Acelerando processos RTM usando sensores de fluxo de calor

Responsáveis por 3-5% do peso de uma aeronave, trens de pouso há muito são alvo de redução de peso para melhorar a eficiência da aeronave. Isso se tornou ainda mais crítico com a iminente mudança para sistemas de propulsão elétrica que reduzem energia e emissões.

Por exemplo, a Safran Landing Systems (Vélizy, França) permitirá taxiamento elétrico com motores desligados via motores elétricos integrados nas rodas do trem de pouso da aeronave, reduzindo emissões de NOx, CO₂, CO e hidrocarbonetos não queimados em 51%, 61%, 73% e 62%, respectivamente. Esta é uma enorme vitória para uma aviação mais sustentável, mas motores elétricos requerem energia, e as baterias necessárias para fornecer essa energia são pesadas.

Assim, a demanda por estruturas de trem de pouso leves parece um ajuste perfeito para aplicação de compósitos, exceto por um problema. "Como o trem de pouso é uma estrutura de caminho de carga único, a falha de um componente estrutural poderia resultar em uma condição séria de pouso de emergência", diz Peet Vergouwen, tecnólogo da GKN Fokker Landing Gear (Helmond, Países Baixos). A GKN Fokker Landing Gear trabalhou por mais de uma década para demonstrar a viabilidade técnica de estruturas de trem de pouso compósitos, incluindo desenvolvimento de braces de arrasto superior reforçados com polímero de fibra de carbono (CFRP) para o F-35 Lightning II. "Devido à sua criticidade, estruturas de trem de pouso estão entre as mais conservadoras na aviação comercial." Portanto, têm sido fabricadas principalmente de metais de alta resistência.

Projeto HECOLAG e subprojeto INNOTOOL 4.0

Essa maré está começando a virar, no entanto. O Clean Sky 2 está buscando uma redução de peso de 30%, mas via componentes CFRP no projeto HECOLAG (High Efficiency Composites LAnding Gear), para duas aplicações. Na primeira aplicação, uma alternativa em CFRP foi desenvolvida para o existing upper drag stay de alumínio do trem de pouso dianteiro do A350-1000, originalmente desenvolvido e fabricado pela Liebherr-Aerospace (Lindenberg, Alemanha). Parceiros do HECOLAG, Royal Netherlands Aerospace Centre (NLR, Marknesse) e GKN Fokker Landing Gear, projetaram este drag stay em CFRP para os requisitos da Liebherr. Usando tecnologia de pré-formação automatizada desenvolvida internamente, o NLR construiu protótipos funcionais do drag stay em CFRP, que foram testados pela GKN Fokker Landing Gear.

Na segunda aplicação avaliada pelo HECOLAG, NLR e GKN Fokker Landing Gear também desenvolveram um lower side stay em CFRP em conjunto com a Safran Landing Systems para o trem de pouso principal eletrificado. A CW reportará especificamente sobre os resultados gerais do projeto HECOLAG mais tarde em 2021, mas aqui o foco está no subprojeto INNOTOOL 4.0, guiado pelo gerente de tópico GKN Fokker Landing Gear para avançar a produção altamente automatizada de estruturas de trem de pouso CFRP usando moldagem por transferência de resina (RTM). Especificamente, o INNOTOOL 4.0 busca demonstrar ferramentas integradas com sensores que abrirão caminho para ferramentas menores com menos massa para ciclos de produção mais rápidos, manuseio mais fácil e consumo de energia reduzido, bem como maior automação para menor custo e controle inteligente de processo compósitos 4.0. O projeto INNOTOOL 4.0 é financiado pelo Clean Sky 2 Joint Undertaking sob o programa de pesquisa e inovação Horizon da UE sob GAP No. 821261.

Objetivos do INNOTOOL 4.0

O demonstrador para esta segunda parte do HECOLAG é mais uma peça genérica, explica Vergouwen. "É para demonstrar metodologias de design de peça, simulação e fabricação que fornecerão o desempenho, taxa de produção e custo necessários para aeronaves de corredor único." Até o final de 2017, o consórcio HECOLAG havia definido a peça demonstradora CFRP inicial e ferramenta de produção, analisado comportamento térmico da ferramenta e conduzido testes de desempenho. Este produto grande e complexo passou pela revisão preliminar de design e atingiu um nível de prontidão tecnológica (TRL) de 4 no final daquele ano. "Com base nos problemas e lições aprendidas com aquele primeiro demonstrador, estávamos procurando parceiros para desenvolver tecnologia de ferramentas RTM para otimizar e encurtar o ciclo de cura", diz Vergouwen. Um Call for Partners do Clean Sky 2 foi emitido em 2018 e concedido ao consórcio INNOTOOL 4.0, compreendendo o fornecedor de equipamentos e automação Techni-Modul Engineering (TME, Coudes, França) e o especialista em injeção de resina Isojet Equipements (Corbas, França). Eles começaram o trabalho em abril de 2019 e completaram os marcos iniciais em março de 2021.

"A peça compósita deve ser competitiva em custo com aço forjado e alumínio", observa Vergouwen na GKN Fokker Landing Gear. "Isso só é possível com automação, permitindo um número muito baixo de horas de mão de obra e materiais mais acessíveis que CFRP aeroespacial de grau atual, curado em autoclave."

Assim, o INNOTOOL 4.0 buscou integrar sensores nas ferramentas RTM que monitorarão e gerenciarão os processos de injeção e cura, incluindo detecção de frente de fluxo de resina. "O objetivo é ser completamente automatizado — carregar o pré-forma, apertar um botão e o equipamento de moldagem gerenciará temperatura, pressão, vácuo e cura", diz Stéphane Besson, diretor comercial da TME. No entanto, esta é a primeira vez que a GKN Fokker Landing Gear e a TME trabalharam com monitoramento de cura. "Já trabalhamos com sensores de temperatura e pressão antes", diz Besson, "mas não com sensores para fluxo de resina e polimerização."

Design da ferramenta de produção RTM

A TME iniciou a produção do design da ferramenta RTM usando software CATIA V5 da Dassault Systèmes (Vélizy-Villacoublay, França) para design mecânico e elétrico, e ANSYS (Canonsburg, Pensilvânia, EUA) para simulação térmica e mecânica. Esta ferramenta seria emparelhada com o sistema 1K-2K baseado em pistão da Isojet (para resinas de uma e duas partes) para injetar resinas epóxi aeroespaciais de grau Hexcel (Stamford, Connecticut, EUA) HexFlow 2K RTM 6 e Solvay (Alpharetta, Geórgia, EUA) 1K PRISM EP 2400 de um componente, a uma pressão de injeção de até 20 bar.

"O formato desta ferramenta de moldagem é muito complexo", observa Besson, "combinando espessuras variadas no pré-forma 3D seco com uma forma tubular fechada. Isso cria transições de espessura complexas, com questões em torno de montagem de pré-forma, precisão de extremidade de camada, gradientes de temperatura internos e retração de resina, bem como como otimizar o método de aquecimento e capacidade de aquecimento do mandril interno para permitir um tempo de ciclo curto. Para permitir tempos de ciclo curtos, todos os elementos da ferramenta devem ser simples de usar, robustos e permitir aquecimento e resfriamento rápidos." Mesmo que o projeto INNOTOOL 4.0 tenha solicitado brevemente soluções de molde não metálicas, um conjunto típico de moldes superiores e inferiores de aço combinados foi concebido devido às pressões necessárias para minimizar rugas e garantir alinhamento de fibras durante a conformação.

Os moldes superiores e inferiores combinados e o mandril são aquecidos e resfriados. "Os moldes combinados usam um circuito de água integrado enquanto o mandril é eletricamente aquecido", explica Besson. "A circulação de água fornece aquecimento e resfriamento rápidos para reduzir o tempo de ciclo da peça e o aquecimento elétrico atinge o mesmo no mandril onde o espaço é limitado."

"Outro desafio foi o número de peças no mandril", diz Besson. "Devido à forma complexa e necessidade de remover o mandril após a moldagem, ele compreendia seis componentes auto-aquecíveis e dois elementos de suporte onde os sensores passam para controlar a temperatura interna das peças do mandril. Em uso, esses elementos são montados à mão com a ajuda de um suporte base que guia o operador." Trabalho com um mandril inflável como solução será completado dentro do maior projeto HECOLAG, mas isso não foi incluído no subprojeto INNOTOOL 4.0.

Sensores de fluxo de calor

A TME inicialmente planejou usar sensores dielétricos para monitorar fluxo e cura de resina, mas mudou para sensores de fluxo de calor da TFX (Boncourt, Suíça). "À medida que progredíamos no desenvolvimento, queríamos sensores que permitissem medição sem contato direto com os materiais polímero e compósito a serem controlados", explica Jorge Lopez Torres, gerente de projeto na TME. "Os sensores TFX permitiram isso porque medem fluxo de calor, que se propaga através dos materiais." Ele ressalta que esta é basicamente a mesma medição usada em calorimetria diferencial de varredura (DSC), uma técnica de laboratório que analisa o estado de cura de um polímero ou compósito. Notavelmente, sensores TFX e testes DSC medem o calor liberado durante a polimerização/cura e resultam em uma curva de fluxo de calor versus temperatura e tempo.

Para sensores TFX, os dados de temperatura vêm de um sensor de temperatura interno dentro dos sensores de fluxo de calor. Embora sensores dielétricos sejam similarmente equipados com um sensor de temperatura interno, os dois sensores são muito diferentes. "Sensores dielétricos medem diretamente as propriedades do polímero durante a cura", explica o gerente da TFX Dr. Fabien Cara. "Sensores de fluxo de calor não dão o estado do material em um dado instante. No entanto, medir o calor gerado durante o fluxo de resina e polimerização fornece uma boa visão de como o processo está se comportando e quão repetível é o ciclo de cura para cada peça produzida. E como DSC, precisamos ver toda a curva do processo de cura, mas nossa capacidade de monitorar cura é muito confiável."

Décadas de experiência

Fundada como Thermoflux em 2000, sensores TFX têm sido usados em testes em centros de P&D e em aplicações industriais por mais de 100 clientes em todo o mundo. "Começamos a trabalhar com RTM há mais de 15 anos", diz Cara, "primeiro com a BMW para peças automotivas e também para o centro técnico agora conhecido como Institut de Soudure (Saint-Avold, França). Em 2006 e 2012, iniciamos dois grandes projetos para monitorar a cura de pás de ventilador de motor de aeronave feitas usando RTM e pré-formas 3D-tecidas. A Safran tem um sistema de aquisição de dados que desenvolvemos para eles em seu laboratório de compósitos perto de Paris. Eles podem registrar até 100 sinais simultaneamente (fluxo de calor, temperatura e pressão) e analisar estes para ciclos de cura e monitoramento de processo." Sensores TFX também foram usados em um projeto com IRT-M2P (Porcelette, França) para demonstrar RTM de Compressão. "Nossos sensores são muito eficientes para processos rápidos como moldagem por compressão, incluindo com compostos de moldagem SMC e BMC", nota Cara. "Também ganhamos um prêmio de inovação JEC em 2016 com Huntsman Advanced Materials (Basel, Suíça) para um desenvolvimento titulado 'Peças epóxi estruturais com qualidade de autoclave em menos de 1 minuto'."

A TFX tem sensores para todo tipo de processo de moldagem de compósitos, baseado no método de transferência de calor ao sensor: condução (RTM, compressão e moldagem por injeção), convecção (autoclave, forno) e radiação (filamento winding, AFP). Os sensores usados no projeto INNOTOOL 4.0 foram condutivos, projetados para embutimento dentro de moldes RTM metálicos. "Eles fornecem um sinal excepcionalmente repetível a uma distância de até 1 milímetro da superfície da ferramenta e material compósito", nota Cara.

A TME instalou dois sensores TFX-191 — um na entrada de resina e um na saída de resina — no molde superior do conjunto de ferramentas de produção combinado que então enviou ao NLR. O NLR usou esta ferramenta de produção para fazer peças demonstradoras HECOLAG em março e abril de 2021. Os sensores TFX-191 são para ferramentas metálicas espessas.

Em paralelo, a TME pegou uma ferramenta menor, interna, usada para fazer placas de amostra CFRP e a modificou com dois sensores TFX-224, que são mais curtos, para ferramentas mais finas. Este conjunto de ferramentas RTM de placas foi então usado para conduzir testes de demonstração de sensores conforme os objetivos do INNOTOOL 4.0 descritos acima. "Estes sensores são similares aos que usamos para a Safran", diz Cara, "mas agora melhorados para serem muito mais compactos e sensíveis." Os sensores foram colocados perto do centro da peça e da saída de resina. Além dos sensores de fluxo de calor, a TFX desenvolveu e forneceu dois sistemas de aquisição de dados — um entregue à Isojet e um usado pela TME para os testes de placas CFRP.

Resultados dos testes do INNOTOOL 4.0

Os testes que a TME conduziu usando sua ferramenta de placas modificada com sensores TFX testaram duas resinas diferentes — HexFlow RTM 6 e PRISM EP 2400 — bem como a influência da espessura da peça e tempo total de cura. "Os sensores forneceram bons sinais para monitorar o ciclo de cura", diz Cara. "A equipe então analisou as curvas de cura e mostrou que o tempo de cura para RTM 6 poderia ser reduzido em pelo menos 30 minutos da cura prescrita de duas horas."

Isso pode ser visto na curva abaixo, onde t=0 horas é o início da injeção. Nota: o tempo de cura começa quando a temperatura atinge 180°C e o fim da cura corresponde a 99% do nível de cura relativo (ver eixo vertical à direita). O fim da cura também coincide com a estabilização do fluxo de calor bruto.

Isso foi verificado por medições de estado de cura de peças desmoldadas usando análise mecânica dinâmica (DMA), uma técnica de laboratório alternativa ao DSC que mede a temperatura de transição vítrea (Tg) para compósitos. "Os resultados de DMA confirmaram que para resina RTM 6, a Tg permanece inalterada após 90 minutos de cura a 180°C", ele adiciona.

O efeito da espessura também foi investigado. "As primeiras placas CFRP testadas pela TME em seus testes de demonstração de sensores tinham menos de 2 milímetros de espessura", nota Cara. "Estas placas também tinham alto volume de fibra (50-60%) e um ciclo de cura lento para prevenir exotermia e potenciais problemas com estresse térmico e qualidade da peça. Tudo isso é muito normal para peças aeroespaciais, mas significa que há muito pouca resina, e assim a quantidade de fluxo de calor liberado pela reação de resina foi pequena. Então, estávamos, na prática, procurando a agulha do fluxo de calor devido à cura da resina dentro de um oceano de aquecimento da ferramenta e da peça."

Em outras palavras, como Cara explica, "A maioria dos ciclos de cura RTM aeroespaciais envolve injetar resina a uma temperatura e depois rampando para curar a uma segunda temperatura mais alta. Assim, quando você termina a injeção, você aquece a ferramenta para a temperatura de cura, o que gera um grande fluxo de calor no sistema geral." No entanto, como com testes DSC, a chave para monitorar cura com sensores de fluxo de calor é medir o calor liberado durante a polimerização/cura e exibir essas medições em uma curva de fluxo de calor versus temperatura no sistema de moldagem e tempo. "Então, inventamos um método que nos ajuda a subtrair a linha de base do aquecimento do molde, e a condução desse calor para a peça, para que seja possível identificar o fluxo de calor da reação de resina."

Assim, mesmo que as condições de processo nos testes iniciais de placas finas fossem muito desafiadoras, diz Cara, "ainda podíamos ver o fluxo de calor da reação de resina. No entanto, ao também fazer peças mais espessas, fomos capazes de ver exatamente a diferença nos níveis de fluxo de calor de acordo com a espessura da peça e isso validou nosso monitoramento de cura nas peças finas." Nota: a curva acima (também mostrada na foto de abertura) foi obtida usando resina RTM 6 em uma placa de 3,2 milímetros de espessura.

Resultados para detecção de frente de fluxo de resina, no entanto, foram mais problemáticos. "Para o sensor perto da saída, podíamos ver o fluxo muito bem, mas não para o sensor perto do centro, onde a resina chegou muito tarde", diz Cara. "Detecção de frente de fluxo com sensores de fluxo de calor requer que o fluxo de resina produza uma mudança no campo térmico local. Isso ocorre quando a resina não está na mesma temperatura que o pré-forma." Ele nota que ΔT maior que 0,1°C é suficiente para detecção. "No entanto, com os testes de placas CFRP finas, a temperatura era muito uniforme no molde e a resina chegou muito lentamente. Assim, o contraste térmico não foi suficiente para detectar a chegada da resina versus o ruído térmico no sistema geral. A chegada da resina na saída, no entanto, foi mais rápida devido aos canais [espaços entre o pré-forma e a borda do molde] que ajudam a criar um contraste térmico maior que foi mais fácil de detectar e monitorar."

Cara sugere que este monitoramento de frente de fluxo de resina poderia ser melhorado com novos sensores ativos que a TFX desenvolveu que usam uma capacidade de aquecimento integrada dentro do sensor. "Isso permite que os sensores ajudem a fornecer o contraste térmico necessário em peças e processos onde é inerentemente difícil", ele explica.

Estendendo capacidade de controle de processo compósito

"Estamos felizes com o trabalho que completamos até agora", diz Torres, "mas isso é apenas um primeiro passo. O objetivo é usar esses sensores de fluxo de calor para gerenciar processamento de compósitos em ambientes de produção." Isso é possível, diz Cara, enviando automaticamente um sinal do sistema de sensores para o equipamento de injeção baseado na chegada da resina e para a prensa baseado em inclinação zero na curva de cura. Torres adiciona que a TME tem sistemas de controle de processo para a máquina de injeção e prensa RTM que gerenciam temperatura e pressão. "O próximo passo", diz ele, "é integrar os sensores TFX nesses sistemas de controle e gerenciar o processo geral a partir de um laptop." Cara nota que sensores TFX e aquisição de dados também funcionam com sensores de pressão (ex: Kistler, Winterthur, Suíça) para auxiliar neste controle geral de processo, e sua empresa está desenvolvendo um sensor que medirá fluxo de calor, temperatura e pressão em um único dispositivo integrado.

Mas este controle de processo é acessível? Cara diz que o investimento inicial de $10-30.000 para o sistema de monitoramento geralmente alcança retorno na fase de desenvolvimento, reduzindo tentativa e erro via melhor entendimento de processo e peça. "O sistema então continua a fornecer economias durante a produção, reduzindo tempo de ciclo, garantindo repetibilidade e fornecendo detecção precoce de desvios ou não-conformidades."

Na GKN Fokker, Vergouwen acredita que uma vez que a capacidade de reduzir tempo de ciclo e melhorar custo seja comprovada, "então é possível imaginar compósitos não apenas no tipo de componente de trem de pouso demonstrado nos projetos INNOTOOL 4.0 e HECOLAG, mas em todos os tipos de peças. Isso abriria nosso espaço de design e nos permitiria empurrar os limites de trem de pouso leve ainda mais." Besson vê uma aplicação ainda mais ampla: "Este tipo de controle de processo pode ser desenvolvido para todos os tipos de moldes e peças compósitos."