Projeto STUNNING produz pele de fuselagem termoplástica de 8,5 metros, avançando design sustentável de aeronaves

Como parte da iniciativa Clean Sky 2 da UE, a indústria aeroespacial busca um caminho para a sustentabilidade, particularmente através da transição do alumínio para compósitos reforçados com fibra de carbono para melhorar estruturas de aeronaves e reduzir drasticamente emissões. O Demonstrador de Fuselagem Multifuncional (MFFD) do Clean Sky 2 é um desses programas que começou em 2017, composto por dezenas de projetos individuais e pacotes de trabalho. Em particular, o projeto STUNNING (SmarT mUlti-fuNctionNal and INtegrated thermoplastic fuselaGe), que visa desenvolver a seção inferior da fuselagem do MFFD, produziu recentemente uma pele de fuselagem de 8,5 metros de comprimento feita de termoplásticos via colocação automatizada de fibra (AFP).

Colaboração europeia liderada pela GKN Fokker

O STUNNING é liderado pela GKN Fokker (Papendrecht, Países Baixos) com parceiros-chave Diehl Aviation (Laupheim, Alemanha), Centro Aeroespacial Holandês (NLR, Amsterdã, Países Baixos) e Universidade Tecnológica de Delft (TU Delft, Delft, Países Baixos). O projeto visa amadurecer processos de montagem automatizados, fabricação e tecnologias de soldagem de termoplásticos, desenvolvimento integrado de design e fabricação e arquiteturas avançadas de sistemas elétricos.

"Provavelmente metade da indústria aeroespacial na Europa está envolvida no projeto MFFD, pois realmente nos aprofundamos na pesquisa de várias técnicas de fabricação, todas com sustentabilidade em mente", descreve Joachim de Kruijk, engenheiro sênior de P&D de compósitos no NLR. "Ao pesquisar as várias opções de fabricação e materiais, acreditamos que a melhor maneira de atingir este objetivo de uma estrutura de fuselagem mais sustentável é utilizar a nova geração de materiais termoplásticos. Vemos que tal material pode permitir uma mudança na abordagem de fabricação e técnicas de design que podem resultar em aeronaves muito mais leves, o que significa menos queima de combustível e menores emissões de CO₂ e NOₓ, tudo mantendo a resistência e segurança que esperamos de aeronaves tradicionais de alumínio."

Vantagens dos termoplásticos sobre termofixos

Diversas aeronaves modernas, como o Airbus A350 XWB e o Boeing 787 Dreamliner, já utilizam materiais compósitos termofixos na construção de peças, suportes e até mesmo a pele da fuselagem, observa o Clean Sky. No projeto STUNNING, no entanto, especialistas da GKN Fokker e NLR foram encarregados do design para fabricação permitindo altas taxas de produção de peças estruturais grandes para aeronaves.

"Uma das reais melhorias oferecidas pelo uso de termoplásticos é que, durante o processo de fabricação e montagem, diferentemente dos termofixos, este material pode ser aquecido e reaquecido múltiplas vezes para garantir uniformidade e ligação", explica De Kruijk. "No STUNNING, um de nossos objetivos era mostrar como os diferentes processos poderiam ser combinados para construir componentes estruturais e não estruturais para integração completa. Para isso, nos propusemos a construir toda a metade inferior de uma fuselagem para obter insights não apenas na fabricabilidade da pele da aeronave, mas também nas subestruturas como os reforços sob a pele, e outras peças estruturais como vigas de piso, bem como partes da cabine, dos sistemas e até portas de carga."

Maior peça termoplástica única já feita

Com esses objetivos ambiciosos em mente, os colaboradores testaram suas várias técnicas de fabricação para construir as numerosas peças e estruturas a serem integradas em uma fuselagem. Para o NLR, isso significou testar seu conhecimento e habilidades de produção com a maior peça de todas, a parte inferior da estrutura da fuselagem. Com a ajuda de sua máquina AFP interna de última geração, o NLR teria atingido sua meta, construindo a metade inferior da pele da fuselagem — uma única peça, medindo 8,5 metros de comprimento por 4 metros de diâmetro — dita ser a maior peça termoplástica única já feita.

Este não foi um feito pequeno, diz o Clean Sky. Embora materiais compósitos como termofixos tenham sido cada vez mais usados na construção de aviões, grandes peças termoplásticas são relativamente novas no campo, o que também significa que podem ser um pouco mais caras, em comparação. Mas, segundo De Kruijk, isso é apenas à primeira vista, pois os benefícios superam amplamente o preço.

"Como é mais novo e devido às suas propriedades, os termoplásticos são um pouco mais caros que os termofixos. Mas há vários fatores diferenciadores que tornam o uso do novo material vantajoso. Por exemplo, os termoplásticos são um pouco mais leves que os termofixos porque é um material de matriz mais tenaz e tem melhor resistência a danos por impacto, o que é importante", explica De Kruijk. "Além disso, porém, está o meio pelo qual o material pode ser usado na fabricação. Para conectar várias peças ou pedaços de termoplásticos, você simplesmente precisa aquecer o material para soldá-lo junto. Isso significa que estamos nos livrando das centenas de milhares de fixadores que mantêm aviões convencionais juntos, o que sem dúvida levará a economias de peso mais dramáticas."

Inspeção, manutenção e reparo

Outro tópico que o NLR foi encarregado de pesquisar é como inspecionar, manter e reparar aeronaves construídas com termoplásticos. Atualmente, o uso de grandes peças compósitos em aviões é um tanto limitado, o que significa que há muito menos dados e prática em inspeção, manutenção e reparabilidade.

"Atualmente, estamos trabalhando no desenvolvimento de tecnologia para várias técnicas de inspeção não destrutiva (NDI) para usar na inspeção de aviões, como termografia e shearografia, mas essa tecnologia ainda está amadurecendo. Atualmente, empregamos inspeção ultrassônica para verificar defeitos e problemas, mas isso pode ser um processo demorado", sugere De Kruijk. "No entanto, a inspeção e manutenção atual de aeronaves convencionais também é lenta. Devido à natureza dos termoplásticos, com a capacidade de serem reaquecidos e soldados juntos, vemos que a manutenção pode ser feita muito mais rápido do que em aeronaves tradicionais. Basta imaginar quanto tempo pode ser economizado por não ter que verificar manualmente cada rebite em toda a estrutura, individualmente."

Próximos passos: integração na Alemanha

Devido ao tamanho da pele final, dois segmentos foram produzidos. Com a conclusão da deposição do segundo segmento de 90 graus da pele inferior da fuselagem, o próximo passo é consolidar e unir os dois segmentos de 90 graus da pele inferior da fuselagem a um segmento de fuselagem de 180 graus. Para isso, no entanto, supostamente requer um autoclave muito grande capaz de acomodar e aquecer as peças superdimensionadas para uní-las. Como não existe tal autoclave nos Países Baixos, as duas metades seguem para a Alemanha para integração. O processo estava programado para ocorrer no final de junho.

"Assumindo que possamos avançar com a conexão dessas duas peças da fuselagem em junho, esperamos que possamos ter a pele consolidada de volta no NLR até o verão para iniciar o processo detalhado de NDI para testar e verificar seu sucesso e estabelecer completamente a qualidade da pele inferior completa da fuselagem", ilustra De Kruijk. "Depois disso, enviaremos para nossos parceiros na GKN Fokker, onde as várias peças desenvolvidas no projeto STUNNING podem ser totalmente montadas e integradas."