DigiProp Impulsiona Inovação Sustentável para Hélices Dowty e Seus Clientes

A Dowty Propellers (Gloucester, Reino Unido), líder global em sistemas de hélices compósitos e parte da GE Aviation (Cincinnati, Ohio, EUA), anunciou a conclusão bem-sucedida de seu maior programa de pesquisa e desenvolvimento de hélices: DigiProp. A Dowty liderou o programa de quatro anos, £20 milhões "Digital Propulsion", buscando inovar todos os aspectos do design, manufatura e teste de seus sistemas de hélices.

O DigiProp foi financiado pelo governo do Reino Unido, em colaboração com três dos centros High Value Manufacturing Catapult do Reino Unido: Advanced Manufacturing Research Centre (AMRC, Sheffield) da Universidade de Sheffield, The Manufacturing Technology Centre (MTC, Coventry) e The National Composites Centre (NCC, Bristol). Avanços alcançados incluem:

• Escalonamento da trança triaxial para estruturas de geometria complexa, aproveitando propriedades direcionais de compósitos avançados para entregar performance e resistência, maximizando benefícios de leveza para redução geral de peso da pá.
• Compósitos termoplásticos desenvolvidos, permitindo reciclagem, redução de resíduo e reuso de ferramental, apoiando a meta de neutralidade de carbono.
• Introdução de gêmeo digital (digital twin) durante desenvolvimento da nova fábrica da Dowty Propellers não apenas otimizou a pegada da fábrica mas também identificou gargalos de processo para redução de tempo de manufatura e consumo de energia, melhorou desempenho de first-time yield e acelerou time-to-market para clientes.
• Através de modelos de dados complexos, melhorias de performance aerodinâmica e acústica estão agora disponíveis para clientes da Dowty Propellers e a criação de um fio digital (digital thread) lançou a base para uso de big data.

AMRC sobre termoformagem de espuma, trança triaxial e corte ultrassônico

"Através do programa DigiProp, o Centro de Compósitos do AMRC pôde empurrar os limites do que é capaz com manufatura de compósitos," diz Dr. Matt Smith, líder técnico para simulação de compósitos no AMRC. "Com termoformagem de espuma, esse nível de complexidade não é algo que fizemos antes no AMRC. A Dowty Propellers ficou realmente interessada e impressionada com os resultados e quis continuar este trabalho além do fim do DigiProp."

"Também tivemos sucesso no desenvolvimento de nossa capacidade de trança triaxial," diz Smith, "superando desafios de escalonamento de manufatura. Começamos em testes de pequena escala na Universidade de Manchester com estruturas tubulares simples e progredimos para geometria real de aerofólio com a trança capaz de conformar à forma complexa especificada pela Dowty Propellers."

A equipe do Centro de Compósitos do AMRC também provou a viabilidade de costurar pilhas de material antes da conformação. Isso é seguido por corte a tamanho usando faca ultrassônica montada em braço robótico. "O corte ultrassônico foi realmente bem-sucedido," diz Smith. "Os benefícios desta tecnologia são que pilhas de material são estabilizadas de forma eficiente e o processo de corte ultrassônico pode lidar com requisitos de corte multiaxial."

"O modelo de sistemas de hélices paramétrico que desenvolvemos nos permite usar muito mais variáveis do que uma mente humana poderia computar, permitindo entregar milhares de anos de cálculo manual em questão de semanas," explica Jonathan Chestney, líder de engenharia na Dowty Propellers. "Isso dá aos nossos clientes resposta de design mais rápida e nível de otimização de design mais alto do que nunca."

O AMRC agora busca projetos futuros em Termoformagem de Espuma e Corte Ultrassônico.

NCC sobre compósitos com fibra de carbono/TP comingled e moldagem por bexiga

Como parte do DigiProp, a equipe do NCC revisou o fluxo de manufatura da pá, explorando diferentes tecnologias e processos para poder inserir requisitos da pá e um conjunto de restrições geométricas para criar máxima flexibilidade no design de novas estruturas de pás.

O NCC então projetou e fabricou protótipos em escala real de uma pá de hélice de aeronave turboélice bem como um novo processo de manufatura que combina moldagem por bexiga (bladder molding) com trança triaxial de reforços termoplásticos e fibra de carbono comingled. Para o sistema de bexiga, um molde de cera revestido com silicone é usado como mandril para sobretrança.

Várias composições de material tiveram que ser testadas porque a pá precisava ser durável e livre de defeitos superficiais. O pré-forma de fibra seca também precisava manter sua forma e não ceder, distorcer ou mover ao ser posicionada ao redor do mandril. Isso para garantir posicionamento e alinhamento corretos das fibras para atender intenção de design e requisitos de performance da pá.

O processo de manufatura para a pá termoplástica requereu desenvolvimento de um mandril rígido para trança que pudesse ser facilmente removido do molde mas tivesse uma bexiga de silicone inflável permanecer após pré-formação. Esta permitiria aplicação de pressão interna para consolidação durante cura. O molde de cera revestido com silicone forneceu solução, mas a espessura do silicone teve que ser otimizada para prevenir falha da bexiga e consolidação incompleta da pá compósita.

Ao usar termoplásticos, o NCC reduziu o ciclo de cura para aproximadamente cinco minutos comparado a quatro horas para resinas epóxi termofixas típicas. Em uma iteração, o NCC removeu núcleo de espuma da construção da pá, observando redução de peso e melhoria tanto em vida à fadiga quanto resistência a impacto. Seis protótipos de pás de hélice foram desenvolvidos no total, construindo e aprimorando técnicas de design e manufatura a cada vez.

O NCC reportou que trabalhar no programa DigiProp foi oportunidade única para desenvolver tecnologias de manufatura digital para designs de pás com aplicações mais amplas para outras estruturas 3D ocas. Exemplos incluem componentes compósitos economicamente recicláveis para veículos aéreos elétricos menores. Este trabalho levou a um projeto adicional, o Novel Composite E-Bike, no qual o NCC fez parceria com o fabricante de mountain bikes de Bristol Starling Cycles e Composite Braiding, líder em tecnologia de trança de compósitos termoplásticos.

Tecnologia Futura Implantada Agora

"Este é o maior projeto de pesquisa que já empreendemos na Dowty e não poderia ter sido melhor cronometrado," diz Henry Johnston, Presidente da Dowty Propellers. "Agora temos um conjunto avançado de novas tecnologias, nos deixando bem posicionados para a aceleração de plataforma sustentável que está acontecendo pós-Covid."

"Este projeto entregou inovações em performance e custo de propulsão através de design e produtividade que ajudaram a transformar P&D para hélices," diz Mark Scully, Chefe de Tecnologia para Sistemas Avançados & Propulsão no Aerospace Technology Institute. "Com a assistência dos parceiros High Value Manufacturing Catapult, a inovação de manufatura foi implantada na nova instalação state-of-the-art da Dowty em Gloucester."

O salto na capacidade de manufatura feito pelo consórcio abre novas oportunidades para crescer a base de manufatura aeroespacial de hélices do Reino Unido ao aproveitar tecnologia compósita com digitalização industrial para cortar custos de produção e aumentar performance de futuros sistemas de propulsão no setor de aviação de €200 bilhões da Europa.

A Dowty Propellers agora começa a usar as tecnologias realizadas no DigiProp para aplicações de aeronaves em evolução e para visar plataformas de próxima geração. Clientes potenciais se beneficiam da capacidade da empresa de suportar trade studies com tempo de resposta curto em análise de performance.

A Dowty deixa claro que o DigiProp não teria sido possível sem apoio e financiamento do Programa ATI, um investimento conjunto do governo do Reino Unido e indústria para manter e crescer a posição competitiva do país em design e manufatura aeroespacial civil. O programa ATI, entregue através de parceria entre Aerospace Technology Institute (ATI), Department for Business, Energy & Industrial Strategy (BEIS) e Innovate UK, aborda desafios de tecnologia, capacidade e cadeia de suprimentos.