Sistema de Tecelagem Automatizado da WEAV3D Impulsiona Fabricação de Compósitos de Alto Desempenho e Alto Volume

Uma barreira de longa data para a adoção generalizada de compósitos, notadamente na indústria automotiva, é a necessidade de produção de alto volume e custos mais baixos do que os viáveis com muitos tipos de processos de fabricação de compósitos. A startup WEAV3D Inc. (Norcross, Geórgia, EUA) busca resolver essas questões com suas estruturas de reforço em treliça compostas termoplásticas contínuas fabricadas em processo de tecelagem automatizado projetado para ser livre de resíduos, econômico e, prevê a WEAV3D, um habilitador para produção de alto volume.

 

Do conceito à comercialização

Christopher Oberste, fundador e CEO da WEAV3D Inc., desenvolveu o conceito inicial para sua tecnologia enquanto obtinha seu Ph.D. em ciência e engenharia de materiais no Georgia Institute of Technology (Georgia Tech, Atlanta) em 2014. Seus estudos em engenharia de polímeros e fibras e um estágio cooperativo na GKN Aerospace North America (Tallassee, Alabama, EUA) despertaram interesses em termoplásticos e processos de alto volume como moldagem por compressão e compósitos aeroespaciais. Este trabalho levou ao desenvolvimento de sua primeira iteração para um processo de tecelagem automatizado de alta velocidade para estruturas de reforço em treliça compostas termoplásticas. Com a ajuda e apoio de seu orientador de Ph.D., Dr. Ben Wang, Oberste solicitou e recebeu financiamento para desenvolver e comercializar sua ideia da Georgia Research Alliance e do programa Innovation Corps (NSF I-Corps) da National Science Foundation.

Nos dois anos seguintes, Oberste trabalhou com estudantes de MBA e direito para comercializar a tecnologia através de um programa colaborativo na Georgia Tech chamado TI:GER (Technological Innovation: Generating Economic Results). Em 2017, com financiamento adicional da Megawatt Ventures e um Prêmio Clean Tech University do Departamento de Energia dos EUA, Oberste e o cofundador Lewis Motion, ex-piloto de helicóptero da Guarda Costeira dos EUA, fundaram a WEAV3D Inc.; hoje, a empresa emprega três funcionários em tempo integral e quatro em tempo parcial.

Dado o histórico de Oberste e Motion em aeroespacial, o plano inicial era qualificar os materiais compostos termoplásticos da WEAV3D como estruturas de reforço em componentes aeroespaciais. No entanto, Oberste explica que, como parte da bolsa NSF I-Corps, ele e sua equipe tiveram que realizar uma série de 100 entrevistas com potenciais clientes da indústria, o que os levou a mudar de direção. "Fizemos muitas entrevistas de descoberta no aeroespacial... mas ouvimos repetidamente que o caminho para startups entrando no aeroespacial, especialmente com um novo processo de fabricação, é muito difícil. O tempo de adoção é realmente longo e é muito caro. Muitas empresas morrem antes mesmo de chegar ao mercado", explica.

Após falar com empresas de outros setores, Oberste e sua equipe decidiram mudar o foco para os mercados automotivo e de construção. Ele diz: "Quando começamos a conversar com pessoal [automotivo], percebemos que havia uma necessidade muito grande não atendida nesse espaço, pois as montadoras têm muita demanda urgente por redução de peso, mas também são sensíveis a preço. Elas nos disseram que a maioria dos processos convencionais de fabricação de compósitos disponíveis não conseguiam fornecer o volume necessário nos custos desejados." A partir daí, Oberste buscou evoluir sua tecnologia para ser uma solução habilitadora para produção de peças compostas de alto volume a baixo custo.

O resultado é o conceito trademarked Rebar for Plastics da WEAV3D. Usando processo automatizado de tecelagem e consolidação, a WEAV3D fabrica estruturas de treliça compostas termoplásticas dimensionalmente ajustáveis, projetadas para serem facilmente integradas como material de reforço em peça plástica ou de concreto via moldagem por compressão, sobremoldagem por injeção ou outros processos comuns de alto volume. Baseado em modelos de simulação, Oberste diz que esta abordagem permite a produção de peças automotivas com desempenho par com aço ou chapa de alumínio, mas mais leves e 30-75% mais baratas de produzir versus peças compostas formadas via organosheet, colocação automatizada de fita (ATL) ou processos de colocação manual.

O processo WEAV3D

O processo WEAV3D começa com fitas unidirecionais (UD) termoplásticas prontas. Oberste diz que o processo pode lidar com qualquer tipo de termoplástico e fibra de reforço: "Nosso ponto ideal para a maior parte do trabalho que temos feito em automotivo e construção está no espaço de polipropileno [PP], policarbonato [PC], tereftalato de polietileno [PET] ou poliamida [PA]. Somos muito agnósticos em termos de fibras de reforço também, embora fibra de vidro e carbono sejam, claro, as mais populares." Ele diz que a equipe também fez alguns trabalhos com fitas metálicas condutivas e está pesquisando fitas com fibras ópticas embutidas.

A máquina piloto em escala real da WEAV3D é padronizada para processar fita de 25 mm ou 1 polegada de largura, embora Oberste diga que a máquina pode lidar com fitas tão pequenas quanto 5 mm (0,2 polegadas) com uso de adaptadores, e fitas mais largas com retooling. Na máquina atual, treliças podem ser produzidas até 1,5 metros de largura (60 polegadas), e até cinco camadas de espessura, em qualquer comprimento requerido pela aplicação.

O pedido de patente de novembro de 2017 da empresa descreve o sistema WEAV3D como "uma máquina para fabricação contínua de um composto tecido com geometria de tecido interno controlável". De carretéis carregados na máquina, fitas UD são rosqueadas em uma array de cabeças de urdume independentemente controláveis. Cada cabeça contém múltiplos canais de fita, formando uma abertura de urdume, um espaço entre as fitas de urdume para as fitas de trama serem rosqueadas. Uma pilha inseridora dispensa fitas unidirecionais na direção da trama através da abertura de urdume para formar uma tecelagem composta. A treliça tecida é então puxada sob uma fonte de luz infravermelha (IV) e depois através de rolos de compressão para consolidar e ligar as camadas de fitas nos pontos de entrelaçamento. Dependendo dos requisitos do cliente, a estrutura resultante é fornecida como chapa plana ou rolo, ou a WEAV3D oferece serviços adicionais de corte e pré-formação.

Um dos benefícios mais importantes do processo da WEAV3D, diz Oberste, é o alto nível de ajustabilidade da estrutura de treliça para diferentes aplicações. Isso inclui misturar diferentes materiais em diferentes locais, bem como ajustar a densidade, ou distância entre as fitas, da estrutura de treliça. "Podemos realmente otimizar a estrutura de treliça para os requisitos do produto final enquanto minimizamos custos gerais."

Uma vez entregues ao cliente, as treliças podem ser integradas em componentes de concreto polimérico, ou moldadas por compressão, termoformadas ou sobremoldadas por injeção para formar uma peça composta automotiva final. O processo WEAV3D também pode acomodar níveis variados de complexidade. Oberste explica que para peças relativamente simples, "esta treliça pode ser combinada com um processo de laminação e então termoformada, apenas como etapa de co-formação. Para peças moderadamente complexas, podemos fazer co-formação ou pré-formação em moldagem por compressão, seja moldagem por compressão termoplástica ou SMC. E para peças muito complexas, podemos realmente pré-formar a treliça na forma que precisa, colocá-la em uma ferramenta e então fazer sobremoldagem por injeção naquela peça."

"O grande foco para nós no ecossistema de compósitos é que somos um game-changer para produção de alto volume", ele adiciona. O volume exato depende da aplicação, mas Oberste estima que para peças de treliça dimensionadas para reforçar painéis de portas automotivas, as máquinas da WEAV3D podem produzir entre 200.000 e 500.000 unidades por ano.

Além disso, o produto WEAV3D também exibiu propriedades mecânicas aprimoradas ao reforçar uma peça composta ou plástica. "Combinar uma treliça WEAV3D com plásticos de fibra curta ou compósitos de fibra longa existentes pode aumentar significativamente a resistência, rigidez e tenacidade do produto resultante", diz Oberste, embora adicione que a quantidade de aumento varia amplamente pelos materiais específicos usados e design de uma peça particular. "Em algumas aplicações, este desempenho aumentado permite que a espessura da peça ou nervuras sejam substancialmente reduzidas, o que se traduz em peso reduzido."

 

Valas de concreto reforçado: Primeira aplicação comercial

Nos primeiros anos, o foco da startup foi produzir um método de fabricação e materiais adequados para a indústria automotiva especificamente, embora Oberste tenha ideias sobre como esta tecnologia poderia ser usada em componentes internos aeroespaciais comerciais, aeronaves de defesa não tripuladas, ferroviário, transporte de carga e aplicações marítimas.

Para sua primeira aplicação comercial anunciada em novembro de 2020, no entanto, a WEAV3D começou com o mercado de construção, usando reforços de fibra de vidro/PET para um sistema de valas de concreto polimérico fabricado pela Oldcastle Infrastructure (Atlanta, Geórgia, EUA).

O sistema de valas da Oldcastle, usado para roteamento de cabos de utilidade em áreas urbanas, estações de trem ou plantas industriais, deve suportar cargas de 16.000 libras de veículos dirigindo sobre ele. Anteriormente, a vala era reforçada com gaiolas de arame de aço soldadas sob medida embutidas no concreto. No entanto, segundo Oberste, essas gaiolas de aço eram caras para fabricar sob medida e, como a Oldcastle faz valas de vários tamanhos diferentes, as gaiolas de aço nem sempre tinham as dimensões corretas para reforçar adequadamente os orifícios de drenagem da vala. "Com nosso processo, como podemos realmente otimizar a treliça para os requisitos da aplicação, conseguimos ajustar a geometria da treliça — por exemplo, para garantir que adicionássemos reforço ao redor dos orifícios de drenagem no fundo da vala, e reforço nas extremidades da vala para que seja protegida contra impacto durante manuseio", diz ele.

Além disso, um dos aspectos mais desafiadores do projeto, diz Oberste, foi identificar um material de fita termoplástica que pudesse formar uma ligação adesiva com o concreto polimérico, em vez de depender apenas de uma interface mecânica, como no caso de reforços de gaiola de aço. O material de tereftalato de polietileno glicol (PETG) selecionado pela WEAV3D forma uma verdadeira interface adesiva entre os dois materiais, o que ajuda na transferência de tensão e diminui a probabilidade de fratura. "Mesmo que a fratura ocorra", ele adiciona, "essa fratura é muito menos propensa a se propagar pela estrutura porque tem que superar essa interface adesiva."

A WEAV3D produz as treliças projetadas para esta aplicação como pré-forma em canal U, que a Oldcastle então coloca em um molde de fundição onde concreto polimérico é despejado sobre ela, seguido por cura e desmoldagem para produzir a estrutura final de concreto reforçado.

Dentro da construção, a WEAV3D tem planos de expandir suas treliças para outras aplicações de concreto polimérico, como caixas e tampas. Em outubro de 2020, a WEAV3D, em proposta conjunta com a Western Ontario University e a empresa de engenharia estrutural Entuitive, recebeu uma bolsa do Conselho Nacional de Ciências e Engenharia do Canadá para conduzir pesquisa avaliando o uso das treliças da WEAV3D como reforço em concreto tradicional à base de cimento Portland também. O objetivo é desenvolver treliças que possam ser usadas como reforços para lajes e fachadas de edifícios não residenciais, diz Oberste.

 

WEAV3D de próxima geração: Velocidades automotivas

Uma versão de próxima geração da máquina WEAV3D, projetada para atender às necessidades da fabricação automotiva, está em desenvolvimento com financiamento de pesquisa da NSF. Oberste diz que provavelmente entrará em operação em 2022. Melhorias no novo sistema visam triplicar a velocidade de produção do sistema atual, incluindo a substituição de aquecimento IV e rolos de compressão por soldagem ultrassônica mais eficiente.

Ao mesmo tempo, Oberste e sua equipe iniciaram discussões com Tier 1s e OEMs automotivos nos EUA e Europa sobre o uso de produtos WEAV3D para reforçar painéis plásticos, variando de componentes internos a portas traseiras de caminhonetes. "Um dos objetivos é adicionar uma treliça como esqueleto estrutural dentro de componentes plásticos moldados para melhorar sua resistência e rigidez e substituir suportes e reforços metálicos nos quais os designers atualmente confiam", diz Oberste. A WEAV3D também está trabalhando em artigos de demonstração de painéis de carroceria automotiva e outros componentes para mostrar os benefícios do material.