Programa ENLIGHTEN lançado para acelerar a industrialização de compósitos termoplásticos

Quanto mais leve um veículo, menos combustível ele consome e menos CO ₂ é emitido. Materiais leves e fortes o suficiente para garantir a segurança dos passageiros também são populares entre os fabricantes de automóveis e aeronaves. Os compostos termoplásticos - plásticos reforçados com fibras que amolecem quando aquecidos - são leves, fortes, fáceis de trabalhar e fáceis de reciclar. Certos componentes em fuselagens e asas de aeronaves já estão sendo feitos deste material relativamente novo. No entanto, eles ainda não estão em uso mais amplo.

O objetivo do ENLIGHTEN - Habilitando Estruturas Leves Integradas em Altos Volumes - é encontrar uma maneira de produzir estruturas inteiras confiáveis ​​usando esse material de forma previsível, reproduzível e econômica. Este projeto de cinco anos de 6 milhões de euros está sendo lançado pela Universidade de Twente (UT, Twente, Holanda) e pelo Dr. Remko Akkerman, cientista da UT e do Centro de Pesquisa de Compostos Termoplásticos (TPRC, Twente, Holanda) como parte da Perspectiva baseada na Holanda programa, que desafia os cientistas a estabelecer novas linhas de pesquisa inovadoras que possam ter um verdadeiro impacto econômico e social. Estabelecido pelo Conselho de Pesquisa Holandês (NWO) e pelo Ministério de Assuntos Econômicos e Clima, seis Perspectivas consórcios estão sendo formados na Holanda, com 138 empresas e organizações contribuindo com € 10 milhões de seu próprio financiamento para igualar os € 22 milhões disponíveis do governo holandês.

Desenvolvimento de detalhes em várias escalas

CW conversou com Akkerman para obter uma melhor compreensão do que o ENLIGHTEN realmente envolve. “ CompositesWorld os leitores estão muito familiarizados com o trabalho realizado na TPRC, onde nos concentramos no processamento rápido de termoplásticos, incluindo soldagem, sobremoldagem e também reciclagem ”, diz Akkerman. “Publicamos muitos resultados estudando materiais, processos e desempenho. Mas como o processo afeta a distribuição da matriz da fibra e a porosidade no compósito? Como isso, por sua vez, afeta o desempenho mecânico da peça? Como esses processos afetam o início do crack e o crescimento do serviço? Esses aspectos precisam ser compreendidos a fim de amadurecer compósitos termoplásticos para uso industrial mais amplo. ”

É por isso que ENLIGHTEN é um programa tão grande, envolvendo especialistas em polímeros, micromecânica composta e modelagem digital multiescala, bem como ciência de dados digital. “Nosso objetivo é desenvolver conhecimento que possamos usar para otimizar esses processos de compósitos termoplásticos para desempenho otimizado”, diz Akkerman. “Também integraremos o monitoramento do processo - porque a qualidade do material depende da sua capacidade de controlar o processo - e o aprendizado de máquina para acelerar essa otimização.”

ENLIGHTEN inclui todas as três universidades técnicas na Holanda (Universidade de Twente, Universidade de Tecnologia de Delft e Universidade de Tecnologia de Eindhoven), bem como empresas em toda a cadeia de suprimentos automotiva e aeroespacial, incluindo OEMs, fornecedores Tier e PMEs. Organizações fora da Holanda também estão envolvidas, incluindo o Centro WMG para Fabricação de Alto Valor da Universidade de Warwick como parte do programa CATAPULT do Reino Unido e a Jaguar Land Rover, uma subsidiária da fabricante automotiva global Tata Motors (Mumbai, Índia).

Esta micrografia mostra alguma migração de fibra acima da linha de solda entre um blank reforçado com fibra contínua e a sobremoldagem por injeção reforçada com fibra curta. Como isso afeta a força e o desempenho da peça é uma questão entre muitas a ser respondida pela ENLIGHTEN.

“Os processos que iremos investigar incluem indução e soldagem ultrassônica, bem como sobremoldagem, que também tem uma interface de soldagem, cada uma envolvendo os mesmos fenômenos físicos, mas em taxas diferentes”, observa Akkerman. “Então, todos os mesmos fenômenos em relação ao movimento da fibra, estresse e iniciação de rachaduras se aplicam aqui também.” Mas as estruturas compostas termoplásticas soldadas não voam em aeronaves comerciais há mais de 30 anos? “Sim, mas nenhuma dessas estruturas usa soldagem por indução ou ultrassônica com fitas unidirecionais”, ressalta ele, “o que é muito mais difícil de entender e controlar, mas também mais econômico de produzir se pudermos prever totalmente os processos.”

A modelagem em várias escalas e os testes físicos terão um papel fundamental no projeto ENLIGHTEN. “É impossível entender um composto sem olhar para o processo de fabricação usado para criá-lo”, diz Akkerman. “Por meio da modelagem digital, podemos formular hipóteses e, em seguida, realizar experimentos lado a lado para validar nossos resultados e refinar nosso entendimento. Por exemplo, isso inclui observar a formação de estruturas cristalinas no nível micro, como as fibras se movem durante o processo de soldagem no nível meso e como esses fenômenos interagem para afetar o desenvolvimento de tensões, microfissuras e as cargas finais da estrutura no nível macro nível. Esse nível de investigação muito profundo, mas combinado, eu ainda não vi em nosso setor ”.

Mas onde o aprendizado de máquina entra em ação? “Cada um dos elementos de análise nos pacotes de trabalho 1 e 2 leva horas para ser executado”, diz Akkerman, “e deve ser repetido para cada material, peça e processo específico. Se você deseja alcançar a otimização em todas essas escalas e modelos, isso levará milhares de horas. Ao fazermos isso, entretanto, estaremos acumulando dados sobre como todos esses fenômenos se relacionam entre si. Podemos, então, treinar redes neurais para reconhecer conexões nesses dados, totalmente de acordo com a física subjacente. ”

Olhando para o escopo do trabalho mostrado abaixo, ele explica, “haverá conexões da esquerda para a direita e de cima para baixo. Com base em todas essas análises, nosso objetivo é desenvolver algoritmos que possam ser usados ​​de uma forma mais geral e flexível, sem ter que começar do zero a cada vez. Em outras palavras, esses algoritmos podem ser aplicados a uma determinada peça, ajudando você a otimizar seus parâmetros de processo e escolhas de materiais. Pense no aprendizado de máquina como um tipo de ajuste de curva com muitas, muitas variáveis. ” Ele admite que esta não é uma analogia perfeita, mas o resultado é efetivamente semelhante, no sentido de que a curva - que neste caso é mais uma hiper-superfície multidimensional - mostrará as correlações e causalidades que apontam o caminho a seguir.

Materiais, disseminação e objetivo final

Finalizar os materiais a serem estudados é uma das primeiras tarefas do projeto ENLIGHTEN. “Muito provavelmente a poliamida 6 (PA6, náilon) será estudada para o setor automotivo e a poliariletercetona de baixo ponto de fusão (LM PAEK) para o setor aeroespacial”, diz Akkerman. “Iremos avaliar outros materiais e olhar para todos e quaisquer dados disponíveis.” Isso pode incluir, por exemplo, o que foi gerado por outros programas, como MECATESTERS no Clean Sky 2, que fez uma quantidade significativa de testes com fita LM PAEK UD reforçada com fibra de carbono. Enquanto isso, o programa Clean Sky 2 STUNNING estará gerando uma grande quantidade de dados com relação à soldagem ultrassônica conforme ele monta a metade inferior do Demonstrador de Fuselagem Multifuncional (MFFD). Akkerman destaca os projetos COMPeTE realizados no TPRC, que estudaram a sobremoldagem para as mais diversas combinações de materiais.

No que diz respeito à divulgação dos resultados do projeto, o consórcio ENLIGHTEN terá assembleias gerais anuais e os subgrupos de cada pacote de trabalho reunir-se-ão conforme necessário para atingir os marcos estabelecidos. Apresentações individuais serão feitas em conferências nacionais e internacionais durante o curso do projeto e uma sessão dedicada ou conferência internacional completa no último ano do projeto será organizada para compartilhar os resultados gerais.

O objetivo final, diz Akkerman, é alcançar para os compostos termoplásticos o que a indústria de metais tem com sua abordagem de design de materiais para metais monocristalinos em motores aeroespaciais, por exemplo. “O objetivo deles era atingir um desempenho necessário para o futuro das aeronaves. Vemos o mesmo mandato para uma maior amplitude de mobilidade. Estamos tentando projetar processos de soldagem e sobremoldagem para otimizar o desempenho de compósitos termoplásticos leves para estruturas aeroespaciais e automotivas, mas ainda temos muita variabilidade. O resultado são fatores de segurança excessivos e menos eficiência do que as tecnologias realmente oferecem. Sim, temos peças compostas termoplásticas voando, mas demorou 30 anos para chegar até aqui. A Europa estabeleceu uma meta de ser neutra em carbono até 2050 - menos de 30 anos. Se continuarmos no mesmo caminho, que ainda envolve muitas tentativas e erros, não atingiremos as metas necessárias para combater as mudanças climáticas. Vemos um caminho diferente e mais eficiente por meio do ENLIGHTEN e agora é hora de agir. ”