Iniciativa ENLIGHTEN Acelera Adoção Industrial de Compósitos Termoplásticos

Quanto mais leve um veículo, menos combustível consome e menos CO₂ emite. Materiais leves fortes o suficiente para garantir segurança dos passageiros também são populares entre fabricantes de carros e aeronaves. Compósitos termoplásticos — plásticos reforçados com fibra 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, ainda não estão em uso mais amplo.

O objetivo do ENLIGHTEN — Enabling Integrated Lightweight Structures In High Volumes — é encontrar uma forma de produzir estruturas inteiras confiáveis usando este material de maneira previsível, reproduzível e custo-efetiva. Este projeto de 6 milhões de euros, cinco anos, está sendo lançado pela Universidade de Twente (UT, Twente, Holanda) e Dr. Remko Akkerman, cientista na UT e no ThermoPlastic composites Research Center (TPRC, Twente, Holanda) como parte do programa Perspective baseado na Holanda, que desafia cientistas a estabelecer novas linhas inovadoras de pesquisa que possam ter impacto econômico e social genuíno. Estabelecido pelo Conselho Holandês de Pesquisa (NWO) e pelo Ministério de Assuntos Econômicos e Clima, seis consórcios Perspective estão sendo criados na Holanda, com 138 empresas e organizações contribuindo com 10 milhões de euros de seu próprio financiamento para igualar os 22 milhões de euros disponíveis do governo holandês.

Desenvolvendo detalhes multi-escala

CW conversou com Akkerman para melhor entender o que o ENLIGHTEN realmente envolve. "Leitores da CompositesWorld estão muito familiarizados com o trabalho feito no TPRC, onde focamos em processamento termoplástico rápido, incluindo soldagem, sobremoldagem e também reciclagem", diz Akkerman. "Publicamos muitos resultados estudando materiais, processo e desempenho. Mas como o processo afeta a distribuição fibra-matriz e porosidade no compósito? Como isso, por sua vez, afeta o desempenho mecânico da peça? Como estes processos afetam iniciação e crescimento de trincas em serviço? Estes aspectos precisam ser compreendidos para amadurecer compósitos termoplásticos para uso industrial mais amplo."

É por isso que o ENLIGHTEN é um programa tão grande, envolvendo especialistas em polímeros, micromecânica de compósitos, modelagem digital multi-escala e ciência de dados digital. "Nosso objetivo é desenvolver conhecimento que possamos usar para otimizar estes processos de compósitos termoplásticos para desempenho otimizado", diz Akkerman. "Também integraremos monitoramento de processo — porque a qualidade do material depende de sua capacidade de controlar o processo — e machine learning para acelerar esta otimização."

O ENLIGHTEN inclui todas as três universidades técnicas da Holanda (Universidade de Twente, Universidade Tecnológica de Delft e Universidade Tecnológica de Eindhoven) assim como empresas ao longo das cadeias de suprimentos automotiva e aeroespacial, incluindo OEMs, fornecedores Tier e PMEs. Organizações fora da Holanda também estão envolvidas, incluindo o WMG Centre for High Value Manufacturing da Universidade de Warwick como parte do programa CATAPULT do Reino Unido e a Jaguar Land Rover, subsidiária do fabricante automotivo global Tata Motors (Mumbai, Índia).

Este micrografo mostra alguma migração de fibra acima da linha de solda entre um blank reforçado com fibra contínua e a sobremoldagem por injeção de fibra curta. Como isso afeta a resistência e desempenho da peça é uma pergunta entre muitas a serem respondidas pelo ENLIGHTEN.

"Os processos que investigaremos incluem indução e soldagem ultrassônica assim como sobremoldagem, que também tem interface de solda, cada um envolvendo os mesmos fenômenos físicos mas em taxas diferentes", observa Akkerman. "Então, todos os mesmos fenômenos sobre movimento de fibra, tensão e iniciação de trinca se aplicam aqui também." Mas estruturas de compósitos termoplásticos soldados não voam em aeronaves comerciais há mais de 30 anos? "Sim, mas nenhuma daquelas estruturas usa indução ou soldagem ultrassônica com fitas unidirecionais", ele aponta, "o que é muito mais difícil de entender e controlar, mas também mais econômico de produzir se pudermos prever totalmente os processos."

Modelagem multi-escala e testes físicos desempenharão papel chave no projeto ENLIGHTEN. "É impossível entender um compósito sem olhar para o processo de fabricação usado para criá-lo", diz Akkerman. "Através de modelagem digital, podemos formular hipóteses e então realizar experimentos lado a lado para validar nossos resultados e refinar nosso entendimento. Por exemplo, isso inclui olhar para formação de estruturas cristalinas no nível micro, como fibras se movem durante o processo de soldagem no nível meso e como estes fenômenos interagem para afetar desenvolvimento de tensão, microtrincas e cargas últimas da estrutura no nível macro. Este nível de investigação muito profundo ainda combinado não vi ainda em nossa indústria."

Mas onde o machine learning entra em jogo? "Cada um dos elementos de análise nos pacotes de trabalho 1 e 2 leva horas para rodar", diz Akkerman, "e deve ser repetido para cada material, peça e processo específico. Se você quer alcançar otimização através de todas estas escalas e modelos, levará milhares de horas. À medida que fazemos isso, porém, estaremos acumulando dados sobre como todos estes fenômenos se relacionam. Podemos então treinar redes neurais para reconhecer conexões nestes dados, totalmente alinhadas com a física subjacente."

Olhando para o escopo de trabalho mostrado abaixo, ele explica, "haverá conexões da esquerda para a direita e de cima para baixo. Baseado em todas estas análises, nosso objetivo é desenvolver algoritmos que possam ser usados de forma mais geral e flexível sem ter que começar do zero cada vez. Em outras palavras, estes algoritmos podem ser aplicados à sua peça dada, ajudando você a otimizar seus parâmetros de processo e escolhas de material. Pense no machine learning como um tipo de ajuste de curva com muitas, muitas variáveis." Ele concede que esta não é uma analogia perfeita, mas o resultado é efetivamente similar, 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 materiais a serem estudados é uma das primeiras tarefas do projeto ENLIGHTEN. "Muito provavelmente poliamida 6 (PA6, náilon) será estudada para automotivo e poliariletercetona de baixo ponto de fusão (LM PAEK) para aeroespacial", diz Akkerman. "Avaliaremos outros materiais e olharemos 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 quantidade significativa de testes com fita UD de carbono reforçado LM PAEK. Enquanto isso, o programa STUNNING do Clean Sky 2 estará gerando grande quantidade de dados com respeito à soldagem ultrassônica enquanto monta a metade inferior do Demonstrador de Fuselagem Multifuncional (MFFD). Akkerman aponta os projetos COMPeTE realizados no TPRC, que estudaram sobremoldagem para muitas combinações de materiais diferentes.

Quanto à disseminação dos resultados do projeto, o consórcio ENLIGHTEN terá reuniões gerais anuais e os subgrupos em cada pacote de trabalho se reunirão conforme necessário para atingir seus 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 ano final do projeto será organizada para compartilhar os resultados gerais.

O objetivo final, diz Akkerman, é alcançar para compósitos termoplásticos o que a indústria de metais tem com sua abordagem de design de material para metais monocristalinos em motores aeroespaciais, por exemplo. "O objetivo deles era atingir um desempenho necessário para o futuro da aviação. Vemos o mesmo mandato para uma gama maior 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 tanta variabilidade. O resultado é fatores de segurança excessivos e menos eficiência do que as tecnologias realmente oferecem. Sim, temos peças de compósitos termoplásticos voando, mas levou 30 anos para chegar até aqui. A Europa estabeleceu meta de ser neutra em carbono até 2050 — isso é menos de 30 anos. Se prosseguirmos no mesmo caminho, que ainda envolve muita tentativa e erro, não atingiremos as metas necessárias para combater a mudança climática. Vemos um caminho diferente, mais eficiente via ENLIGHTEN e agora é hora de agir."