Conformação a Quente (Hot Drape Forming): Aumentando Eficiência na Produção de Compósitos

Recurso Online Compila Anos de Cobertura da CW sobre Hot Drape Forming

Esta barra lateral online para o artigo de março de 2021, "Avançando a caixa de asa infundida OOA", visa reunir o que a CW escreveu sobre conformação a quente (hot drape forming) ao longo dos anos em um só lugar e, esperançosamente, fornecer um recurso útil. Abaixo estão trechos de múltiplos artigos — de 2010 a 2020 — com fotos para ajudar a demonstrar como a conformação a quente ajuda a automatizar a produção de compósitos.

2010, GKN Aerospace, Longarinas A400M

De: "Longarinas de asa compósitos suportam enormes motores turboélice"

Phil Grainger, diretor técnico e tecnólogo chefe da GKN Aerospace, explica que construir uma peça tão grande manualmente, como foi feito nas longarinas A400M iniciais, é lento, com taxa típica de deposição de 0,75 kg/h (1,5 lb/h). No entanto, durante produção em série, a peça será depositada plana, usando uma colocadora automática de fitas (ATL) e subsequentemente conformada a quente (hot drape formed) na forma de seção C. Neste ponto, taxas de deposição de 25 kg/h (50 lb/h) serão alcançáveis. Grainger enfatiza que estas são taxas médias alcançáveis sobre um turno, em peças reais.

Para automatizar o processo, a GKN Aerospace investiu em um grande ATL com cama de 20m/63 pés, fabricado pela MTorres (Navarra, Espanha). O ATL é capaz de depositar as pré-formas complexas em suas formas desenvolvidas a partir de fita uni de fibra de carbono/epóxi endurecido 977-2 fornecida pela Cytec Engineered Materials Ltd. (agora Solvay, Wrexham, Reino Unido). Para formar a seção C, a pré-forma será movida da colocadora de fitas para um formador a quente (hot drape former) fornecido pelo fabricante de equipamentos Aeroform Ltd. (Poole, Dorset, Reino Unido). Para facilitar a aplicação de vácuo, o layup será sanduíche entre dois diafragmas feitos de filme de poliamida Kapton, fornecido pela DuPont Electronic Technologies (Circleville, Ohio). O espaço entre os filmes será evacuado e então aquecimento infravermelho será aplicado acima da peça para elevar a temperatura a 60°C/140°F ao longo de uma hora. Isso garante que mesmo o material no centro da seção mais espessa na extremidade da raiz seja aquecido uniformemente à mesma temperatura. Pressão então será aplicada suavemente para formar o laminado, restringido pelos dois diafragmas sobre uma ferramenta leve que representa precisamente a superfície interna da longarina. Este processo de formação em C é alcançado muito lentamente ao longo de 20 minutos. (Após a formação, os filmes Kapton são descartados.)

2014, FACC, Flaps A321

De: "FACC AG: Potência em aerocompósitos"

Na Planta 3, uma ampla variedade de flaps, fairings e superfícies de controle de voo são fabricados. Aqui também, eficiências de colocação automática de fitas (ATL) e conformação a quente (hot drape forming) são exploradas. Esta última aplica calor e pressão a pré-formas planas ATL usando um núcleo e almofada de formação flexível para produzir formas tridimensionais (ver Fig. 7). Um exemplo é a produção contínua de flaps A321, que usa uma célula de trabalho automatizada de ponta customizada pela Fill (Gurten, Áustria).

2018, Fill, Pré-formação Automatizada

De: "Pré-formação Automatizada, Parte 7: Fill Gesellschaft"

Nos recentes artigos de visita que Sara Black e eu escrevemos sobre compósitos de alto desempenho em Israel, notamos que a maioria das empresas estava usando conformação a quente (hot drape forming). De fato, na Elbit Cyclone, nosso guia Jonathan Hulaty afirmou: "Não sei como você faz esse tipo de produção de peças pré-impregnadas de alta taxa sem conformação a quente," referindo-se a vigas e montantes para montagens Boeing 787. Formadores a quente (HDF) também são vistos como indispensáveis pela FBM e Israel Aerospace Industries.

A Fill forneceu sistemas HDF por anos, incluindo várias unidades em produção na FACC. São basicamente sistemas de formação a vácuo, equipados com elementos de aquecimento infravermelho ou outros tipos e uma membrana de borracha de silicone reutilizável para aquecer e compactar — descompactar — layups de pré-impregnado em suas ferramentas antes da cura. O HDF torna-se uma parte chave na linha completa de produção aeroespacial mostrada abaixo.

2018, FBM, Peças 787

De: "Fusão de empresas empreendedoras centradas em metal reivindica primeiro lugar em compósitos"

A CW é levada primeiro a uma sala limpa, onde trabalhadores depositam uma variedade de peças. Neste dia, em várias estações, cada uma equipada com tela de computador de assistência à deposição computadorizada, o foco são peças para o Boeing 787. Telas de toque fáceis de entender mostram claramente os ângulos de deposição para cada camada, e como devem ser posicionadas em cada ferramenta. Uma máquina "guilhotina" da Century Design (San Diego, CA, EUA), com mesa rotativa de 2m de diâmetro e lâmina no centro, permite corte rápido de camadas anguladas do pré-impregnado carbono/epóxi. Ferramentas para contornos de porta do 787 são mandris de aço moldados, tipicamente mais longos que largos, de alguns centímetros até ~2m de comprimento, usados para produzir centenas de frames, suportes e clipes. Uma mesa de corte plana automatizada da Assyst-Bullmer Inc. (Wakefield, Reino Unido) é usada pelos técnicos de deposição para cortar até 50 camadas empilhadas em uma operação.

A sala limpa é dominada por um formador a quente (HDF). Feito pela ElectroTherm Industry (Migdal HaEmek, Israel), a máquina estática (a empresa também faz versões móveis em carrinhos) é um sistema de formação a vácuo personalizado, equipado com elementos de aquecimento infravermelho e uma membrana de borracha de silicone para aquecer e compactar os layups compósitos nas ferramentas, antes da cura. O HDF pode formar até 50 camadas empilhadas, diz Poliker, sem etapas intermediárias de descompactação: "Estávamos procurando eliminar complexidade de processo, então formamos os layups em um único tiro." Após o pré-impregnado ser aquecido e consolidado no HDF, uma capa é colocada sobre todo o layup, antes do ensacamento. Feita com compósito de fibra de carbono, a capa exibe acabamento de superfície rugoso. Poliker não revelará detalhes do material proprietário, mas diz que pode suportar temperaturas de cura em autoclave de 177°C: "Simula uma ferramenta matched-die." Ele acrescenta que os mandris são recondicionados internamente, conforme necessário. Ensacamento e consumíveis são fornecidos pela Airtech International (Huntington Beach, CA, EUA).

2018, Elbit Cyclone, Peças 787

De: "Servindo o mundo dos compósitos em Israel e EUA"

À direita, trabalhadores na sala limpa para peças Boeing 787 depositam pré-impregnado para uma variedade de peças, de clipes e montantes pequenos a vigas complexas J-, I- e C-, bem como portas de trem de pouso dianteiro multi-peças. Pré-impregnado é cortado usando cortador de tecido automatizado Assyst Bullmer (Wakefield, Reino Unido) e máquina guilhotina para cortar pilhas grossas em qualquer ângulo. O freezer de pré-impregnado é adjacente à sala limpa. Hulaty nota que às vezes pilhas de pré-impregnado são cortadas, kitadas e colocadas de volta no freezer. Sistemas de projeção a laser Aligned Vision (Chelmsford, MA, EUA) localizados por toda a sala limpa assistem deposição manual.

Peças de viga de assoalho CFRP estão sendo depositadas em mandris metálicos machos. Hulaty detalha o processo simplificado: "Depositamos as pilhas de pré-impregnado primeiro e depois as aplicamos ao mandril. Isso economiza uma tonelada de tempo vs. aplicar pedaço a pedaço na ferramenta. Os layups são então cobertos, com uma capa CFRP de nosso próprio design, que ajuda a garantir 100% de repetibilidade nas peças."

Uma máquina de conformação a quente (hot drape forming) fica ao longo da parede traseira da sala limpa, permitindo descompactação de muitas peças por ciclo. "Não sei como você faz esse tipo de produção de peças pré-impregnadas de alta taxa sem conformação a quente," diz Hulaty em referência a peças como vigas e montantes. E ainda, ele reconhece que esta etapa não é o gargalo, nem o autoclave. "Usinagem no final, após cura, é o gargalo," mantém ele, explicando que para peças de viga de assoalho longas, é mais rápido depositar uma pilha simples e usiná-la após cura. "O autoclave não é o problema porque podemos empilhar muitas peças para curar de uma vez," ele adiciona. "Então, na verdade obtemos uma boa taxa de produção por ciclo de cura."

2018, IAI, Aeroestruturas

De: "Pedra angular aeroespacial de Israel pronta para maior alcance global"

A IAI usa uma máquina de conformação a quente (hot drape forming) para descompactar layups grossos de pré-impregnado em massa, eliminando a necessidade de etapas convencionais intermediárias de descompactação.

As operações de compósitos da IAI abrangem fabricação de peças e montagens para jatos executivos e aeronaves comerciais, veículos aéreos não tripulados (VANTs) e aeronaves militares. Peças produzidas incluem estabilizadores vertical e horizontal, lemes, estruturas de asa, naceles de motor, vigas de assoalho, contornos de porta, painéis estruturais, nervuras e enrijecedores, superfícies de controle, fairings e radomes. Numeradas entre suas capacidades de fabricação estão deposição manual de pré-impregnado e colocação automática de fitas (ATL), conformação a quente (hot drape forming), cura em autoclave e fora do autoclave (OOA) incluindo processos de moldagem líquida, como infusão de resina e moldagem por transferência de resina (RTM), além de colagem complexa e montagem. A empresa também projeta e constrói suas próprias ferramentas, mantém todas as certificações-chave de qualidade aeroespacial e compósitos e fornece garantia de qualidade via testes e inspeção não destrutivos abrangentes.

• A capacidade de produção da IAI é significativa, com 10 autoclaves, sete dos quais pertencem à Div. Aero-montagens e variam em tamanho de 4,5m de comprimento e 2m de diâmetro, até o maior com 14m de comprimento e 4,7m de diâmetro.
• Layups de pré-impregnado são descompactados antes da cura usando uma máquina de conformação a quente (hot drape forming) (6,9 por 2,7 por 3,1m) da Electrotherm Industry (Migdal HaEmek, Israel).

2020, Strata, Flaps Internos A350-900

De: "Strata entrega 100 conjuntos de flaps internos para A350-900"

Projetado para aumentar a capacidade total de sustentação da asa de uma aeronave, um IBF [flap interno] é montado na borda de fuga da asa para aumentar a superfície da asa durante decolagem e pouso e melhorar a estabilidade durante o voo. A Strata diz que planeja automatizar totalmente o processo de fabricação do IBF, usando conformação a quente (HDF) e máquinas de colocação automática de fitas (ATL) robóticas controladas por computador, que obtiveram primeira qualificação de peça (FPQ) e verificações de design e qualidade FAI no início deste ano.

Como parte do processo, a empresa diz que a máquina HDF pré-forma componentes de fibra de carbono para peças de aeronaves, permitindo produção mais rápida de peças compósitos de alta qualidade, e seu sistema de aquecimento por radiação infravermelha amolece rápida e uniformemente a fibra de carbono para entregar peças precisas ditas serem livres de enrugamento por tensão. Além disso, as duas máquinas ATL da Strata depositam materiais pré-impregnados unidirecionais em uma cama plana antes de serem transferidos para um molde para processamento adicional. Segundo a Strata, seu envelope de trabalho de 2,5 metros por 10 metros permite processamento automatizado de grandes layups compósitos, eliminando a necessidade de uma máquina de corte ultrassônico separada, e reduzindo tempos de processamento.

2020, Techni-Modul, Nervura e Longarina de Asa

De: "RTM de Compressão para produção de futuras aeroestruturas"

"Para nós, OPTICOMS também era sobre automação," diz Chevallet. A Techni-Modul Engineering forneceu não apenas um sistema de injeção C-RTM para o projeto OPTICOMS, mas também um robô pick-and-place e uma máquina de conformação a quente (HDF), todos integrados em uma célula de produção totalmente automatizada. ... "Automatizamos a empilhamento manual clássico de camadas usando pick-and-place robótico," diz Chevallet. "O robô pega camadas de um cortador automatizado e transfere estas para a ferramenta de pré-forma aquecida que fica em uma mesa de compactação [Passos 1 e 6]." Um peel ply (filme azul no Passo 6), respirador (material branco no Passo 6) e membrana de vácuo reutilizável articulada (azul claro à esquerda nos Passos 2 e 6) são aplicados, seguidos por vácuo e calor para pré-formar e remover ar da pilha têxtil (conformação a quente, HDF) enquanto derrete os véus termoplásticos finos para criar uma pré-forma compactada.

"Quantas camadas você pode compactar de uma vez depende dos materiais e forma da peça," explica Chevallet. "Para peças com baixa curvatura, como uma pele de asa, então você poderia possivelmente compactar a cada 50 camadas. A nervura OPTICOMS, no entanto, tem ângulos de 90 graus, e a viga de teste em I tem formas em T, então você deve ter cuidado para não formar rugas nas camadas durante a pré-formação." Ele adiciona que tais formas complexas podem requerer compactação a cada 5-8 camadas, mas ainda podem ser parte de um processo industrializado de alto volume: Empilhar camadas, compactação HDF de 2 minutos, reabrir e empilhar novamente, seguido por ciclos repetidos de compactação com resfriamento final da pré-forma na ferramenta antes da transferência para o molde RTM.