OTOMcomposite Lança Software Avançado para Colocação de Fita Assistida a Laser e Filament Winding no Compósitos 4.0

A OTOMcomposite (Enschede, Países Baixos) é uma startup que fornece serviços de engenharia e software para colocação automática de fibra (AFP), colocação de fita assistida a laser (LATP) e tecnologia de filament winding assistido a laser (LATW). LATP e LATW são técnicas de manufatura promissoras para produzir componentes compósitos termoplásticos avançados (veja Desafios do LATW). Os principais elementos deste processo são mostrados na Fig. 1. (Para mais detalhes veja, "Dry fiber placement: Surpassing limits").

Fig. 1. Os principais elementos dos processos de colocação de fita assistida a laser (LATP) e filament winding (LATW). Photo Credit: "Temperature variation during continuous laser-assisted adjacent hoop winding of type-IV pressure vessels" by Amin Zaami, et. al.

Uma manufatura automatizada de etapa única pode ser alcançada nestes processos quando as fitas pré-impregnadas reforçadas com fibra são consolidadas "in-situ", o que pode reduzir custos de produção e eliminar etapas de pós-consolidação ou cura. Apesar das vantagens destas técnicas de manufatura, é uma tarefa difícil prever e controlar o processo, incluindo a temperatura do laminado, cristalinidade em sua matriz termoplástica, tensão residual e qualidade geral. Estes são afetados pela irradiação e reflexões do laser (veja Fig. 2 abaixo), geometria local da ferramenta, consolidação alcançada e parâmetros de processo específicos.

A OTOMcomposite desempenha um papel na capacidade vital de analisar completamente a temperatura do processo durante LATP e LATW, o que é crítico para as propriedades e desempenho da peça resultante.

Desenvolvimento de software após projeto ambliFibre

O desenvolvimento de controle de processo inline baseado em modelo para processos LATW/LATP foi iniciado na Universidade de Twente dentro do projeto ambliFibre financiado pela UE. Em colaboração próxima com o Instituto Fraunhofer de Tecnologia de Produção (IPT, Aachen, Alemanha), mais de 20 publicações científicas foram lançadas durante/após este projeto. Em 2017, Dr. Amin Zaami viu o potencial de produzir uma ferramenta comercial para processos LATP/LATW e começou a desenvolver a ferramenta OTOM (modelo de otimização térmica óptica), que combina modelagem avançada de elementos finitos (FEM) e rastreamento de raios.

O rastreamento de raios é uma técnica que traça o caminho da luz e simula os efeitos de seus encontros com objetos durante o processo AFP. O modelo óptico de rastreamento de raios fornece condições de contorno de fluxo de calor do laser AFP para análise FE. Quando combinado com software de controle AFP – que tipicamente não foca na fase de ligação/aquecimento, mas apenas em controle de posicionamento e velocidade – o OTOM permite um caminho mais rápido para processamento otimizado da peça compósita termoplástica e desempenho.

Substituindo tentativa e erro por manufatura digital 4.0

O software OTOM V.1.20 diz remover a fase de tentativa e erro em processos LATP/LATW. Dependendo da complexidade do produto, a taxa de transferência pode ser melhorada em várias centenas por cento, especialmente para desenvolvimento de novo produto (NPD). Isso, por sua vez, resulta em reduções significativas no tempo necessário para design, ensaios de check-out e otimização de parâmetros de processo.

Fig. 2. Reflexão anisotrópica como resultado da interação do laser com fita pré-impregnada. Photo Credit: "Optical characterization of fiber-reinforced thermoplastic tapes for laser-based composite manufacturing" by Amin Zaami, et. al.

Fig. 3. Diferentes geometrias de irradiação a laser. Photo credit: "3D Numerical Modeling of Laser Assisted Tape Winding …" by Amin Zaami, et. al.

Fig. 4. Curvatura do substrato geometricamente variável. Photo Credit: "New process optimization framework for laser assisted tape winding of composite pressure vessels: Controlling the unsteady bonding temperature" by Amin Zaami, et. al.

O processo LATP/LATW é difícil de descrever, prever e otimizar devido à geometria complexa, curvatura de ferramenta variável e propriedades ópticas e térmicas anisotrópicas das fitas compósitas termoplásticas reforçadas com fibra usadas. Há também questões como processamento instável, tempo de inatividade de máquina, fumaça de superaquecimento de material, degradação de material, squeeze-out (matriz fundida pressionada além das bordas da fita) e a necessidade de reduzir tempo de produção. Estes podem ser resolvidos por uma ferramenta como OTOM, que fornece monitoramento inline, controle baseado em modelo e manufatura digital Indústria 4.0.

O objetivo de longo prazo do OTOM é alcançar produção robusta de peças LATP/LATW compensando a variabilidade no processo de manufatura para permitir propriedades e desempenho de peças compósitas repetitivos e previsíveis. O OTOM foi validado usando técnicas numéricas de ponta e estudos experimentais. Esta ferramenta é capaz de otimizar cada parâmetro de processo para um objetivo de otimização específico (ex.: encontrar potência de laser otimizada, encontrar ângulo de laser otimizado em relação à zona aquecida) para obter a maior eficiência de processo e qualidade de produto.

Interação do laser AFP com o laminado compósito, localização de temperatura para um substrato com curvatura geométrica variável e até efeito de geometria de ferramenta podem ser totalmente simulados e otimizados, tudo em um só lugar. A ferramenta de modelagem multiphysics-based OTOM supostamente pavimenta o caminho para um processo LATP/LATW digitalizado, fornecendo qualidade superior de produto final em tempo e custo de produção minimizados.

OTOMcomposite

Lançada em 2021, a OTOMcomposite está fornecendo serviços e soluções de software para um número crescente de organizações à medida que os negócios se recuperam após a pandemia de COVID-19. A OTOMcomposite oferece serviços de engenharia a clientes remotamente ou em seu local, incluindo avaliação de linha de produção e qualidade de produto, consultoria de tecnologia e software de engenharia personalizado. Estes serviços são fornecidos a empresas e organizações de pesquisa nos setores aeroespacial, óleo e gás, transporte, automotivo e energia verde. A OTOMcomposite também está buscando colaboração com outros departamentos de P&D para aplicação de tecnologias líderes relacionadas a compósitos, bem como participando em projetos de P&D financiados publicamente e privadamente. Para mais informações, contate OTOMcomposite@outlook.com.