Nervuras Wing of Tomorrow: Consolidação Termoplástica One-Shot e OOA para Aeronaves de Próxima Geração

O programa Wing of Tomorrow (WOT) da Airbus, lançado em 2015, passou os últimos seis anos explorando tecnologias de material, manufatura e montagem mais competitivas em custo e maior vazão para asas de aeronaves comerciais de corredor único (veja cobertura anterior da CW do programa WOT).

Segundo Arnt Offringa, diretor do Centro de Tecnologia Global da GKN Aerospace Países Baixos (Hoogeveen), a GKN Aerospace (Bristol, Reino Unido) tem sido muito ativa no programa WOT, incluindo o desenvolvimento de um demonstrador de longarina de asa feito via moldagem por transferência de resina (RTM) e quatro nervuras de asa de alumínio. Outro demonstrador de tecnologia recentemente entregue pela GKN Aerospace envolveu o desenvolvimento de uma nervura compósito termoplástico competitiva em custo, e um sistema de prensa modular inovador para manufatura one-shot, fora de autoclave (OOA) para produzi-la.

Mudança para Termoplásticos

Em 2018, a GKN Aerospace começou discussões internas sobre materiais e tecnologias de manufatura que poderiam ser usados para produzir cinco nervuras demonstradoras para o programa WOT. A GKN Aerospace comparou várias opções de material, incluindo compósitos termofixos e termoplásticos. Alumínio, o material tradicional para nervuras de asa de aeronaves comerciais, foi escolhido para produzir quatro nervuras maiores, internas, mas para a nervura menor, externa, a empresa decidiu explorar uma opção compósito. Offringa nota que como o demonstrador WOT será uma asa compósito, desenvolver uma nervura compósito que possa competir com alumínio é um passo lógico.

"Uma nervura compósito em uma asa compósito é benéfica por várias razões", diz ele. "Primeiro, usar compósitos com compósitos significa que não há diferença na expansão térmica entre os materiais, como você teria com uma nervura metálica em uma asa compósito ou vice-versa. Segundo, você não terá problemas ou preocupações com relação a corrosão. Compósitos também significam peso reduzido. Por último, mas não menos importante, usar compósitos torna a inspeção mais fácil."

Offringa explica que nervuras metálicas típicas requerem inspeção visual humana uma vez que a asa final é montada. No entanto, por causa da localização das nervuras no interior da asa, isso significa que grandes escotilhas elípticas precisariam ser cortadas na pele inferior da asa para que humanos possam entrar na asa para inspecioná-las. "Se você for para uma nervura compósito, você tem menos fadiga nas nervuras e menos rachaduras de fadiga potenciais que você tem que inspecionar. A inspeção se torna muito mais simples e menos intensiva, e você não precisa mais construir escotilhas na pele da asa. Será uma pele de asa contínua", ele diz.

Redução de peso, resistência à corrosão e benefícios de inspeção menos invasiva poderiam ser ganhos de either termofixos ou termoplásticos compósitos. "Fizemos um estudo interno e olhamos para peso, custo e industrialização, e depois de comparar as diferentes tecnologias, a escolha foi feita para ir com termoplásticos, porque tinha o maior potencial e o melhor caso de negócio com relação a custo", diz Offringa.

Dada sua proximidade mais próxima ao centro de tecnologia de asa de Filton, Reino Unido da Airbus onde o demonstrador WOT será testado, o ramo de Bristol, Reino Unido da GKN Aerospace é o principal hub do trabalho WOT da empresa. No entanto, dada a expertise da GKN Aerospace Países Baixos em termoplásticos desde seus dias como Fokker Technologies, as duas equipes da GKN Aerospace uniram forças para o demonstrador de nervura. "O design foi feito no Reino Unido, mas o desenvolvimento de manufatura foi feito nos Países Baixos, então foi uma cooperação realmente legal entre as diferentes equipes na GKN Aerospace", diz Offringa.

Sue Partridge, chefe do WOT na Airbus, nota, "Colaboração com parceiros é um aspecto importante do Programa Wing of Tomorrow. Através da combinação de nossos recursos, podemos progredir soluções que aproveitam as capacidades de ambas as organizações para um resultado melhor."

Para as nervuras WOT entregues à Airbus, a GKN Aerospace usou fitas de fibra de carbono/polietercetonecetona (PEKK-FC) APC da Solvay (Bruxelas, Bélgica), que é baseada na formulação Novaspire PEKK-FC (FC) de cristalização rápida da empresa. Offringa nota que o material de baixo derretimento de fibra de carbono/poliariletercetona (PAEK) da Toray Advanced Composites (Morgan Hill, Califórnia, EUA) também está sendo avaliado como opção para futuras estruturas de nervura.

Projetando uma Nervura de Asa de Próxima Geração

Há mais de 20 nervuras em uma asa de aeronave de corredor único típica. A nervura demonstradora compósito termoplástico é a 14ª na asa demonstradora; as outras demonstrarão materiais e processos alternativos.

Nervuras compósitos termoplásticos são frequentemente manufaturadas via estampagem para aeronaves pequenas, diz Offringa. No entanto, a GKN Aerospace descartou a estampagem tradicional como opção para a nervura WOT porque asas de aeronaves comerciais, mesmo para narrow-bodies como o demonstrador WOT, são colocadas sob cargas de compressão e tensão muito altas.

"Se você fosse estampar uma nervura termoplástica no sentido tradicional, então você teria que fazer uma nervura muito grossa, com uma teia grossa para torná-la mais forte para que possa suportar as forças agindo sobre ela", diz Offringa, e isso não é preferível dado os requisitos de redução de peso. Além disso, a estampagem não seria capaz de criar um componente de flange inferior de dois lados na nervura onde a peça se conecta à pele inferior da asa; um componente extra precisaria ser fabricado e aparafusado ao resto da nervura. A GKN Aerospace precisava de um processo de manufatura que permitisse mais flexibilidade para o design que a equipe tinha em mente.

A nervura termoplástica de 90 centímetros de comprimento, 24 centímetros de altura da GKN Aerospace apresenta uma teia vertical e um flange bidirecional de 8 milímetros de espessura estendido da base da nervura. Para atender requisitos de peso, a teia tem apenas 7 milímetros de espessura. Para prevenir flambagem e aumentar rigidez, a teia é reforçada por elementos de enrijecimento de 3 milímetros de espessura usando a tecnologia butt-joint da GKN Aerospace, que usa pré-formas de enrijecedor planas e materiais de "enchimento" moldados por injeção para criar uma junta forte e contínua (veja "Estruturas aeroestruturais primárias termoplásticas dão outro passo adiante" para aprender sobre uso desta tecnologia em um painel de fuselagem Gulfstream manufaturado com fitas de fibra de carbono/PEKK-FC da Solvay).

"Sabíamos que se pudéssemos fazer esta forma em compósitos e torná-la robusta, então teríamos um design muito leve com a redução de peso que estávamos procurando. Mas o problema era, como você faz uma forma tão complicada de forma custo-efetiva e em altas taxas? É aí que colocamos nosso esforço para criar este novo produto", diz Offringa.

Manufatura One-Step, OOA

O processo baseia-se em tecnologia que a GKN Aerospace usou anteriormente para o projeto TAPAS (Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure), e para um desenvolvimento de painel de fuselagem para Gulfstream que usa a tecnologia butt-joint da empresa. Para a nervura WOT, a GKN Aerospace desenvolveu um processo de consolidação OOA, one-step. "Levamos nosso trabalho anterior para o próximo nível indo fora do autoclave pela primeira vez", nota Offringa.

Primeiro, fitas termoplásticas unidirecionais (UD) são cortadas nas larguras corretas, e um laminador é usado para pré-formar os elementos planos em duas pré-formas de teia em forma de L. As pré-formas de teia, uma pré-forma plana para o flange, e pré-formas menores e elementos de enchimento moldados por injeção que compõem os enrijecedores são todos carregados em uma ferramenta, que é colocada dentro de uma prensa modular de co-consolidação similar a uma prensa de moldagem por transferência de resina (RTM). A prensa fecha, e um sistema de bexiga é usado para criar pressão de ambas as direções horizontal e vertical, simulando a pressão em um autoclave. Um sistema de aquecimento por resistência integrado traz o compósito à temperatura de fusão brevemente antes de resfriar para consolidação.

"Colocamos a maior parte do esforço de desenvolvimento em ajustar e otimizar o ferramental", diz Offringa. O sistema é projetado para ser modular; o ferramental pode ser trocado para acomodar nervuras com diferentes dimensões ou outros tipos de peças enquanto mantém o mesmo sistema de aquecimento e resfriamento. Embora não necessário para estas nervuras, a prensa que a GKN Aerospace desenvolveu em seu Centro de Tecnologia pode acomodar peças até 6 metros de comprimento, que também poderiam incluir outros painéis ou vigas.

O sistema de controle de processo é chave ao processar termoplásticos. Termoplásticos derretem a temperaturas mais altas que termofixos, e devem ser resfriados em um processo controlado e consistente para minimizar empenamento e maximizar cristalinidade. "É muito importante controlar o processo exato do início ao fim", diz Offringa. "O gerenciamento térmico do ciclo de aquecimento é muito importante." (veja sidebar "Questões de conformação termoplástica (TP)" neste artigo para mais detalhes sobre questões e importância do controle de processo ao usar termoplásticos).

Recursos especiais de ferramental são usados para permitir que os enrijecedores finos e integrados soltem facilmente da ferramenta. A peça desmoldada é near net shape, e então é aparada para formar a peça acabada. De ferramenta dentro para ferramenta fora, o processo inteiro leva cerca de 45 minutos. Isso significa que com uma prensa, cerca de 15 nervuras de asa podem ser manufaturadas em um turno de oito horas.

"Acaba sendo um processo de manufatura simples", nota Offringa. "Estamos fazendo muitas coisas de uma vez: co-consolidando pré-formas com diferentes formas, criando a base da nervura para ter um flange bidirecional, e ao mesmo tempo estamos enrijecendo a teia com a tecnologia butt-jointed. Em última análise, porém, pegamos todos os elementos do material, colocamos em uma ferramenta, e criamos uma peça homogênea em uma etapa de processamento."

Testes, Entrega e Além

Testes. Subcomponentes foram testados para atender requisitos de resistência à tração e compressão nas instalações da GKN em Isle of Wight e Hoogeveen.

No final de 2019, subcomponentes de nervura foram testados nas instalações de Isle of Wight e Hoogeveen da GKN Aerospace, e Offringa diz que eles passaram nos requisitos de carga de tração e compressão "por uma ampla margem". Ele adiciona, "É forte, é resistente, é fácil de manufaturar. Este é um conceito que saiu exatamente como esperávamos." Comparado a uma versão de alumínio, Offringa diz que a versão compósito termoplástico oferece economia de peso significativa e é competitiva em custo.

A empresa entregou três nervuras à Airbus, uma das quais será montada e testada no demonstrador WOT. A GKN Aerospace continua trabalhando em otimizar seu processo e materiais para nervuras aeroespaciais comerciais, tanto para Wing of Tomorrow quanto além.