Componentes Híbridos Sobremoldados Revolucionam Mercados de Compósitos

Freqüentemente no mercado aeroespacial, um OEM está disposto a pagar mais por um componente compósito, sabendo que o investimento retornará dividendos em economia de combustível devido ao peso leve do componente, vida mais longa devido a menos desgaste, ou outras reduções em custos operacionais e de manutenção. Esta visão de "ciclo de vida do produto" abriu muitos mercados e aplicações para compósitos. Mais incomum é um componente compósito para o qual o custo de aquisição em si é menor que o da versão metálica. Mas isso está mudando. Alguns novos processos automatizados de fabricação de compósitos estão começando a inclinar a balança a favor dos compósitos, e entre estes está um processo de sobremoldagem híbrida desenvolvido pela TxV Aero Composites (Bristol, R.I., EUA).

Uma joint venture da Tri-Mack Plastics Manufacturing (Bristol, R.I., EUA) e Victrex (Thornton Cleveleys, Reino Unido), a TxV avançou sua técnica de sobremoldagem híbrida ao ponto de status de produção comercial. A empresa fez parceria com a SFS intec Aircraft Components (Althengstett, Alemanha) para redesenhar e produzir comercialmente um suporte de compartimento de bagagem de aeronave anteriormente feito de alumínio aeroespacial. Uma história de sucesso por si só, o suporte também demonstra o potencial da sobremoldagem híbrida e fita unidirecional de fibra de carbono/poliariletercetona (PAEK) VICTREX AE 250 para economia valiosa de peso e custo em numerosas aplicações aeroespaciais — vantagens alcançadas substituindo um processo de usinagem metálica subtrativo por um processo de compósitos no qual material é adicionado, não subtraído.

Da subtração para adição

Mecânicos e oficinas que produzem componentes metálicos em máquinas CNC se apelidaram de "fabricantes de cavacos", pela razão óbvia de que seus processos cortam material desnecessário de blocos metálicos para fazer componentes, criando cavacos de metal sucata. Estes cavacos representam um aspecto custoso da usinagem metálica, seja descartados, enviados a um reciclador, ou reprocessados internamente. No caso do suporte de compartimento superior da SFS intec, 60 a 70% do alumínio torna-se sucata durante as várias etapas de fresamento necessárias para usiná-lo.

Esta alta taxa de sucata torna o custo de matéria-prima para uma versão compósito de formato líquido ou quase líquido do suporte potencialmente menor que o custo do material metálico. "Podemos competir contra alumínio menos caro (por libra) por causa dos cavacos; se a razão buy-to-fly é 8:1, a maior parte do alumínio comprado torna-se sucata", nota Jonathan Sourkes, gerente sênior de contas da TxV. "Outro fator é o tempo que cada componente gasta sendo fresado. Podemos fazer peças [compósitos] em minutos, não horas."

Além dos custos de matéria-prima, versões compósitos de componentes como o suporte — apresentando geometria complexa e exigindo alto desempenho de suporte de carga — não foram economicamente viáveis usando opções de manufatura historicamente disponíveis. Por um lado, se os componentes fossem feitos com reforço de fibra picada de baixo custo em um processo de alta velocidade e baixo toque como moldagem por injeção, o componente não alcançaria desempenho suficiente de suporte de carga. Por outro lado, se fosse feito com reforço de fibra contínua de maior suporte de carga via processo de baixa velocidade e alto toque, tipicamente envolvendo layup manual, a produção seria muito lenta e/ou imporia custos de manufatura que tornariam o produto final muito caro.

Devido a estes obstáculos para novas aplicações de compósitos deste tipo, a indústria de compósitos como um todo tem dedicado recursos significativos ao desenvolvimento de processos automatizados que podem produzir tais componentes em taxas de produção adequadamente altas e com capacidade suficiente de suporte de carga para atender necessidades e especificações de clientes aeroespaciais. Com olho na produção comercial de tais componentes compósitos, a TxV surgiu em 2017 especificamente para acelerar a adoção comercial de processos de manufatura inovadores para aplicações de compósitos baseados em poliketona em toda a indústria aeroespacial.

Construindo suportes B

Um aspecto chave do processo de sobremoldagem híbrida é o uso de polímeros distintos da mesma classe. PAEK serve como resina de matriz para as porções de compósito de fibra contínua do suporte, enquanto polieterexetona (PEEK) é usada nas áreas sobremoldadas. VICTREX PAEK e PEEK ostentam superior resistência à fadiga, química e corrosão; excelente resistência a fumaça, chama e toxicidade; conformabilidade rápida; e soldabilidade. VICTREX AE 250, um PAEK de menor ponto de fusão (LM PAEK), oferece temperatura de fusão 40°C menor que a do PEEK. "Quando PEEK fundido flui sobre a superfície do compósito LM PAEK, a menor temperatura de fusão permite uma forte fixação", explica Sourkes.

Materiais-primas específicos para o suporte B são fita unidirecional de fibra de carbono/PAEK VICTREX AE 250 (58% fibra de carbono) em larguras de duas polegadas; e VICTREX PEEK 150CA30 reforçado com fibra de carbono curta (30% fibra de carbono). Estes materiais alimentam as células de trabalho de produção de sobremoldagem híbrida, que criam os suportes através do seguinte processo multi-etapas.

Etapa 1. Um sistema automatizado de colocação de fita Dieffenbacher Fiberforge 2000 produz blanks de laminado personalizados.

Primeiro, as fitas de fibra de carbono/PAEK são colocadas em um blank personalizado usando um sistema de colocação de fita Dieffenbacher (Eppingen, Alemanha) Fiberforge 2000. "Esta máquina é atualmente um dos sistemas de colocação de fita mais rápidos do mundo", atesta Sourkes. Ela é equipada com robôs para carregar e recarregar bobinas de fita, para que possa rodar ininterruptamente, minimizando tempo de toque manual. O layup é projetado para que espaços entre fitas sejam minimizados. Cada ply do blank personalizado do suporte B é inspecionado antes que o próximo ply seja colocado. O processo é realizado em área ambientalmente controlada para minimizar potencial de objetos e detritos estranhos (FOD).

Os blanks personalizados são então consolidados em uma célula automatizada sob medida que requer manuseio manual mínimo para carregar e descarregar os laminados. Na célula, placas aquecidas combinadas prensam-consolidam um painel, eliminando vazios. Placas frias combinadas então resfriam o painel. Os dois conjuntos de placas, mantidos em temperatura, são muito mais eficientes que uma prensa estática com um conjunto de placas. "O resultado é um tempo de ciclo drasticamente reduzido medido em minutos versus horas", diz Sourkes.

Etapa 2. Blanks personalizados são consolidados em uma célula de consolidação automatizada sob medida, que apresenta dois conjuntos de placas mantidos em temperatura (um quente, um frio) para acelerar esta etapa.

Os pré-formas de laminado consolidado são então processados adicionalmente em uma célula de trabalho proprietária para formar a forma primária do suporte (Etapa 3). Os inserts finais de fibra de carbono/PAEK são então cortados dos blanks formados usando um cortador a jato d'água Flow International (Kent, Wash., EUA) (Etapa 4).

Etapa 3. Uma célula de trabalho proprietária forma a forma primária do suporte.

Ao determinar o tamanho do blank personalizado, Sourkes aponta que um tradeoff deve ser deliberado para cada projeto. "Podemos dimensionar o laminado para que possamos cortar três ou quatro retângulos de um único blank quadrado. Ao fazer layup do maior blank possível, então cortá-lo em pré-formas, você maximiza a razão buy-to-fly; mas cortar as pré-formas significa mais tempo para operações de corte a jato d'água." No projeto do suporte B, cada laminado consolidado é cortado em múltiplas pré-formas.

Próximo é a etapa de sobremoldagem, realizada com uma máquina de moldagem por injeção de alta temperatura Engel (Schwertberg, Áustria) (Etapa 5). Os inserts são colocados em uma cavidade de moldagem por injeção que é então preenchida com PEEK fundido. Os inserts são colocados em uma cavidade de moldagem por injeção que é preenchida com PEEK fundido, que derrete a camada superior dos laminados VICTREX AE 250 para criar um componente fortemente ligado por fusão.

Quando necessário, um componente é finalizado via usinagem para formato líquido. "Embora seja nosso objetivo moldar peças near-net", admite Sourkes, "frequentemente algum nível mínimo de usinagem é necessário após o fato para limpar geometria de processo." Usinagem pode ser realizada com jato d'água ou CNC.

Resultados inovadores

Na fabricação do suporte da SFS intec, o processo de sobremoldagem híbrida da TxV alcança tempos de ciclo de três minutos, e uma razão buy-to-fly de 1,06:1. "É o uso eficiente de materiais e processo de manufatura rápido que nos permite produzir peças termoplásticas compósitos de valor agregado, e que torna possíveis as reduções de custo de sistema sobre os designs metálicos incumbentes", enfatiza Sourkes. "Efetivamente estamos substituindo uma matéria-prima de menor custo com alta razão buy-to-fly e tempo significativo de processamento com uma solução de material altamente engenheirada." O resultado é economia de peso na faixa de 30 a 40% e economia de custo na faixa de 20 a 30% em uma substituição equivalente, ou seja, uma peça de reposição que segue as mesmas especificações geométricas e operacionais do componente existente. "A economia de peso em particular pode ser tão grande quanto 60% quando temos a oportunidade de redesenhar completamente um sistema de peça", ele nota.

Etapa 5. Uma máquina de moldagem por injeção Engel otimizada para sobremoldagem híbrida PEEK completa a peça compósito sobremoldando os inserts.

O suporte de fibra de carbono/PAEK/PEEK também consolidou contagem de peças: TxV e SFS concordaram em sobremoldar por injeção um nariz espalhador na parte inferior da peça na mesma operação usada para funcionalizar e adicionar outras características. Anteriormente, o nariz espalhador era feito de PEEK e então mantido no lugar por dois rebites. Assim, a consolidação resulta tanto em contagem reduzida de peças quanto na eliminação de uma etapa de montagem.

A expertise das duas empresas que lançaram a TxV sem dúvida permitiu o sucesso da sobremoldagem híbrida. Sourkes explica que, após desenvolver o material PAEK e tecnologia de processamento, a Victrex primeiro explorou oportunidades com parceiros de negócios existentes. "No entanto, empresas com expertise em moldagem por injeção não tinham expertise para trabalhar com compósitos reforçados com fibra contínua, e vice-versa." Victrex e Tri-Mack fizeram parceria por vários anos antes de formar a TxV em 2017 e construir o centro de excelência de compósitos de poliketona construído para propósito da joint venture, que é altamente automatizado e projetado para produção serial de alta taxa.

Questionado para comparar o processo e resultados da TxV com uma abordagem de manufatura convencional, Sourkes nota que o suporte B não é passível de abordagens convencionais de manufatura de compósitos. "Isso seria muito desafiador sem usinar o suporte de um bloco compósito — o que seria proibitivo em custo", ele diz.

Etapa 6. O suporte B final é produzido com tempo de ciclo de três minutos, razão buy-to-fly de 1,06:1, e economia de peso de 30 a 40%.

Qualificar então voar

Aproveitando a capacidade da SFS intec de rodar qualificação, as duas empresas procederam com certificação através de "design de ponto", o que significa que apenas esta geometria de peça particular ganha aprovação de voo. Peças foram produzidas e submetidas aos testes descritos no documento de qualificação. "Dado que a peça é um suporte de compartimento superior, as cargas operacionais são bastante facilmente alcançadas", nota Sourkes. "No entanto, os requisitos de desempenho vão além daquelas cargas típicas e devem cobrir algumas manobras extremas de decolagem e pouso." Conforme a CW vai para impressão, o pacote de qualificação foi submetido e aguarda assinatura final do guardião da especificação. TxV e SFS intec esperam que a peça esteja voando no início de 2020.

Uma vez que o suporte B seja qualificado, a TxV escalará para volumes de produção. Embora a empresa esteja usando sua linha existente de sobremoldagem híbrida para produzir estes suportes, Sourkes enfatiza que a empresa tem um mandato duplo — tanto para fazer peças com a tecnologia quanto para apoiar fabricantes da indústria interessados em adotar a tecnologia eles mesmos. Em outras palavras, fabricantes de compósitos podem adotar esta técnica de manufatura em suas próprias instalações.

Suportes compósitos como o produto da SFS intec têm potencial para assumir um mercado bastante grande para este tipo de componentes. Aeronaves comerciais usam milhares de suportes e anexos de sistema, respondendo por contribuições significativas de custo e peso para a aeronave geral. "Estamos convencidos de que componentes compósitos termoplásticos desempenharão um papel cada vez maior na manufatura de aeronaves", antecipa Costabel.