Run, Pa., EUA). As mantas acabadas são desmoldadas e conectadas a fios de alimentação elétrica, que permitem uso com unidades de controle computadorizadas (hot bonders) para curar laminados e reparos compósitos. Cada Manta VeeloHEAT é testada para saída de temperatura e uniformidade.

Mantas de calor mais duráveis e conformáveis, não metálicas
Embora fios sejam usados para aquecer ferramentas metálicas na produção de Mantas VeeloHEAT (acima) e para entregar corrente elétrica de unidades de controle computadorizadas (hot bonders) às mantas durante cura e reparo de compósitos, fios metálicos não são usados dentro. Isso permite que estas mantas de aquecimento não metálicas sejam produzidas em formas 3D sem fios quebrados, curto-circuitos e problemas de uniformidade de temperatura (pontos quentes e frios). O filme VeeloHEAT baseado em carbono dentro produz temperaturas até 550°F (288°C) com 3% CV a 5 W/pol².

Logo além da área de produção de mantas de calor está a sala de produção de química úmida. Aqui, equipamento industrial da Silverson Machine (East Longmeadow, Mass., EUA) e Netzsch (Burlington, Mass., EUA) é usado para misturar as formulações químicas avançadas usadas nos produtos da Veelo. Em seguida está a sala de manufatura de filme, que abriga um sistema proprietário para manufatura do filme VeeloHEAT baseado em carbono da Veelo, a tecnologia chave dentro da Manta VeeloHEAT. Novamente movendo à esquerda está a área de produção VeeloVEIL. Embora vazia no momento deste tour, ambas as linhas de manufatura roll-to-roll de 15 e 36 polegadas de largura para produção VeeloVEIL foram movidas para a nova instalação em agosto. A empresa também está no processo de projetar uma linha de 60 polegadas de largura para atender demanda futura. Até outubro, a Veelo Technologies terá todas as suas linhas de produtos operando sob um teto e acelerando para produção aumentada.

Soluções de próxima geração

O caminho para o sucesso atual da Veelo Technologies foi longo, e nem sempre direto. "Sim, começamos em nanomateriais, e ainda mantemos uma expertise significativa neste domínio, mas nenhum de nossos clientes se importa se usamos nanomateriais ou não", diz Sprengard. "Eles só se importam se fornecemos uma solução convincente que atenda suas metas de desempenho e ROI. Por exemplo, produtos que permitem a próxima geração de sistemas de descongelamento usar menos energia na aeronave, o que abre novas oportunidades para designs de veículos aéreos e eficiências operacionais."

Sprengard diz que todas as três famílias de produtos Veelo estão avançando, seja sendo finalizadas em listas de produtos qualificados (QPLs) de OEMs e fornecedores "ou sendo adicionadas como um número de peça na base de suprimentos de nosso cliente." Embora a vasta maioria do que a empresa faz agora seja para compósitos termofixos, ele nota que está começando a olhar para compósitos termoplásticos e manufatura aditiva também.

Onde a Veelo Technologies está focada para o futuro? "Nossa primeira prioridade é continuar entregando em nossos pedidos existentes e oportunidades estratégicas", diz Sprengard. "O mercado está nos empurrando para atender novos níveis de demanda, o que é ótimo e desafiador. Manter foco é nossa prioridade máxima."

As metas que a Veelo definiu para si agora são tão impressionantes quanto sua tenacidade e perseverança através de 12 anos de desenvolvimento para chegar a este ponto. "Se você olhar para os melhores fornecedores aeroespaciais de compósitos, como Airtech e A&P Technologies", diz Sprengard, "eles têm um assento à mesa cedo nos ciclos de desenvolvimento de seus clientes. Para ser tal parceiro de inovação leva tempo." Ele adiciona, "e comprometimento."

A Veelo Technologies escalou de quatro para 24 funcionários e evoluiu de fornecedora de nanomateriais a especialista em bens amplos avançados a parceira de inovação para futuros compósitos, reconhecida pela Boeing como Fornecedora do Ano em 2015.