Avançando Compósitos Aditivos: Tendências, Tecnologias e Direções Futuras

Em outubro de 2020, a CW reportou sobre impressão 3D de compósitos com fibra contínua e forneceu um panorama das tecnologias em desenvolvimento, bem como uma classificação dos processos usados. Esta última foi contribuída por Alexander Matschinski, pesquisador associado e especialista em Manufatura Aditiva na TU Munich e no Chair for Carbon Composites (LCC, Munich, Alemanha).

A CW se une novamente ao LCC, mas desta vez para examinar o panorama maior da manufatura aditiva de compósitos (ACM), especialmente processos sendo desenvolvidos na interface entre manufatura de compósitos convencional e manufatura aditiva (AM). "Vemos cada vez mais tecnologias fora de nossas classificações para impressão 3D com fibra contínua, mas que combinam manufatura automatizada de compósitos com AM e oferecem novas soluções que não eram possíveis até agora," observa o pesquisador do LCC Thomas Wettemann.

O próprio LCC está borrando as linhas entre processos tradicionais e impressão 3D combinando deposição automatizada de fibra (AFP) e filament winding (FW) com ACM baseada em extrusão (veja "Future composite manufacturing — AFP and additive manufacturing"). "Também estamos mudando da extrusão tradicional de termoplásticos para impressão 3D com termofixos adaptando tecnologias desenvolvidas para moldagem por transferência de resina [RTM] e combinando com ultrassom," diz Dr. Swen Zaremba, vice-chefe do LCC. Simultaneamente, o LCC trabalha para desenvolver padrões para ACM e melhorar seus materiais e processos.

Nota: existe um panorama ACM ainda mais amplo que inclui filamentos com fibra picada extrudados por FDM (modelagem por deposição fundida), materiais de fibra em pó processados por SLS (sinterização seletiva a laser) e peças altamente customizadas usando carregadores orientados magneticamente e processamento digital de luz (DLP), este último desenvolvido pela Fortify (Boston, EUA). Esses processos de fato produzem peças compósitos e abrem novos mercados e aplicações, mas esta discussão permanecerá no reino do reforço com fibra contínua.

O que é ACM?

"Geralmente temos essa discussão primeiro, assim como a motivação para desenvolver essas novas tecnologias," diz Zaremba. Conforme explicado por Wettemann em apresentação SAMPE de janeiro de 2019, a motivação é produção custo-efetiva além da produção em massa — incluindo lote de um — que também conserve recursos, minimize ou elimine desperdício e seja ambientalmente e climaticamente amigável. "Também oferece um caminho para tornar a cadeia de processos de compósitos totalmente digital," ele adiciona. "É o primeiro passo no caminho de décadas de mudança."

Componentes-chave da definição de ACM do LCC incluem:

• Longas cadeias de processo reduzidas a "processamento em uma caixa" (single-point processing in a box)
• Consolidação/polimerização global substituída por tratamento local de material e tratamento térmico recorrente
• Produção sem ferramental (toolless)

"ACM concentra o que eram longas cadeias de processamento em mais ou menos um único ponto, uma espécie de manufatura dentro de uma caixa," diz Zaremba. Assim, adiciona Matschinski, "você processa os materiais e dá forma à peça dentro da caixa e sem molde." Ambos concordam que a "caixa" pode ser uma célula ACM muito grande, por exemplo, a célula SCRAM revelada pela Electroimpact (Mukilteo, Wash., EUA) em 2020. "ACM também pode ser usado fora de uma única caixa," diz Zaremba, "por exemplo, nosso trabalho para adicionar reforço local e features menores a peças maiores de AFP."

No entanto, nota Wettemann, "agora vemos exemplos de toda a cadeia de processos de compósitos contida em uma linha ou célula automatizada, mas isso não é o que definiríamos como ACM." A célula SCRAM, em contraste, tem a capacidade de processar material e dar forma sem ferramentas combinando um cabeçote AFP de consolidação in-situ (ISC) termoplástico com um cabeçote de fabricação por filamento fundido [FFF, outro termo para FDM]. "Para nós, essa consolidação in-situ usando AFP foi de fato o início da ACM no LCC porque você cria o compósito curado/consolidado conforme realiza a deposição," diz Zaremba.

Isso nos leva ao segundo ponto chave na definição de ACM do LCC. "Antes, você sempre tinha uma etapa de consolidação global e idealmente o mesmo tratamento de material e histórico em toda a peça conforme era moldada em autoclave, forno, ferramental aquecido ou prensa," explica Zaremba. "Com ACM, realizamos esse tratamento térmico e consolidação localmente enquanto construímos a peça."

Wettemann aponta que a ISC ofereceu um ponto de entrada da manufatura automatizada de compósitos para o mundo da AM, "mas isso também apresenta desafios reais para materiais e processamento porque esse tratamento local de material também é um tratamento térmico recorrente. No início, apenas adaptávamos materiais de injeção para impressão 3D. Mas então reconhecemos que não é realmente otimizado para impressão FFF. Então empresas começaram a modificar materiais para seus sistemas de impressão para lidar com o aquecimento e resfriamento recorrentes das resinas, e também a velocidade necessária e a necessidade de aderir camadas e evitar warping. Este último também é razão pela qual cada vez mais empresas buscam incluir fibras contínuas."

No entanto, integrar fibras contínuas também cria problemas. "Essa é uma razão pela qual fomos atraídos para ACM," diz Zaremba. "Processos de impressão 3D prometiam muitos resultados, mas os resultados não entregavam o tipo de qualidade que esperamos para aplicações estruturais ou aeroespaciais, por exemplo. Podíamos ver uma lacuna entre compósitos avançados usando fibra contínua e o que tecnologias AM podem entregar. LCC visa juntar esses mundos e realizar o potencial prometido, mas também combinar tecnologias para alcançar novas soluções."

Fusão de Dois Mundos

O LCC vê muitas tais novas soluções, por exemplo, o processo Additive Molding desenvolvido pela Arris Composites (Berkeley, Calif., EUA) e a célula Fusion Bonding para impressão 3D desenvolvida pela 9T Labs (Zurique, Suíça), ambas processos de alto volume. "Nenhum desses processos dá a forma final da peça dentro do processo aditivo, mas usam um tipo de molde e uma segunda etapa naquele molde," diz Matschinski. "Portanto, isso não conforma à nossa definição de ACM. No entanto, ambos apresentam soluções interessantes combinando manufatura tradicional de compósitos e tecnologias AM."

"A 9T Labs definitivamente usa impressoras 3D," nota Wettemann, "mas para criar um pré-forma que é então processada em um processo de conformação digitalizado para criar componentes leves de compósitos termoplásticos completamente novos e que abordam mercados que não podiam usar tecnologia de compósitos antes." Aqui, ele se refere ao objetivo da 9T Labs de substituir metais em peças onde injeção não entrega performance suficiente. "No LCC também pesquisamos como introduzir fibras contínuas na injeção, mas é bem difícil fazer posicionamento preciso de fibras contínuas no processo de injeção." Em contraste, a tecnologia da 9T Labs oferece o que parece ser um método de manufatura fácil de implementar para peças de alto desempenho.

A Arris Composites tem abordagem diferente mas atinge objetivo similar, embora visando volumes de peça uma ordem de magnitude maior. "Não apenas permitimos produção em alto volume de peças com fibra contínua mas também adicionamos multifuncionalidade que desbloqueia consolidação dinâmica de peças," diz Riley Reese, co-fundador e CTO da Arris Composites. "Por exemplo, transformamos uma montagem de 17 componentes em uma única peça enquanto aumentamos resistência e adicionamos propriedades como transparência a rádio. Somos competitivos em custo com moldagem por compressão — ex: SMC [sheet molding compound] — mas com desempenho de fibras contínuas."

ACM Direto vs. Indireto

Voltando à definição de ACM do LCC, o terceiro componente-chave reconhece o debate entre manufatura com e sem molde. "Abordagens diretas são onde a forma final vem da impressão — eu nunca tenho uma ferramenta," diz Wettemann. "A vantagem é ser completamente livre de manufatura de ferramentas. Enquanto tivermos moldes, estamos falando de processos indiretos, ou manufatura de compósitos mais convencional auxiliada por tecnologias AM."

Wettemann nota que tais abordagens híbridas ajudam a enfrentar fatores como consolidação e ferramental que aumentam custo e tempo da manufatura tradicional de compósitos. "Vimos desenvolvimentos pelo Digital Manufacturing and Design Centre na Universidade de Tecnologia de Cingapura e pela Mikrosam [Prilep, Macedônia] de 2015 a 2017 onde robôs automatizados foram desenvolvidos para produzir peças avançadas de compósitos em processo tipo AFP mas sem ferramental," ele explica. "Então, isso avança em direção à ACM no sentido que ambas abordagens tiveram sucesso em manufatura digital no espaço livre sem ferramenta, mas desenvolvimento adicional ainda é necessário. Reduzir a necessidade de ferramental é chave porque também nos dá novas possibilidades tanto para manufaturar componentes compósitos quanto o tipo de componentes que podem ser feitos." Por exemplo, caminhos de carga orgânicos gerados por otimização topológica e software de design generativo de fato buscam a eficiência de estruturas biológicas como ossos e árvores, mas são muito difíceis de manufaturar com fibras contínuas.

Desenvolvimentos Futuros no LCC

"Na manufatura direta de peças, estamos vendo o mesmo que vocês mostram no panorama, que as linhas estão borrando e estamos nos movendo para uma abordagem de manufatura híbrida muito mais forte," diz o pesquisador do LCC Patrick Consul (veja "3D printing CFRP molds for RTM flaperon, exoskeletons and more"). No início deste ano, sua equipe completou primeiros testes de uma abordagem híbrida combinando extrusão de material e deposição de energia direcionada [DED] usando máquina protótipo a laser para imprimir em laminados pré-consolidados e impressões 3D muito grandes sem câmara aquecida. "Também estamos trabalhando combinando ACM com fresamento e AFP, que são encaixes muito bons porque todos dependem de caminhos de ferramenta complicados," ele diz. "A transição entre eles se torna simples e não precisa de muito treinamento adicional. Assim, a cadeia de processo é encurtada, digitalizada e simplificada."

O LCC também está impulsionando a abordagem híbrida combinando tecnologias desenvolvidas para RTM e impressão 3D. "O resultado é similar a cura on-the-fly, mas queríamos nos afastar de resinas de cura UV porque são um pouco caras demais quando se quer construir peças maiores," explica Zaremba. "Em vez disso, usamos uma nova técnica de mistura ultrassônica que desenvolvemos para RTM e agora adaptamos para uso em um extrusor típico com epóxios de cura rápida baratos desenvolvidos para a indústria automotiva."

Matschinski explica esta tecnologia: "Usamos vibração ultrassônica para misturar e curar a resina epóxi quase instantaneamente enquanto depositamos a fibra impregnada durante a impressão." Como isso difere dos ultrassons usados pelo Instituto DLR de Estruturas Compósitos e Sistemas Adaptativos em Braunschweig, Alemanha (veja "Reducing the cost of continuous fiber 3D printing materials")? Matschinski explica: "DLR usa vibração ultrassônica para melhorar a infiltração de matriz termoplástica nas fibras espalhadas para criar filamentos de impressora 3D com fibra contínua reforçada, que são então impressos usando extrusão de material convencional. Nós usamos ultrassom para endurecer um filamento termofixo reforçado com fibra contínua."

"Organizações como Arris Composites, 9T Labs e nossas equipes aqui no LCC, por exemplo, são interessantes porque têm raízes e funcionários tanto do mundo dos compósitos quanto do mundo AM," diz Wettemann. "Eles se unem para criar novas tecnologias que podem ajudar agora a nos mover para longe de uma economia futura potencialmente limitada por recursos e crescimento, lutando com crise climática. Eles fornecem um caminho para soluções necessárias."