Fraunhofer IPT Automatiza Produção de Pás de Ventilador de Motor em CFRP Termoplástico, Aumentando Eficiência

Materiais para aeronaves devem ser altamente resistentes e, ao mesmo tempo, o mais leves possível. Oferecendo ambas as características, os plásticos reforçados com fibra de carbono (CFRP) têm sido cada vez mais utilizados em pás de ventilador de motores aeronáuticos (veja "Rolls-Royce inicia fabricação das maiores pás de ventilador do mundo"). No entanto, a produção desses componentes é muito demorada e cara, pois precisam curar por várias horas em autoclave. Uma equipe de pesquisa do Instituto Fraunhofer de Tecnologia de Produção (IPT, Aachen, Alemanha) busca automatizar ainda mais a produção de pás de ventilador em CFRP.

A produção de muitos componentes em CFRP já é parcialmente automatizada. Pré-impregnados semiacabados (prepregs) — tipicamente feitos de resina epóxi reforçada com fibra — são aplicados e orientados em camadas finas para criar um empilhamento personalizado. Este é então curado sob pressão e calor em um processo de autoclave intensivo em energia, custo e tempo. O Fraunhofer IPT vem pesquisando as possibilidades de automatizar ainda mais a fabricação de pás em CFRP para torná-las ainda mais econômicas.

No entanto, esses pesquisadores não estão contando com materiais à base de resina epóxi, mas sim com termoplásticos reforçados com fibra de carbono. Esses materiais já são usados em estruturas voadoras há décadas, possuem boas propriedades de construção leve combinadas com excelente comportamento ao impacto e podem ser processados de forma rápida e flexível de maneira automatizada. Por serem termoplásticos, não requerem reticulação química para endurecer, apenas aquecimento para fusão e pressão para consolidação durante resfriamento controlado. Eles também podem ser reaquecidos e remodelados.

Os compósitos termoplásticos são, portanto, muito mais adequados para processos de manufatura eficientes, explica o Dr.-Ing. Henning Janssen, chefe do departamento de tecnologia de sistemas a laser e compósitos de fibra do Fraunhofer IPT. Em várias séries de testes, sua equipe conseguiu pela primeira vez combinar dois desses processos para produção de pás de ventilador: colocação automatizada de fitas (tape laying) e conformação.

Cadeia de processo flexível: colocação automatizada de fitas e termoformagem

Com um sistema de colocação de fitas totalmente automatizado, um desenvolvimento proprietário do Fraunhofer IPT licenciado comercialmente, fitas termoplásticas unidirecionais (UD) reforçadas são depositadas em camadas umas sobre as outras de acordo com a direção de carga requerida na estrutura. Assim, cria-se um painel multicamada, altamente resistente e flexível, a chamada "organic sheet". Os pesquisadores monitoram e documentam cada etapa do processo totalmente automatizado usando vários sensores. Dessa forma, podem olhar para a "caixa preta" da produção durante o processo e criar uma "sombra digital" para cada organic sheet. Essa imagem virtual da organic sheet real permite identificar desvios de qualidade em estágio inicial e tomar contramedidas apropriadas.

A organic sheet finalizada é aquecida na próxima etapa de produção e conformada próximo à forma final (near net shape) em um processo de termoformagem. Nas séries de testes anteriores, o processo foi inicialmente testado em organic sheets de 16 milímetros de espessura, reforçadas com tecido, feitas de PA12 e fibras de carbono, e em breve será transferido para organic sheets feitas de fitas de PEEK e fibra de carbono.

Séries de testes para fresagem de componentes FRP

Após a termoformagem, as bordas da organic sheet conformada são aparadas e fresadas na forma final. A fresagem de FRP é muito desafiadora devido à estrutura heterogênea do material. Além disso, as fibras de carbono têm efeito altamente abrasivo na aresta de corte da ferramenta de fresa, levando a grande desgaste da ferramenta e qualidade de usinagem flutuante.

Uma possibilidade de aumentar a vida útil da ferramenta é o uso de ferramentas de fresa revestidas com diamante policristalino (PCD). Durante suas tentativas de usinar pás de CFRP em escala menor, os pesquisadores descobriram que a vida útil de ferramentas de fresa revestidas com PCD é significativamente maior que a de ferramentas não revestidas. Além disso, um desenho individualizado da estratégia de fresagem teve influência positiva na qualidade da usinagem.

Implementação em vários contextos de aplicação industrial

Os primeiros resultados com materiais CFRP termoplásticos são promissores: "Conseguimos mostrar que os processos de fabricação encadeados — fabricação e acabamento de pás — funcionam", diz Daniel Heinen, chefe da Unidade de Negócios Turbomáquinas do Fraunhofer IPT. "Conseguimos alcançar qualidades de superfície muito boas tanto na direção radial da pá quanto entre as bordas de ataque e de fuga. Agora, precisamos examinar e otimizar os processos individuais mais de perto."

Projetos de pesquisa estão planejados para os próximos meses nos quais os novos processos serão otimizados e examinados em vários contextos de aplicação industrial. Os cientistas de Aachen estão particularmente interessados no uso de termoplástico de alto desempenho PEEK como matriz e na laminação de tecnologia de sensores dentro da organic sheet. Isso permitiria não apenas monitorar os processos de fabricação, mas também o status do componente durante seu uso posterior no motor. A aplicação da cadeia de processo a outros componentes também é buscada, por exemplo, a estatores e componentes de nacela, bem como componentes fora da indústria da aviação. O Fraunhofer IPT recebe empresas interessadas em participar dos projetos.