Instituto DLR de Estruturas e Design Avança Tecnologia de Fuselagem em Compósitos Termoplásticos

Como parte do projeto "LuFoV-3 TB-Rumpf", a consolidação sem autoclave de laminados de pré-impregnado termoplástico e soldagem por resistência estão sendo further desenvolvidas e validadas como tijolos tecnológicos para futuras fuselagens de aeronaves. Este trabalho está sendo realizado pelo Centro Aeroespacial Alemão (DLR), Instituto de Estruturas e Design (Instituto BT) em Stuttgart, colaborando com parceiros da indústria aeroespacial, incluindo Airbus e outros institutos de pesquisa.

O Instituto BT do DLR demonstrou uma interseção de fuselagem totalmente integrada, consistindo de pele, longarinas, quadros e cunhas. O demonstrador baseia-se em uma pele curva consolidada fora de autoclave (OOA) com longarinas co-consolidadas e integração de quadros e cunhas via soldagem por resistência. As soldas foram caracterizadas por testes mecânicos e a linha de solda foi further examinada usando microscópio óptico.

TB-Rumpf amadurecendo consolidação OOA e soldagem

O estado da arte para consolidação de componentes de grande área feitos de termoplásticos de alta temperatura reforçados com fibra contínua (ex.: poliariletercetona ou PAEK) é a consolidação em autoclave. No entanto, através de uma configuração de processo otimizada e controle de processo personalizado, é possível alcançar consolidação completa usando apenas temperatura e pressão de vácuo. O uso de moldes autoaquecidos ou fornos pode eliminar a necessidade de autoclave e assim gerar vantagens de custo. O projeto TB-Rumpf visa amadurecer o processo chamado VCT (Técnica de Consolidação a Vácuo) e determinar os limites do processo, incluindo a espessura máxima possível do laminado.

Outra tecnologia chave para futuras aplicações de compósitos termoplásticos avançados é a soldagem para montagem. DLR e Airbus identificaram a soldagem por resistência como tecnologia líder devido à sua capacidade de alcançar estruturas de alta resistência. Dentro do projeto TB-Rumpf, o processo de soldagem por resistência e os elementos de soldagem necessários estão sendo otimizados. Os demonstradores resultantes são testados estruturalmente para validar o desempenho mecânico da junta e dos laminados compósitos soldados.

Investigação da técnica de consolidação a vácuo (VCT)

Matthias Horn, líder do projeto no Instituto BT do DLR, explica que o demonstrador TB-Rumpf usa fita de compósito termoplástico de fibra de carbono unidirecional reforçada com poliariletercetona de baixo ponto de fusão (LM-PAEK). Esta fita de compósito termoplástico é processada usando colocação automática de fibra (AFP) realizada usando um robô KUKA (Augsburg, Alemanha) com um cabeçote AFPT (Doerth, Alemanha) e laser de 6 quilowatts para aquecimento da fita.

Consolidação OOA usando VCT: "O objetivo era validar a viabilidade deste processo para laminados espessos", diz Georg Doll, pesquisador do Instituto BT e líder do TB-Rumpf para consolidação. "Mostramos bons resultados para laminados de até 11 milímetros de espessura, sem poros ou outras imperfeições, validados por micrografias de seção transversal e inspeção ultrassônica. As chaves para este sucesso são uma configuração VCT otimizada, um ciclo de aquecimento personalizado e qualidade de pré-impregnado homogênea e consistente."

Co-consolidação OOA de elementos de enrijecimento: Além de usar VCT para produção de painéis de pele de fuselagem sem autoclave, o projeto TB-Rumpf também conseguiu desenvolver co-consolidação para integração direta dos elementos enrijecedores longarinas com a pele durante um único ciclo de processo VCT.

Colocação AFP de formas curvas e duplamente curvas: AFP a laser como processo complementar ao VCT foi investigado, incluindo limites de processo e material (ex.: direção máxima da fita), pela fabricação de laminados duplamente curvos medindo aproximadamente 800 x 1200 milímetros. Os resultados destes ensaios de fabricação podem ser usados para avançar a consolidação OOA, bem como a consolidação in-situ, que é alcançada durante AFP sem uma operação secundária.

Soldagem por resistência

"Para integrar elementos estruturais de fuselagem e assim tornar viável a produção de futuros conceitos de fuselagem termoplástica, investigamos a soldagem por resistência no que diz respeito a maior robustez de processo e valores de resistência otimizados", diz Simon Bauer, pesquisador do Instituto BT e líder do TB-Rumpf para soldagem. "O foco foi em uma configuração otimizada de elemento de soldagem, baseada em fibra de carbono como elemento de aquecimento, e condutividade elétrica melhorada, em combinação com os melhores parâmetros de soldagem adequados, como ciclo de aquecimento, temperatura, pressão, corrente e tensão." A soldagem por resistência foi usada para fixar as cunhas tanto no quadro quanto nas longarinas; também foi usada para fixar o quadro na pele.

Tijolos tecnológicos para futuros designs de fuselagem

"Devido à maturidade tecnológica demonstrada, tanto a consolidação fora de autoclave quanto a soldagem por resistência podem desempenhar um papel importante para futuros designs de fuselagem", sublinha Dr. Paul Jörn, chefe do projeto correspondente da Airbus.

Para trazer as tecnologias ainda mais perto da aplicação industrial, aspectos desafiadores adicionais serão investigados em um futuro próximo. Para consolidação a vácuo, o foco será na escala de tamanho e transferência para contornos duplamente curvos. Para soldagem por resistência, aspectos de tolerância e automação serão abordados.

Os resultados apresentados aqui foram alcançados dentro do projeto de pesquisa TB-Rumpf (FKZ: 20W1721D) no âmbito do Programa Federal de Pesquisa Aeronáutica V-3, financiado pelo Ministério Federal de Assuntos Econômicos e Energia da Alemanha.

Para mais informações, visite dlr.de/bt.