Capas Híbridas Compósitas: Proteção de Ponta para Eletrônicos Ultra-Finos

A SABIC demonstrou em um estudo recente que uma capa de 1 milímetro de espessura poderia atender a todas as especificações de desempenho relevantes da indústria para computadores notebook ou tablets muito finos. Fonte, todas as imagens | SABIC

Eletrônicos de consumo é um mercado dinâmico com ciclos bastante curtos entre gerações de produtos. De seus smartphones, smartwatches, tablets e notebooks/laptops, consumidores querem velocidades operacionais mais rápidas, baterias mais duradouras, maior durabilidade e mais recursos a menor custo e peso. Para atender à demanda do consumidor, OEMs pedem aos fornecedores materiais com alta estética e liberdade de design, excelente resistência ao impacto e alta rigidez — que conota qualidade neste mercado — a baixo peso e seções de parede finas. Eles também querem métodos de processamento custo-efetivos e altamente repetíveis que atendam à demanda de produção global na casa de dezenas de milhões de unidades anualmente. Essas pressões empurraram o mercado primeiro para metais leves para capas/casos e estruturas, e agora o está impulsionando para soluções metal/compósito e totalmente compósitas.

Caso de Teste

Desde 2012, a SABIC fez uma série de investimentos para desenvolver suas próprias fitas de compósitos termoplásticos reforçados com fibra unidirecional (UD) (veja "Evoluindo para reforços de fibra contínua"), que estenderam a competência central da empresa em injeção de fibra curta e materiais termoplásticos de fibra longa (LFT), e permitiram à SABIC expandir para compósitos termoplásticos de maior desempenho. Em 2015, a empresa comprou participação majoritária no fabricante de fitas Fiber Reinforced Thermoplastics B.V. (FRT) (Lelystad, Holanda) e em 2017 fez parceria e tornou-se investidora minoritária na Airborne (Haia, Holanda), um fabricante de máquinas e desenvolvedor de linhas de processamento de compósitos.

À medida que a SABIC e a Airborne projetavam e construíam tecnologia para produzir rápida e custo-efetivamente laminados baseados em fita termoplástica de alta qualidade e formato líquido para mercados de volume verdadeiramente alto (veja "Manufatura de compósitos termoplásticos de alta velocidade e alta taxa"), a equipe começou a procurar um caso de teste. Este demonstrador seria uma ferramenta de marketing importante para provar conceitos de design para laminados de compósitos termoplásticos produzidos a partir de fitas compósitos sobremoldadas com compostos reforçados com fibra descontínua. Também seria importante testar ferramentas de engenharia preditiva que a equipe havia desenvolvido para ambas as tecnologias de materiais e mostrar o processo de manufatura de alta velocidade evoluindo na Holanda.

"Decidimos nos especializar em aplicações de eletrônicos de consumo", explica Gino Francato, líder global de compósitos da SABIC. "Esse mercado é muito interessante porque há uma ambição real de mover para materiais leves para tornar nossos telefones e notebooks mais leves e finos. E como eles fazem milhões e milhões deles, decidimos aceitar o desafio que este mercado ofereceu."

"Decidimos começar com algo que era razoavelmente complexo mas não muito complexo", explica Scott Davis, cientista da equipe da SABIC - tecnologia de aplicação global. A tampa superior de um computador notebook muito fino ou até mesmo um tablet — que a equipe esperava que eventualmente se traduzisse em componentes de smartphone — parecia um bom lugar para começar. "Estávamos trabalhando com uma geometria geral simples, um retângulo, que ainda tinha que manter alta estética e oferecer muita complexidade no lado B, incluindo recursos de fixação", continua Davis. "Tínhamos que manter a capa muito fina, mas ainda atender a requisitos de deflexão desafiadores comuns na indústria. E, claro, tínhamos que entregar um produto muito consistente via um processo de manufatura complexo e novo."

Como não estavam trabalhando com um design real de cliente, e estavam apenas criando a capa protetora para uma tela, usaram geometria genérica. De fato, Davis nota, quando começaram a cortar ferramentas de injeção para desenvolvimento interno, nem mesmo tinham certeza se fariam uma capa de tablet ou notebook, então a capa foi projetada para funcionar para ambos. "Havia muitos desafios para obter uma solução compósita pronta para produção de alto volume", Davis adiciona. "De fato, havia muito acontecendo simultaneamente — desenvolvimento de fita, desenvolvimento de laminado e desenvolvimento de processo — e não podíamos esperar até que todas essas coisas fossem finalizadas para começar nossa ferramentaria, que é como acabamos com aquele design." Com design básico completo, a equipe focou em outros detalhes, como a melhor forma de gate, que tipos de sobreposições eram necessárias entre inserto de laminado e composto de sobremoldagem, como lidar com colocação automatizada dentro da ferramenta, como lidar com o descompasso do coeficiente de expansão térmica (linear) (CLTE ou CTE) entre os dois compósitos e como criar uma peça facilmente repetível.

Atendendo Requisitos Desafiadores

O objetivo era desenvolver uma tampa superior de 1 milímetro de espessura que fornece alta rigidez e passa em todos os requisitos de desempenho e estética — especialmente o teste de deflexão de ponto central aplicado regularmente a capas de laptop para avaliar as cargas necessárias para danificar a tela subjacente. Requisitos de carga/deflexão variam por OEM, dispositivo e modelo, mas tipicamente não mais que 3-5 milímetros de deflexão são permitidos sob 40-120 Newtons de pressão — uma situação que simula as cargas exercidas por um dedo ou cotovelo pressionado na capa enquanto um usuário humano se levanta. Em muitas indústrias, a estratégia para passar em tais testes seria aumentar a espessura da seção, mas este mercado valoriza designs mais finos que liberam espaço para baterias maiores e outros componentes sem aumentar tamanho ou peso do dispositivo. Portanto, a equipe precisava usar uma estratégia de design diferente para prevenir danos à tela — nomeadamente selecionando materiais mais rígidos (via inserto de laminado) e usando geometria (por exemplo, nervuras via sobremoldagem por injeção). Mas, primeiro, eles tinham que especificar materiais.

Um destes materiais, policarbonato (PC), já é amplamente usado nesta indústria para capas e outros componentes, devido à sua excelente estética e alta resistência ao impacto. As maiores fraquezas do polímero são resistência química e arranhões de superfície, mas o revestimento, tinta ou combinações de ambos aplicados à maioria das capas geralmente superam estes problemas potenciais.

"Como computadores ultraleves são tão finos, o espaço de pacote interno está em um prêmio real, então deflexões e mecânicos se tornam realmente críticos", aponta Francato. "Embora você quisesse usar vidro [reforço] de uma perspectiva de custo, tivemos que usar carbono [fibra] para obter a rigidez que precisávamos." Como resultado, todos os laminados baseados em fita avaliados eram variações de policarbonato reforçado com fibra de carbono — graus então em desenvolvimento com a subsidiária da SABIC, FRT.

A SABIC desenvolveu modelos preditivos para simular tipo e arquitetura de laminado (com e sem compostos de sobremoldagem) vs. desempenho de peça moldada e relata que forte correlação entre previsões e resultados experimentais foi alcançada. As ferramentas de engenharia preditiva são ditas acelerar desenvolvimento de material.

O composto de sobremoldagem requeria uma abordagem diferente. Inicialmente, a estratégia era usar um composto LFT de fibra mais longa, mas por várias razões — incluindo requisitos de alta estética, tamanho da peça e estratégia de gate — compostos de fibra curta melhor atenderam aos requisitos do projeto. Outro problema era o tipo de fibra a usar. "Compostos de injeção de carbono de fibra curta são realmente difíceis de trabalhar e ainda obter alta estética", continua Francato, "então para nosso material de sobremoldagem, olhamos para graus reforçados com vidro de fibra curta." A subsidiária LNP Engineering Plastics, Inc. (Exton, Pensilvânia, EUA) da SABIC oferece muitos graus de fibra de vidro/PC com boa estética e rigidez que são populares entre OEMs de dispositivos, então a equipe focou naqueles.

Embora PC totalmente amorfo seja menos propenso a empenamento que polímeros semi-cristalinos, ainda a equipe se preocupava com diferenças de CLTE entre as fitas de fibra de carbono UD altamente reforçadas e anisotrópicas e os graus de sobremoldagem de fibra de vidro curta mais isotrópicos e descontínuos em cargas de fibra mais baixas. "Em paredes tão finas, há muito pouco espaço para erro, então as leves diferenças em CLT eram coisas que tínhamos que considerar cuidadosamente", explica Davis. "E isso nem toca em todos os problemas normais com os quais você se preocupa ao moldar por injeção, como localizações de gate, padrões de enchimento, pressões de compactação e linhas de solda. Todos esses fatores foram simulados e verificados com testes físicos."

Uma vez que os materiais foram escolhidos, engenheiros da SABIC conduziram múltiplas iterações de enchimento de molde, análise estrutural e simulação de empenamento para avaliar layup de laminado, geometria e combinações de materiais para otimizar rigidez para o teste de carga/deflexão, mais outros requisitos de desempenho e custo. A empresa diz que desenvolveu ferramentas abrangentes e precisas de modelagem de compósitos (disponíveis para clientes e rodando em códigos estruturais e de processamento comuns) que podem modelar e simular rapidamente arquitetura de laminado, composição de composto de sobremoldagem e várias opções de processamento e ferramentaria versus desempenho de peça moldada. Estas ferramentas são ditas alcançar forte correlação entre previsões e desempenho medido e são ideais para acelerar desenvolvimento de materiais customizados.

Prontas para o Prime Time

A SABIC desenvolveu modelos preditivos para simular tipo e arquitetura de laminado (com e sem compostos de sobremoldagem) vs. desempenho de peça moldada e relata que forte correlação entre previsões e resultados experimentais foi alcançada. As ferramentas de engenharia preditiva são ditas acelerar desenvolvimento de material.

Lado frontal da capa final de laptop/tablet, que foi produzida usando um inserto de laminado baseado em fita de fibra de carbono/policarbonato UDMAX sobremoldado com composto de fibra de vidro curta/policarbonato-copolímero THERMOCOMP D452, uma combinação que atendeu a todos os requisitos mecânicos e estéticos relevantes em uma peça de 1 milímetro de espessura.

O demonstrador final apresenta um inserto de laminado produzido a partir de sete camadas de fitas UDMAX de desenvolvimento de fibra de carbono/PC (55% fração de volume de fibra), então consolidado, aparado, pré-formado e aparado novamente para formato líquido final, antes de ser sobremoldado por injeção com 40% fração de peso de fibra THERMOCOMP D452 de fibra de vidro curta/PC-copolímero (um grau otimizado para alto fluxo e alta estética e já amplamente usado neste segmento). A combinação produz uma capa com alta rigidez e resistência a baixa massa e espessura de seção enquanto inclui numerosos detalhes de design 3D, recursos de fixação e boa estética, aproveitando assim o melhor de cada material. A capa supostamente passou em todos os testes de indústria requeridos e atualmente está sendo avaliada por OEMs de dispositivos.

Lado traseiro da capa finalizada.

O trabalho entre Airborne e SABIC também deu frutos para os objetivos de mercado de eletrônicos de consumo da SABIC. A parceria foi anunciada em 2018, e este ano mais detalhes foram fornecidos sobre o que ambas as empresas chamam de sua Linha de Manufatura de Compósitos Digital, que pode produzir quatro inserto de laminado consolidado de formato líquido a partir de fitas compósitos termoplásticos por minuto ou 1,5 milhão de laminados por ano a partir de uma única linha de produção. O sistema é dito ser flexível (em termos de arquitetura de layup e materiais) e rápido. A partir de 2020, a Airborne usará a linha para fabricar laminados para uso comercial em eletrônicos de consumo, tornando-se um recurso que ambas as empresas esperam que aumentará muito a penetração de compósitos termoplásticos neste segmento altamente competitivo e acelerado.