Fraunhofer IPT Inova Compósitos Termoplásticos para Armazenamento de Hidrogênio, Pás de Motor de Aeronave e Além

O desenvolvimento do Fraunhofer IPT inclui (no sentido horário a partir do canto superior esquerdo) pás de ventilador de motor aeroespacial em compósito termoplástico, estruturas híbridas compósito-metal usando estruturação a laser e AFP, monitoramento de saúde estrutural (SHM) de compósitos e sistemas de processamento de fita termoplástica compósito, como os sistemas PrePro 2D e PrePro3D comercializados pela Conbility. Crédito da foto: Fraunhofer IPT

Em dezembro de 2020, publiquei um artigo sobre como o Fraunhofer Institute for Production Technology (IPT, Aachen, Alemanha) está desenvolvendo colocação e conformação de fita totalmente automatizadas para pás de ventilador de motor aeroespacial em polímero reforçado com fibra de carbono termoplástico (CFRP). A consolidação in-situ (ISC) de fita compósito termoplástico, acontece, é um tópico que o Fraunhofer IPT conhece bem, tendo impulsionado esta tecnologia em seu início junto com pioneiros da ISC Accudyne Systems Inc. (Newark, Del., EUA) e Automated Dynamics, agora Trelleborg Sealing Solutions Albany (TSS Albany, Niksayuna, N.Y., EUA). [Para mais sobre estes pioneiros da ISC, veja "Consolidando aeroestruturas termoplásticas no local, Parte 1 e Parte 2".] "O IPT tem sido ativo em enrolamento de fita a laser assistido (LATW) desde 1988, e continua sendo um de nossos principais tópicos", explica Dr. Henning Janssen, engenheiro chefe e chefe de departamento para plásticos reforçados com fibra e tecnologia de sistema a laser no Fraunhofer IPT. Ele observa que a tecnologia LATW mudou muito, especialmente nos últimos 10-15 anos. Este blog dá mais detalhes sobre o desenvolvimento de LATW e de compósitos termoplásticos mais amplamente pelo Fraunhofer IPT, bem como para onde o instituto vê a tecnologia indo no futuro.

Evolução no enrolamento de fita a laser

"Quando começamos há 30 anos, a tecnologia a laser não estava pronta para processamento de alta velocidade de compósitos termoplásticos", diz Janssen. "Você pode imaginar que, especialmente no lado do controle, você só tinha uma câmera analógica. Agora, temos tecnologia muito melhor. Por exemplo, quando desenvolvemos um cabeçote de enrolamento a laser compacto em 2008, que resultou na fundação da AFPT Germany (Dörth, Alemanha), tivemos que usar uma câmera de 16 pixels x 16 pixels, que oferecia taxa de quadros de apenas oito quadros por segundo. Agora, facilmente temos 640 x 480 pixels e processamento de 50 quadros ou mais por segundo." Ele explica que isso é importante, "porque com o enrolamento de fita a laser que desenvolvemos, uma das principais vantagens é que você pode olhar para dentro do processo e também mudar a potência de processamento em milissegundos. Isso dá uma boa vantagem, por exemplo, ao contornar geometrias complexas, como o domo de vasos de pressão, onde a velocidade de enrolamento diminui, e você deve reduzir a potência de aquecimento do laser. Você então deve reajustar conforme o enrolamento recupera velocidade ao longo do cilindro do tanque. Isso não era possível há 15 anos porque o laser, sistema de controle e tecnologias de imagem térmica não estavam prontos ou eram muito caros e também não tão poderosos quanto o que temos hoje.

Janssen continua, "Então, há muito que se desenvolveu no lado digital. Agora, por exemplo, fornecemos algo como um gêmeo digital, onde você pode mapear toda a informação do seu sensor no vaso de pressão, para que você possa comparar a peça como fabricada versus o design digital para avaliar qualidade da peça e prever desempenho. Usar sensores de processo virtuais e modelos também nos permite prever a resistência do laminado conforme definida pelo seu histórico de processamento." Isso é importante porque LATW usando fita termoplástica usa aquecimento e resfriamento rápidos onde o material e propriedades da peça são determinados durante o próprio processo de enrolamento, devido à falta de uma etapa de pós-processamento térmico, ele nota. É crítico, portanto, ter a capacidade para controle de processo rápido.

Também houve desenvolvimentos em materiais, diz Janssen. "Vinte anos atrás, havia uma quantidade limitada de materiais de fita compósito termoplástico disponíveis, como APC-2 da Cytec, que agora é Solvay (Alpharetta, Ga., EUA)", ele explica. "Mas agora, muitos mais materiais são qualificados para aplicações industriais, e você também tem muitos materiais commodity como polipropileno (PP) reforçado com fibra de carbono e também com fibra de vidro, bem como poliamida seis (PA6), por exemplo, que é usado bastante na indústria automotiva. Há também agora aplicações para LATW que são mais voltadas para produção em massa. Por exemplo, há um impulso para mangas de retenção e outras peças em motores elétricos. São simples anéis ou tubos de compósito termoplástico, mas em volumes de 10.000 a 50.000 por ano."

ambliFIBRE, tubos para óleo e gás

Parte do controle digital de processo em LATW que Janssen descreve acima foi desenvolvida no projeto ambliFIBRE (2015-2018). "Havia muitos parceiros naquele projeto", diz ele, "mas um era a Baker Hughes (Newcastle, Inglaterra e Houston, Texas, EUA) e usamos nosso equipamento LATW para seus tubos não metálicos." Note que pouco depois do término do ambliFIBRE em 2018, a Baker Hughes anunciou sua joint venture com a Saudi Aramco (Riade, Arábia Saudita) para expandir o uso de tubos não metálicos, incluindo o possível uso de plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP).

A Baker Hughes agora visa acelerar a introdução de materiais não metálicos no setor de energia, e há outras empresas usando tecnologia baseada a laser para tubos também, como Magma (Portsmouth, Reino Unido). (Veja "Tubo termoplástico em ascensão no mar profundo" e "Magma Global entrega riser compósito de alta pressão...").

"Também é bastante comum usar enrolamento de fita a laser para risers e flowlines de compósito termoplástico também", diz Janssen. "Embora isso não seja conhecimento comum em outras indústrias ainda." Ele adiciona que muita da atenção recente dada ao LATW tem sido para tanques de armazenamento de hidrogênio, mas a tecnologia já tem uma aplicação muito mais ampla.

Dentro do projeto ambliFIBRE, o Fraunhofer IPT desenvolveu modelos de controle de processo digital para enrolamento de fita descontínuo (ex: tanques) e contínuo, por exemplo, para produzir tubos de vários quilômetros de comprimento. Crédito da foto: vídeo do Fraunhofer IPT para projeto ambliFIBRE

"E o que nós no Fraunhofer IPT oferecemos para estas aplicações é chave", diz Janssen. "Obviamente, não estamos operando uma linha de produção em escala real para produção contínua de tubos aqui em nosso instituto, mas o que oferecemos para nossos clientes é teste de material e qualificação de produto. Há a pirâmide de teste, por exemplo, baseada na DNV-GL F114, começando com qualificação e teste do polímero e das fibras, e depois escalando para a microestrutura ou mesoestrutura do laminado compósito. Então, fazemos muitos testes no nível de cupom, e depois escalamos para tubos menores e representativos, por exemplo, porque enrolamento dá propriedades diferentes que prensagem ou colocação automatizada de fita (ATL)."

Também, ele nota, "porque você tem diferentes tensões no seu material, muitos destes materiais compósitos são testados em tubos menores, por exemplo, 2-3 polegadas até vários metros de comprimento. Então, fazemos este teste e depois aplicamos nossa compreensão de processo para o comprimento real da peça, por exemplo, 2-3 quilômetros. E isso é muito interessante, porque o tempo de processamento naquele comprimento pode abranger alguns dias, e você deve considerar encolhimento assim como outros fatores, como mudanças na temperatura ambiente do ar, que podem ter bastante impacto."

LATW em tanques de armazenamento de hidrogênio

Janssen diz que o Fraunhofer IPT trabalha com empresas de óleo e gás desde 2000. "E então, oito anos atrás, percebemos que esta é quase a mesma tecnologia que você precisa para tanques de hidrogênio", ele relembra. "E agora temos uma grande iniciativa para manufatura de hidrogênio aqui no IPT e também para compósitos de fibra de carbono em células de combustível. Estamos montando uma instalação de 80 milhões de euros para manufatura automatizada de células de combustível e também investindo em uma nova instalação de enrolamento bastante grande para que possamos produzir peças de até 7 metros de comprimento e 2,5 metros de diâmetro, que também usaremos para grandes vasos de pressão."

LATW usando fitas compósitos termoplásticos ainda não é estado da arte para manufatura de vasos de pressão, diz Janssen, "porque a química dos termoplásticos, bem como seu processamento e durabilidade ainda estão sendo pesquisados. Mas nossa forte crença é que a baixa permeabilidade, tenacidade e reciclabilidade que os termoplásticos oferecem é importante." Ele também vê potencial para termoplásticos em vasos de pressão Tipo V, que são totalmente compósitos mas não usam um liner termoplástico separado. "Estes podem fornecer uma solução futura para algumas aplicações móveis de armazenamento de hidrogênio, como caminhões elétricos a célula de combustível."

"Também vemos que o enrolamento de filamento termoendurecível convencional é limitado em relação a ângulos mínimos de enrolamento", diz Janssen. "Por exemplo, você tem que contornar os domos em camadas helicoidais com não muito menos que um ângulo de fibra de 10°. Então, você não pode colocar um reforço de 0° em um tanque convencional de filamento enrolado." No entanto, ele sustenta, "no LATW clássico, o pré-preg termoplástico entrante é diretamente soldado ao substrato, então você pode ir em qualquer direção que quiser, o que dá muito mais liberdade de design. Estamos atualmente executando projetos com parceiros da indústria automotiva para desenvolver vasos de pressão termoplásticos para armazenamento de hidrogênio que são seguros, energeticamente eficientes e fáceis de reciclar."

Pás de ventilador de compósito termoplástico

O Fraunhofer IPT tem um background muito forte em turbomaquinaria, diz Janssen. "Temos aqui em Aachen o Centro Internacional para Manufatura de Turbomaquinaria, ou ICTM, uma comunidade pré-competitiva onde estamos trabalhando com fabricantes de motores e seus fornecedores conjuntamente em projetos de P&D pré-competitivos para desenvolver e aprimorar tecnologia de manufatura."

Ele nota que nos últimos 20 anos, o foco tem sido principalmente em usinagem de titânio ou ligas baseadas em níquel para produtos avançados da seção de compressão e turbinas, como o disco integrado de pá (blisk). Enquanto na seção fria, peças de materiais compósitos — como pás de ventilador de fibra de carbono — foram desenvolvidas pela GE nos anos 1990 e agora estão em serviço na GE90 e GEnx. "Agora, no entanto, compósitos de matriz cerâmica (CMC) são vistos como materiais de próxima geração para a seção quente de motores a jato", diz Janssen, "permitindo temperaturas mais altas com menos peso para maior eficiência."

"A manufatura de peças de compósitos comparado a metal é muito diferente", ele continua. "Em metal, você começa com um bloco de material e deriva a peça por processamento subtrativo, principalmente usinagem, então o design não é tão dependente da manufatura. É exatamente o oposto em compósitos, que sempre requerem algum tipo de processo generativo. Então, decidimos que abordaremos estratégias novas de pás de ventilador de uma perspectiva de manufatura."

Ele também nota o empreendimento conjunto Clean Sky 2, no qual o Fraunhofer está liderando as atividades de Eco-Design. O Fraunhofer IPT está focando no eco-design para motores, que inclui avaliação de ciclo de vida e avaliação do impacto ambiental. "É por isso que começamos a olhar para compósitos termoplásticos", ele explica. "Até agora, estamos em um TRL [nível de prontidão tecnológica] muito baixo. Por enquanto, o desenvolvimento é sobre manufatura e tentando diferentes rotas de processo, como colocação near-net-shape e um pouco de termoformagem — que é mais como um passo de calibração — e então o acabamento em termos de usinagem. Então, há bastante trabalho pela frente ainda."

Enquanto isso, o Fraunhofer IPT está estendendo sua expertise em usinagem de componentes metálicos de motor aeroespacial para compósitos, usando sua tecnologia digital para monitorar e avaliar parâmetros de usinagem em cada pá. Mas não é o objetivo em compósitos mover-se para longe de tal manufatura subtrativa para manufatura mais aditiva para menos desperdício? "Sim, mas para algumas rotas de processo, usinagem é necessária para atender tolerâncias dimensionais", diz Janssen. "No que estamos trabalhando agora é very near net shape."

Ele aponta que o design sendo desenvolvido atualmente é um laminado termoplástico de 0,75 polegadas de espessura na raiz e apenas 2 milímetros de espessura na ponta. "E então há diferentes estratégias de design, que discutimos junto com os engenheiros de design. Também, você tem um autoclave ou uma etapa de prensa para aquele tipo de peça altamente carregada? Isso também desempenhará um papel em relação às tensões internas, porque sabemos que esta pá torce um pouco durante a rotação. E, claro, impacto de pássaro é uma questão chave." Para o último, Janssen vê a tenacidade aumentada dos termoplásticos como um facilitador, apontando que compósitos PPS (polifenileno sulfeto) são usados em bordos de ataque de asa por esta mesma razão.

Aplicações futuras para compósitos termoplásticos

Perguntei sobre a possibilidade de usar compósitos termoplásticos em naceles de motor, que poderiam talvez ajudar a fornecer uma solução para quatro incidentes recentes de perda de pá, onde, conforme relatado em um artigo de março de 2021 da Aviation Week:

"... danos causados por fragmentos de pá atingindo seções da cobertura do motor, ou nacelle, desencadearam uma série de eventos que causaram grandes pedaços de estrutura, incluindo partes de entradas de motor e cowls de ventilador, a se romperem." Em todos os quatro acidentes, a fuselagem da aeronave sofreu danos, e para o Voo Southwest 1380 em abril de 2018, uma das janelas foi deslocada, causando uma fatalidade de passageiro.

"Há algum interesse da indústria em fazer uso de compósitos termoplásticos em compartimentos de motor", diz Janssen, "no entanto, este é um desenvolvimento de longo prazo." Uma questão para tal desenvolvimento é certificação por autoridades de aviação, outra área onde o Fraunhofer IPT está ativo. "Estamos agora discutindo com órgãos de certificação como ajudar a reduzir o esforço de certificação provando digitalmente que novos processos de manufatura conformam aos padrões atuais e em evolução. Então, essa é uma nova forma de pensar. Na manufatura do século 21, há tantos dados disponíveis, não é apenas sobre certificar um processo ou um design por teste, e então isso é congelado." Em outras palavras, a ênfase de hoje na Indústria 4.0 e Compósitos 4.0 é que sensores e software habilitado por IA continuamente reunirão dados e desenvolverão inteligência que então continuamente otimizará a manufatura e, por sua vez, enviará essa inteligência de volta no fio digital para melhorar designs. Isso é de fato muito diferente da manufatura de hoje.

O trabalho do Fraunhofer IPT em relação à certificação, diz Janssen, "poderia ajudar a habilitar novas tecnologias como compósitos termoplásticos para peças de motor — isto é, uma vez que todos os aspectos, incluindo tecnologia, design e gestão de risco, são considerados." Ele afirma que compósitos termoplásticos oferecem enorme potencial para ajudar a superar desafios-chave em uma variedade de setores industriais, e nota que o Fraunhofer IPT está trabalhando para superar a complexidade de processamento de compósitos termoplásticos — por exemplo, fazendo uso de métodos de manufatura digital recém-disponíveis. "Além disso, o potencial de compósitos termoplásticos só pode ser totalmente explorado uma vez que o ciclo de vida completo — incluindo reuso e reciclagem — é considerado", diz Janssen. "Assim, o Fraunhofer IPT também está trabalhando em reciclagem mecânica de compósitos termoplásticos. Vemos que será possível alcançar material reciclado de alto valor considerando tanto os dados gerados durante a manufatura quanto os gerados durante todo o ciclo de vida de componentes compósitos."