CFRP Supera Aço em Aplicações de Juntas Esféricas de Precisão

Conforme observado no artigo de destaque da CW sobre ferramentas reconfiguráveis, a empresa de design de fixadores modulares e fornecedora de componentes Prodtex (Gotemburgo, Suécia e Bristol, Reino Unido) não está apenas mudando a forma como grandes estruturas compósitos são montadas, mas também está usando compósitos para construir os próprios fixadores. Em fixadores que devem ser levantados e instalados por humanos e/ou manipulados por robôs, massa reduzida e alta rigidez se traduzem em menos mão de obra/robôs menores, maior velocidade de produção e, como resultado, custo reduzido. Com esses objetivos, a Prodtex está agora trabalhando em seu primeiro robô de posicionamento Hexapod totalmente em compósito, usando juntas esféricas baseadas em plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP) produzidas pela Corebon AB (Malmö, Suécia).

"A ideia original era redesenhar juntas esféricas de metal para que tivessem menos folga", relembra o CEO da Corebon, Tobias Björnhov. Ele explica que as juntas esféricas e mancais da empresa, que apresentam carcaças de CFRP, têm folga próxima de zero, o que significa que não há lacuna ou folga entre as partes, "então a junta é rígida antes de você aplicar carga". Normalmente, "se você mudar a direção da força em um mancal, ele pode se mover", observa, mas afirma: "Nossas estruturas não se movem, porque são pré-carregadas e muito rígidas."

A Corebon começou reforçando carcaças de juntas esféricas metálicas com CFRP, que também eram pré-carregadas por encaixe por contração da carcaça de CFRP na esfera metálica (auxiliado pela diferença no coeficiente de expansão térmica). "Eram boas", diz Björnhov, "mas caras de fabricar." Então a Corebon desenvolveu uma carcaça de junta esférica totalmente em CFRP, substituindo múltiplas peças metálicas usinadas de precisão que devem ser perfeitamente montadas ao redor da esfera por uma única moldagem de CFRP. A moldagem e pré-carga do conjunto de duas partes (a esfera permanece metálica) é alcançada em uma única etapa, usando tecnologia proprietária.

A Corebon também fabrica mancais deslizantes e outros pares cinemáticos — ou seja, dois objetos conectados que impõem restrições ao seu movimento relativo, como um pistão em um cilindro, juntas esféricas e mancais — bem como peças para robôs, como as cúpulas de CFRP mostradas na imagem superior direita. Björnhov explica que esta cúpula compreende o pulso robótico do efetuador final, "onde você anexaria um motor/fuso para uma ferramenta de usinagem ou cabeça de colocação de fita, etc." Ele observa que iterações futuras dessas cúpulas também podem ser usadas como nós em grandes fixadores leves do tipo "aranha" para montagem, como os fabricados pela TETRAFIX AB (Kungälv, Suécia) e Lightweight Structures da Prodtex. "Nossas primeiras aplicações têm sido em robôs onde alta precisão é necessária. Ao reduzir o peso dos efetuadores finais, aumentamos precisão e velocidade." Quanta redução de peso? "De 27 kg para 5,5 kg na estrutura do pulso/porta-ferramenta robótico", diz Björnhov.

Embora a cúpula de CFRP seja alveolada com espuma estrutural de polimetacrilimida ROHACELL da Evonik Corporation (Darmstadt, Alemanha), a Corebon também obtém alta resistência e rigidez específicas maximizando o teor de fibra. "Alcançamos um volume de fibra muito alto — até 80% — que está próximo do máximo teórico possível", observa Björnhov. Isso não é apenas surpreendente, mas também tem implicações intrigantes. "As fibras realmente se tocam", explica, "então obtemos alta condutividade térmica e elétrica, não apenas no plano, mas também na direção z."

O processo de fabricação que possibilita isso, agora coberto por uma série de patentes, foi derivado de esforços para melhorar a moldagem por transferência de resina (RTM) e o controle de injeção e aquecimento de resina. "Injetamos a resina, não apenas para processamento RTM, mas também para moldagem por compressão e filament winding", aponta Björnhov. "A chave é que aquecemos do interior do compósito, então controlamos o calor volumetricamente", observa, adicionando: "Isso não está vinculado a nenhum tipo específico de matriz."

A chave aqui é a tecnologia de aquecimento por indução. Mas Björnhov explica que a da Corebon difere de outras manufaturas de compósitos baseadas em aquecimento por indução, "tanto nos indutores que usamos quanto em como controlamos o campo eletromagnético." O resultado é aquecimento 3D instantâneo e uniforme que pode ser aplicado a quase qualquer processo de CFRP, incluindo cura de pré-impregnado e pultrusão. Relatadamente, oferece tempos de ciclo 10 vezes mais rápidos que processos convencionais de compósitos, reduz custos de energia em até 95% e usa moldes 20 vezes mais leves que o aço. A Corebon está licenciando a tecnologia e já tem parcerias com empresas japonesas, incluindo a Sumitomo Corp. (Tóquio, Japão).

"Agora estamos olhando para outras aplicações, como suspensões automotivas e componentes de aeronaves que precisam de pares cinemáticos com alta precisão e rigidez", diz Björnhov. A Corebon também está se preparando para a escala industrial exigida nessas indústrias, com vários projetos em andamento para demonstrar sua capacidade de produzir em alto volume.