DLR Revela EmpowerAX, Plataforma Pioneira de Impressão 3D de Fibra Contínua em Escala Industrial

   

O Centro Aeroespacial Alemão (DLR) está liderando inovação em tudo, desde veículos de lançamento espacial e aeronaves, a tecnologias digitais e mobilidade de próxima geração. Em compósitos, avançou uma ampla gama de tecnologias desde soldagem de compósitos termoplásticos e infusão de resina líquida de aeroestruturas primárias a sistemas de produção inteligentes Composites 4.0, para citar apenas alguns.

Agora, o Instituto de Estruturas Compostas e Sistemas Adaptativos do DLR (Braunschweig, Alemanha) visa ajudar a industrializar a impressão 3D de compósitos de fibra contínua estabelecendo uma plataforma global diversificada e orientada à demanda para usuários e fornecedores de tecnologia de Extrusão Aditiva chamada EmpowerAX.

O DLR discutiu o EmpowerAX no ITHEC 2020, e acompanhei com Xenia Stumpf e Maik Titze no DLR. Aqui, compartilho o que aprendi.

Conceitos para integração direta de fibra em impressão 3D de compósitos. Fonte: Alexander Matschinski, Simpósio Virtual sobre AFP e AM, TU Munich, Chair of Carbon Composites (LCC), Set. 2020. Crédito da foto: "3D printing with continuous fiber: A landscape", CW Out 2020.

 

Por que extrusão aditiva?

"Estamos desenvolvendo tecnologias de impregnação de fibra com termoplásticos para produção mais industrial e custo-efetiva", explica Maik Titze, responsável por manufatura aditiva no Instituto de Estruturas Compostas e Sistemas Adaptativos do DLR em Braunschweig. "Isso inclui projetar nossas próprias cabeças de impressão industriais e desenvolver métodos para análise e teste de materiais e processos." Ele nota que a extrusão aditiva usando fibras contínuas oferece não apenas resistência e rigidez aumentadas, mas também a possibilidade de integrar funções de sensoriamento e elétricas. A extrusão aditiva combina termoplásticos e fibras contínuas para criar estruturas multifuncionais que evitam altos custos de ferramentas, melhoram eficiência de produção e permitem novos designs.

"A manufatura aditiva não substituirá todos os processos compostos convencionais", Titze concede, "mas pode ser combinada com processos como colocação automatizada de fibra (AFP) ou enrolamento de filamento, por exemplo, para fornecer soluções e valor novos. Como estamos trabalhando apenas com impressão 3D de fibra contínua, o EmpowerAX é realmente focado, o que nos permitirá alcançar alto nível de resultados. Mas dentro da extrusão aditiva, o EmpowerAX é neutro em tecnologia. Não empurraremos tecnologias específicas."

 

Plataforma global, diversificada

"Agora, é difícil entender qual destas tecnologias seria adequada para sua aplicação e o que precisa ser feito para adaptá-la ao seu ambiente industrial e aplicações", Titze continua. "Nosso objetivo é olhar o espectro do que está disponível, incluindo fornecedores e usuários, e configurar uma plataforma diversificada que abranja setores de mercado, incluindo aeroespacial, automotivo, médico e industrial, por exemplo. Esta plataforma, EmpowerAX, então dá a capacidade de fazer avaliação de tecnologia neutra, e trabalharemos com a indústria para desenvolver medidas de padronização e qualificação para ajudar a aumentar a facilidade de uso de tal tecnologia. A ideia não é desenvolver uma nova norma com fornecedores e usuários de tecnologia, mas concordar em como fazer uma avaliação de tecnologia e quais indicadores de desempenho usar."

A associação ao EmpowerAX é voluntária e global. Inglês é a língua usada para trabalho. Há mais de 30 membros, atualmente, compreendendo fornecedores de tecnologia e grandes usuários de tecnologia. "Somos internamente financiados para até 6 funcionários por ano", diz Titze. "Eles apoiarão o trabalho necessário para manter esta plataforma global. Nossos membros concordaram em colaborar na base de que não compartilharemos informações com o público, mas apenas com membros do EmpowerAX. A associação é atualmente gratuita, mas estamos atualmente aceitando apenas organizações já envolvidas com extrusão aditiva de fibras contínuas. Após maio de 2021, abriremos a associação mais amplamente." O único outro requisito, ele nota, é que "você deve estar disposto a compartilhar informações e contribuir. Você não pode simplesmente tomar. Não há associação passiva."

 

Estágios de triagem de tecnologia

A ideia, diz Titze, não é apenas transferir tecnologia para indústrias já usando compósitos, mas também usar o EmpowerAX como habilitador para ampliar o mercado e aplicações para compósitos. "Por exemplo", ele diz, "na indústria médica, quais requisitos especiais devem ser atendidos? O que precisa ser feito para atender a estes? Como você pode garantir a qualidade necessária e como isso pode ser alcançado para um ambiente de produção industrial?"

 

Para responder a estas perguntas, o EmpowerAX propõe uma abordagem em estágios como mostrado no diagrama acima. "O primeiro estágio é triagem de tecnologia", diz Titze. "Se você, como possível usuário, quer ver se uma tecnologia funcionará para sua aplicação, então olhamos coisas como limitações geométricas, volumes de produção e requisitos de integração de peças/funções, etc. Concordamos com todos os membros em uma lista predefinida de aproximadamente 15 parâmetros, como resistência e rigidez específicas, e então pré-identificamos a adequação das diferentes tecnologias, dependendo do que sua aplicação requer. Portanto, cooperamos com fornecedores de materiais/tecnologia para obter os dados de parâmetros padrão e avaliá-los antecipadamente. Então trabalhamos com fichas técnicas de fornecedores de materiais/tecnologia para obter os dados de parâmetros padrão. Assim, por exemplo, de 10 soluções disponíveis, durante este primeiro estágio, você pode reduzir para talvez três, e então começar a avaliar dados para comparar estes."

Avaliar requisitos específicos é o próximo estágio. Por exemplo, se esta aplicação é em interiores ferroviários ou aeroespaciais, então parâmetros de desempenho de fogo, fumaça e toxicidade (FST) serão necessários. "Após isso", diz Titze, "definiremos se customizações são necessárias para fazer cada tecnologia funcionar para sua aplicação e determinaremos os esforços requeridos."

O objetivo é dar uma quantificação de como as tecnologias finalistas para uma dada aplicação medem em termos de viabilidade tecnológica e quanto trabalho/tempo/custo levará para transferir a tecnologia para uso industrial. "Após passar por estes estágios de avaliação, deve ser fácil para você entender quais passos são necessários para tornar cada tecnologia possível para sua aplicação", Titze explica. "Para fornecedores de tecnologia, isso leva a transferência de tecnologia mais rápida para novos mercados e reduz seu investimento e esforço. Também identifica casos de negócios reais bem adequados para sua tecnologia, onde eles têm forças."

 

Padronização e qualificação

Outra parte chave da visão do EmpowerAX é ajudar a amadurecer tecnologias de extrusão aditiva via padronização e qualificação. "Já estudamos quais padrões existem e quais poderiam funcionar para estas tecnologias, por exemplo dentro de ASTM, ISO e VDI (padrões do governo alemão)", diz Titze (veja imagem animada acima). "Então, está olhando para testes padrão, o que funciona, o que não funciona e quais modificações são necessárias. Este é trabalho que a maioria das empresas gostaria de evitar porque é tedioso, demorado e caro. É muito melhor para a indústria se todos não estiverem replicando estes esforços. Assim, nosso objetivo é ajudar a alcançar padrões mais rápidos para maior maturidade, mas com um amplo conjunto de inputs da indústria e transparência para a indústria."

 

"Também, se você combinar uma tecnologia particular de extrusão aditiva com outros passos de processo, você precisará integrá-la e implementar padrões de garantia de qualidade", Titze aponta. "Isso inclui testes não destrutivos (NDT), sensores e software. Já começamos compilando um catálogo de possíveis defeitos e desvios de processo. Como você pode evitar e detectar estes? O que você pode fazer para remediar caso ocorram? Podemos então começar a montar um banco de dados de possíveis opções de NDT e monitoramento de processo."

 

Cronograma para EmpowerAX

"Nosso primeiro objetivo é fornecer uma estrutura para o que está industrialmente disponível hoje", diz Titze. "Não estamos tentando abrir ainda mais o espectro de sistemas, mas sim mostrar o que está lá e como estas tecnologias podem ser usadas. Acreditamos que algumas melhorias virão apenas através de testes e avaliação sistemáticos. Também vemos benefícios de poder exibir o que é possível com tecnologias atuais. Além disso, ao identificar obstáculos, podemos ter uma discussão de como superar estes, o que fornece melhorias adicionais e maturação das tecnologias."

 

"Vemos a extrusão aditiva como um caminho potencialmente mais fácil para empresas novas em compósitos versus processos envolvendo autoclaves ou infusão de resina", nota Titze. "Também vemos como bem sintonizado para resultados mais industriais. O EmpowerAX também é sobre olhar aplicações industriais e abordar os obstáculos que impediram o uso de compósitos de extrusão aditiva até agora. Por exemplo, deficiências atuais incluem repetibilidade e estabilidade de processo. A tecnologia foi empurrada para o mercado relativamente rápido, então há áreas que ainda não estão em nível de maturidade para serem usadas amplamente. Então, isso é o que estamos fazendo. Visamos mostrar o que pode ser feito e o que precisa ser feito e então trabalhar colaborativamente para completar esse trabalho, avançando tanto as tecnologias quanto usos finais bem-sucedidos na indústria."

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