Otimizando Produção Automatizada de Compósitos para Estruturas Aeroespaciais de Baixo Volume

A fabricação de aeroestruturas compósitos para aeronaves comerciais abrange mais de 50 anos e progrediu constantemente de peças menores para estruturas primárias muito grandes — fuselagem, asas, empenagem, motores — desenvolvidas no início dos anos 2000 para o Boeing 787 e Airbus A350. A grande maioria desta evolução dependeu do uso de pré-pregs de fibra de carbono/epóxi curados em autoclave, inicialmente colocados à mão e depois, eventualmente, via colocação automatizada de fibra (AFP), colocação automatizada de fita (ATL) e outros processos baseados em máquina.

Estas tecnologias de material e processo (M&P) eram adequadas para o 787 e A350 de corpo largo que, pré-pandemia, tinham taxas de construção de 10-15 por mês. À medida que Boeing e Airbus olham para o futuro, no entanto, e consideram aplicar materiais compósitos em estruturas primárias de aeronaves de corredor único que se espera ter taxas de construção de 60-100 por mês, design e M&P favorecerão processos altamente automatizados, fora de autoclave (OOA), de alta taxa. Estes processos incluem, entre outros, moldagem por transferência de resina (RTM), moldagem por compressão e infusão de resina líquida.

Mas mesmo que manufatura de alta taxa domine o setor aeroespacial comercial, fabricação de aeroestruturas compósitos para aeronaves de baixa taxa — incluindo programas de aeronaves regionais e jatos executivos — não apenas persistirá, mas pode e deve se beneficiar de algumas das mesmas inovações de custo, design e M&P que serão implantadas em programas de alta taxa.

Foi com tudo isso em mente que o programa europeu Clean Sky 2 lançou OPTICOMS — Optimized Composite Structures for Small Aircraft. OPTICOMS é um consórcio liderado pelo fabricante aeroespacial Israel Aerospace Industries (IAI, Lod, Israel) com parceiros que fornecem tecnologias de automação inovadoras, materiais, software, ferramentas e máquinas. O objetivo do OPTICOMS é avaliar um design de caixa de asa de baixa taxa de produção que apresenta fabricação automatizada, estruturas integradas, cura OOA, colagem estrutural grande, ferramentas de manufatura e montagem inovadoras, monitoramento de saúde estrutural de linhas de colagem e testes virtuais.

Arnold Nathan, diretor de P&D para o grupo de aviação na IAI e gerente do OPTICOMS, diz: "Toda vez que tentamos colocar automação em uma [discussão] sobre manufatura de compósitos, frequentemente ouvimos nossos clientes dizerem: 'Automação é boa, mas apenas quando você tem um grande volume de produção.' OPTICOMS foi criado para descobrir se você pode justificar automação quando você não tem produção de grande volume. A manufatura de compósitos automatizada pode ser competitiva e custo-efetiva para baixos volumes?"

Design da asa

OPTICOMS nasceu de uma solicitação do Clean Sky 2 emitida pelo fabricante italiano de aeronaves executivas Piaggio Aerospace (Gênova) para o desenvolvimento de uma asa alternativa totalmente compósito para seu P180 Avanti biturboélice executivo de nove passageiros. A caixa de asa mede 6,8 metros de comprimento, 0,71 metros de largura na raiz e 0,28 metros de largura na ponta. Piaggio, diz Nathan, estava ansioso para avaliar uma alternativa à caixa de asa totalmente metálica legada — uma alternativa com as mesmas dimensões, mas oferecendo peso reduzido (20%). Além disso, o custo deve ser reduzido em 20-30% comparado à manufatura convencional de caixa de asa compósito. IAI e seus parceiros ganharam o contrato e começaram a trabalhar com Piaggio em 2016.

OPTICOMS é um programa multi-parte projetado para realizar uma série de estudos de trade-off altamente detalhados e meticulosamente conduzidos para avaliar e determinar design ótimo de asa, combinação de materiais e processo de fabricação OOA para manufatura automatizada de uma caixa de asa totalmente compósito de baixo volume.

IAI e OPTICOMS, diz Nathan, decidiram cedo que focariam e avaliariam o uso de três processos de manufatura fornecidos por três parceiros: Colocação robótica automatizada pick-and-place de tecidos secos e pré-pregados, fornecido pela Techni-Modul Engineering (TME, Coudes, França); colocação automatizada de fibra (AFP) de tows secos e pré-pregados, fornecido pela Coriolis Composites (Queven, França); e tecnologia de colocação automatizada de material seco (ADMP), fornecida pela Danobat (Elgoibar, Espanha). A seleção destas tecnologias e parceiros seria crítica para guiar a IAI através de seus estudos de trade-off multi-variantes.

Resultados do design

• Design multi-spar integral (três spars) minimiza montagem
• Pele "trabalhadora" portadora de carga ajuda a tirar tensão mecânica dos spars
• Pele inferior colada com SHM elimina necessidade de fixadores mecânicos

O primeiro passo neste estudo de trade-off foi avaliação de design. Este esforço foi liderado na IAI por Adam Sawday, engenheiro de design estrutural para tecnologias avançadas. Sawday diz que ele e a IAI adotaram uma abordagem clean-sheet para o design da asa, estudando mais de 18 conceitos através de uma variedade de arquiteturas. Designs rapidamente caíram em uma de duas categorias. A primeira emprega uma pele "trabalhadora" na qual a pele da caixa de asa se torna uma estrutura portadora de carga. A segunda emprega peles não-trabalhadoras com caps de spar carregados. Dentro destas categorias, designs incluem um conceito tradicional com nervuras, enrijecedores e dois spars, ou, alternativamente, uso de três spars — chamado multi-spar — sem nervuras ou enrijecedores. Vários conceitos também consideraram uso de construção de painel sanduíche que produz uma pele semi-trabalhadora.

"Nosso mantra era reduzir esforço de manufatura e reduzir esforço de montagem", diz Sawday. "E acreditamos que se você pode desenvolver uma estrutura mais eficiente que é mais integral, então você vai obter uma estrutura mais barata e mais leve."

Sawday diz que os designs foram medidos contra uma série de métricas para avaliar sua capacidade de atender às metas de custo e peso do programa. Estas métricas incluem: custos de material, complexidade de design, custos de manufatura de componentes, custos de montagem, custos de testes não destrutivos (NDT), custos de ferramentas e gabaritos, peso, resistência, nível de prontidão tecnológica (TRL), considerações ecológicas, perfil de risco, robustez e confiabilidade. Destes, os critérios ponderados mais pesadamente foram peso, custos de manufatura e montagem, complexidade de design, TRL e perfil de risco.

Down-selecting para design final

Dados desta avaliação ajudaram a IAI fazer down-select dos conceitos de design para 10 finalistas. Quatro eram multi-spar/pele trabalhadora, um era multi-spar/pele não-trabalhadora com spars carregados, quatro eram multi-nervura/pele trabalhadora com enrijecedores, um era multi-nervura/pele trabalhadora sem enrijecedores, e um era estrutura sanduíche/pele trabalhadora sem enrijecedores. Cada design oferecia várias combinações de pré-cura, co-cura, colagem ou fixação mecânica.

Chegar ao design final envolveu outra rodada de estudos de trade-off usando muitos dos mesmos critérios do primeiro estudo. Cada design recebeu um valor de trade-off, baseado em quão bem atendia aos critérios. "Tínhamos esta grande tabela de trade-off, e cada opção de design tinha um valor, e isso nos ajudou a ver a opção mais forte", diz Sawday.

Havia um design, desde o início, que performou consistentemente bem nos estudos de trade-off e parecia propenso a sair no topo, nota Sawday. E saiu. Apelidado internamente como multi-spar/pele trabalhadora #2, apresenta uma pele superior altamente integrada e co-curada e três spars. Estes são então colados a uma pele inferior que tem painéis de acesso. Localizados seletivamente entre os spars está uma série de nervuras "de apoio", projetadas para apoiar a pele, que suporta a maioria das cargas de flexão.

"As estruturas mais favoráveis que desenvolvemos", diz Sawday, "foram aquelas com multi-spars, onde a pele se torna portadora de carga. Os spars, então, se tornam estruturas mais simples e finas, e não quase tão pesados como são em designs tradicionais de asa compósito. Pensamos que se pudéssemos apenas tornar estes spars muito simples, com seção transversal constante, isso vai economizar muita dor de cabeça e muita sucata."

Sawday diz que o design de pele trabalhadora multi-spar integral colado mostrou promessa particular por seus custos de montagem reduzidos, baixo peso, facilidade de automação e contagem de peças geral baixa. A questão permanecia, no entanto: Quais materiais e quais processos de manufatura seriam mais adequados para dar vida a este design?

Estudos de trade-off M&P

Primeiro vieram os estudos de trade-off de materiais. Estes foram realizados na IAI por Yaniv Yurovitch, engenheiro de materiais compósitos. Ele diz que OPTICOMS começou a avaliar pré-pregs de fibra de carbono OOA, fibras de carbono secas (fitas e tecidos) e resinas baseadas em recomendações de Piaggio, IAI e parceiros de tecnologia. O resultado foi uma lista de 35 materiais qualificados e novos.

Este primeiro grupo de materiais foi então filtrado baseado nos parâmetros mais cruciais para o projeto OPTICOMS: Custo, temperatura de transição vítrea (Tg), viscosidade (para infusão ou injeção) e adequação para tecnologias de colocação automatizada. Esta avaliação reduziu a lista de materiais de 35 para 20 pré-pregs, fibras secas e resinas.

Amostras de cada um destes 20 materiais foram encomendadas; Yurovitch então fez cupons e realizou testes mecânicos como parte do próximo down-select. "Foi um pacote de trabalho realmente grande", diz Yurovitch. "Permitiu-nos tomar mais decisões e selecionar os três materiais finais." Aqueles combinações fibra/resina são:

• Pré-preg de fibra de carbono/epóxi 2510 da Toray Composites Materials America (Tacoma, Wash., EUA).
• Fitas UD de fibra de carbono HiTape da Hexcel (Stamford, Conn., EUA), para serem usadas com resina epóxi HexFlow RTM6 da Hexcel.
• Tecido não-crimp de fibra de carbono (NCF) fornecido pela SAERTEX (Saerbeck, Alemanha), para ser combinado via infusão com epóxi endurecido PRISM EP2400 da Solvay Composite Materials (Alpharetta, Ga., EUA).

Esta lista obviamente favorece uso de fibras secas, que por sua vez favorece infusão como processo de manufatura. Nathan diz que isso é impulsionado em parte pelo desafio de gerenciar vida de prateleira de pré-preg em um ambiente de baixo volume. "Quando você está falando de produção de baixo volume, você realmente não quer carregar muito pré-preg e se preocupar em gerenciar vida de prateleira", diz ele. "Fibra seca não tem esse problema."

Estes três materiais também foram pareados com um ou mais dos processos de manufatura selecionados para OPTICOMS: Pré-preg Toray combina com pick-and-place e AFP, HiTape/RTM6 da Hexcel combina com AFP bem como pick-and-place, e NCF da SAERTEX combina com pick-and-place ou ADMP.

Os trades em torno dos processos de manufatura automatizados — qual é mais adequado para qual tipo de peça — ainda estão sendo realizados pela IAI e OPTICOMS. No entanto, resultados preliminares, diz Nathan, definitivamente apontam tecnologias em certas direções. Por exemplo, tecnologia ADMP da Danobat, originalmente desenvolvida para colocação rápida de tecidos largos em manufatura de pás de turbina eólica, provou ser igualmente eficiente no OPTICOMS. A tecnologia amadureceu durante OPTICOMS e sua robustez e confiabilidade foram melhoradas, mas ainda é uma tecnologia de colocação aeroespacial menos madura comparada a AFP.

Inversamente, AFP com o sistema Coriolis, com sua extensa experiência aeroespacial, é uma tecnologia madura e precisa, mas tem tempos de colocação mais longos comparados a ADMP e requer inspeção relativamente frequente para verificar anomalias. Coriolis fez progresso notável ao longo do projeto OPTICOMS com desenvolvimento de inspeção inline em tempo real da colocação para lidar com este desafio, diz Nathan. Finalmente, tecnologia pick-and-place da TME, projetada para automatizar a transferência de tecidos cortados da mesa de corte para o molde, parece ser mais eficaz para peças menores e discretas, como as nervuras de apoio no design multi-spar/pele trabalhadora.

Próximos passos

OPTICOMS está no caminho para atingir as metas de automação, economia de custo e peso estabelecidas pelo programa, diz Nathan, embora ainda haja vários meses de trabalho a serem feitos para avaliar processos de manufatura bem como soluções de montagem.

"Este é um ponto importante sobre OPTICOMS", ele explica. "Tivemos um down-selection robusto do design. Tivemos um down-selection do material. Tivemos um down-selection dos processos. Tudo isso leva tempo e esforço. Este é um dos aspectos únicos do projeto."

OPTICOMS iniciou três chamadas para propostas (CFP) para tecnologias e hardware para apoiar, garantir e aprimorar as metas do projeto. As propostas bem-sucedidas tornaram-se projetos Clean Sky 2, associados e suplementares ao OPTICOMS "mãe" Core Partner — todos trabalhando juntos rumo a um objetivo comum.

O primeiro esforço neste desenvolvimento é FITCoW, que visa desenvolver um novo sistema de ferramentas de fibra de carbono integral para a co-cura da pele trabalhadora e três spars. A lista de metas do FITCoW é ambiciosa: redução de 50% no custo de peças fabricadas, redução de 30% no custo de ferramentas (comparado a alternativa metálica), redução de 20% no tempo de manufatura comparado a alternativas de autoclave e OOA, redução de 40% no mismatch de CTE comparado a ferramentas Invar, redução de 20% no tempo de aquecimento e resfriamento e redução de 40% no tempo de inspeção graças a melhores capacidades de controle dimensional.

Para colar a estrutura spar/pele à pele inferior, a segunda CFP resultou em outro projeto OPTICOMS chamado WIBOND, para desenvolver uma ferramenta de montagem de colagem que coloca o adesivo, aplica a pressão apropriada e incorpora sensores de fibra óptica na linha de colagem para monitoramento de saúde estrutural da colagem; CW relatará sobre esta e outras tecnologias de montagem em um artigo separado a ser publicado em 2022.

A terceira CFP foi iniciada para lidar com o desafio crucial de tensões residuais que causam um "spring-in" da estrutura spar/pele. Estas deformações podem ter efeitos deletérios no processo de montagem de colagem. O projeto ELADINE juntou-se ao esforço OPTICOMS para desenvolver software que modela e prevê anisotropia térmica, encolhimento de polimerização, interação ferramenta-peça, fluxo de resina e compactação e gradientes de temperatura através da estrutura.

O foco principal da IAI e OPTICOMS agora é entregar até Q2 2022 um demonstrador de asa completo de 6,8 metros para Piaggio para testes estáticos e de fadiga. Isso será seguido por análise do desempenho geral da asa e a capacidade do design, materiais e processos de atender aos critérios do projeto. Seguirá então uma recomendação da Piaggio sobre potenciais próximos passos rumo à comercialização.

Além da Piaggio, no entanto, a IAI espera que a caixa de asa OPTICOMS possa encontrar aplicação em outras aeronaves. "Embora este projeto seja baseado em uma aeronave específica", diz Sawday, "tentamos tornar o design escalável para diferentes espessuras e tamanhos. Nunca perdemos de vista o fato de que esta tecnologia pode e deve ser altamente adaptável."