Futura Manufatura de Compósitos: Sinergia entre AFP e Manufatura Aditiva

“Sobreimpressão” em superfícies CFRP pré-fabricadas e suportes (canto superior esquerdo), hibridização de processos como impressão 3D e enrolamento de filamento (canto superior direito), impressão 3D de núcleos sobre laminados AFP e peles AFP sobre núcleos impressos em 3D (canto inferior direito) e CEAD AM Flexbot impressão 3D a 45 graus (canto inferior esquerdo). Crédito da foto: TU Munich, Cadeira de Compósitos de Carbono

Em setembro, participei do simpósio virtual "FUTURE COMPOSITE MANUFACTURING – AFP & AM", referente a colocação automática de fibra (AFP) e manufatura aditiva (AM). Este simpósio foi hospedado pela Cadeira de Compósitos de Carbono (LCC) na Universidade Técnica de Munique (TUM, Munique, Alemanha). O evento também incluiu o parceiro de pesquisa da TUM, Universidade Nacional Australiana (ANU, Canberra). O simpósio revisou capacidades de P&D de compósitos tanto na TUM quanto na ANU, bem como projetos concluídos e em andamento com parceiros industriais incluindo AFPT, Airbus, BMW, CEAD, DLR, Fraunhofer, GKN Aerospace, INOMETA, SGL Carbon e Victrex.

A colaboração da TUM com ANU começou em 2010 com o projeto AutoCRC para desenvolver tanques de armazenamento de gás natural comprimido (GNC) a partir de compósitos termoplásticos. P&D conjunto continuou desde então, incluindo a formação do centro do Conselho Australiano de Pesquisa para Manufatura Automatizada de Compósitos Avançados (AMAC) e três principais áreas de foco na ANU:

• Aprimoramento de materiais
  • Materiais e revestimentos nanoescala para aprimoramento de propriedades funcionais de compósitos de carbono
  • Fitas pré-impregnadas aprimoradas com grafeno para condutividade térmica e elétrica
• AFP a laser
  • Projeto com Ford para desenvolver aço reforçado com compósito
  • Controle digital de viés de aquecimento, ex: estabilidade de processo para cantos/geometrias 3D
• Diagnósticos avançados com tomografia computadorizada de raios-X

 

Crédito da foto: “Novos Horizontes pela Fusão de AFP e AM” por Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler, Simpósio TUM Set 2020.

 

Crédito da foto: Klaus Drechsler, Simpósio TUM Set 2020.

Ele discutiu as semelhanças entre extrusão de material (MEX), o processo mais comum usado para impressão 3D de compósitos reforçados com fibra, e AFP ISC:

• Tratamento térmico local, recorrente
• Design baseado em camadas & propriedades de material ortotrópicas
• Colocação de material ao longo de caminhos programados 2D & 3D e ativação térmica entre camadas.

Drechsler então discutiu as necessidades futuras para compósitos e como combinar AFP e MEX poderia fornecer soluções, incluindo ferramentas de curto prazo e estruturas leves de alto desempenho de longo prazo que são tanto custo-eficientes quanto ecologicamente sustentáveis.

Ao delinear capacidades da LCC, Drechsler deu uma visão geral de seus equipamentos MEX assim como projetos de P&D passados e em andamento em manufatura aditiva.

Quanto a AFP ISC, desenvolvimentos recentes e em andamento na LCC incluem:

• Cabeça de enrolamento de vasilhame para suportar industrialização de estruturas como vasos de pressão, incluindo tanques de armazenamento de hidrogênio
• Controle de malha fechada de aquecimento de feixe de laser
• Uso de rolo refrigerado a fluido para consolidação
• Caracterização de fitas para otimizar ISC.

Desenvolvimentos da LCC em MEX e impressão 3D foram explorados mais a fundo em múltiplas apresentações nos próximos 2 dias.

 

CEAD e impressão 3D de grande escala

A próxima apresentação após a palestra principal de Drechsler foi dada por Maarten Logtenberg, diretor executivo da CEAD (Delft, Holanda). Fundada em 2014, a CEAD vendeu sistemas comerciais baseados em sua tecnologia de Manufatura Aditiva de Fibra Contínua (CFAM), tanto como célula fechada baseada em portal (CFAM Prime) quanto sistema baseado em robô (AM Flexbot). A LCC possui este último (veja tabela acima) e trabalha com LCC em vários projetos (veja artigos CW sobre CEAD e seu trabalho com TUM LCC).

Destaques da apresentação de Logtenberg incluíram desenvolvimento de soluções híbridas da CEAD que integram fresamento CNC, mesas de impressão aquecidas grandes (1,2m x 3m e 1,2m x 2m) e mesas de impressão rotativas aquecidas. Também está buscando células ainda maiores e impressão a 45 graus, bem como impressão de ferramentas reforçadas com fibra para produção em série em autoclave de peças de aeronaves comerciais.

Logtenberg notou que um dos principais desafios para ferramentas de autoclave impressas em 3D é expansão térmica e ferramentas muito maiores que 4 metros tendem a expandir demais (veja “Ferramentas aditivas híbridas de grande formato”), dificultando compensar suficientemente via design de ferramenta. A solução que ele propôs é substituir o reforço de fibra picada usado até agora por fibra contínua depositada por sistemas como AM Flexbot.

Este caminho adiante foi secundado na apresentação, “Introdução de Intensificadores de Trilho Impressos em 3D para Produção de Flap Compósito” dada por Thomas Herkner na GKN Aerospace em Munique, Alemanha. Estes intensificadores CFRP impressos em 3D são usados como ferramentas na produção de flaps de pouso CFRP para Airbus A350 e A330. Embora este programa bem-sucedido na GKN tenha usado reforço de fibra picada, Herkner mostrou um roteiro para desenvolvimento adicional que incluía uso de fibra contínua em ferramentas impressas em 3D bem como, eventualmente, nas próprias peças de aeronaves.

Este caminho adiante foi bem explicado pelo pesquisador da LCC Patrick Consul em um blog recente da CW:

Consul também apresentou no simpósio TUM, olhando para design de processo para AM de extrusão de grande escala. Ele discutiu como as transições de vidro e fase mostradas abaixo representam a maior mudança nas propriedades de material de pellets reforçados com fibra picada que são derretidos e extrudados em sistemas de impressão 3D como CFAM e AM Flexbot.

 

O trabalho de Consul analisou como parâmetros MEX como viscosidade do polímero, temperatura de extrusão e torque afetam a cristalinidade no compósito impresso, que por sua vez influencia a capacidade de soldar camadas juntas durante impressão 3D. Além desta ligação camada-a-camada, Consul também explorou alinhamento de fibra e tensão residual nas camadas impressas. Uma solução apresentada foi usar um laser para pré-aquecer o substrato durante impressão — amplamente usado hoje em ISC AFP de compósitos termoplásticos — assim, transferindo conhecimento de AFP para AM. Experimentos iniciais usaram um anel de diodos de laser controláveis.

O colega de Consul, Matthias Feuchtgruber, apresentou mais tarde no dia, avançando de design de processo e caracterização de material para desenvolvimento de uma cadeia de processo virtual para compósitos AM.

Alexander Matschinski então apresentou sobre integração de fibras contínuas em compósitos AM, apresentando o gráfico abaixo, que se tornou a base para o gráfico emendado que usei no artigo do Suplemento Next-Gen da CW sobre impressão 3D de fibra contínua. Matschinski também discutiu trabalho em design de estruturas AM de fibra contínua e desenvolvimento futuro de “sobreimpressão” em peças e superfícies CFRP pré-fabricadas.

Outras aplicações interessantes de fibras contínuas foram mostradas por Dr. Christopher Ebel na SGL Carbon, incluindo para reforçar estruturas de subcarroceria de aço para automotivo, reduzindo contagem de peças de 37 para 9 e cortando peso em 41%. Outro conceito foi enrolamento 3D usando towpreg impregnado com resina epóxi de cura rápida para estruturas otimizadas para carga. Esta abordagem digitalmente dirigida começa com simplificação de cargas complexas e otimização de topologia, seguida por manufatura automatizada. Peças resultantes podem explorar travamento de forma de inserções em estruturas, permitindo introdução de carga sem perda de rigidez. Os mais recentes processos de impressão 3D de metal podem ser usados para tais inserções, otimizando ainda mais eficiência de manuseio de carga e redução de custo.

Sebastian Nowotny no DLR discutiu combinação de impressão 3D com ISC AFP de compósitos termoplásticos, incluindo impressão 3D sobre laminados AFP e AFP sobre estruturas 3D impressas parcialmente abertas. Primeiros experimentos incluem impressão 3D de um núcleo sobre uma pele CFRP pré-fabricada e então AFP/deposição de fita sobre o núcleo impresso em 3D. Espécimes foram criados e então submetidos a teste de cisalhamento de tração para avaliar ligação pele-núcleo.

Título do Slideshow

Crédito da foto: Sebastian Nowotny, DLR, Simpósio TUM Set 2020

Teste de cisalhamento de tração de cupons feitos usando hibridização de impressão 3D e AFP. Crédito da foto: Sebastian Nowotny, DLR, Simpósio TUM Set 2020

Crédito da foto: CEAD, Simpósio TUM Set 2020

Futura aplicação de tomografia computadorizada durante produção de compósitos. Crédito da foto: Universidade Nacional Australiana, Simpósio TUM Set 2020

Trabalho de desenvolvimento usando AFP a laser para criar estruturas híbridas CFRP-metal. Crédito da foto: Universidade Nacional Australiana, Simpósio TUM Set 2020

Fitas pré-impregnadas aprimoradas com grafeno para condutividade térmica e elétrica. Crédito da foto: Universidade Nacional Australiana, Simpósio TUM Set 2020

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Christian Weimer, chefe de materiais para Pesquisa Central & Tecnologia da Airbus, discutiu impressão de fibra contínua como parte da paisagem tecnológica em evolução, visando peso reduzido com custos reduzidos e sustentabilidade aumentada que deve ser alcançada para compósitos garantir um lugar em futuras aeronaves. Ele enfatizou que compósitos 3D verdadeiramente eficientes devem empregar:

• Materiais brutos e intermediários certos – fibras, semi-acabados
• Processos e interfaces eficientes – AM termoplásticos, moldagem por injeção
• Design e dimensionamento adaptados – integral, totalmente 3D otimizado para carga)
• Superfície e funcionalidade – ESN (número de série eletrônico), SHM (monitoramento de saúde estrutural)

Ele também discutiu a necessidade de fibras e resinas bio-derivadas para atingir metas urgentes de sustentabilidade climática e ambiental.

O simpósio TUM apresentou muitos mais apresentações, incluindo resumos de trabalho na ANU, e todos foram muito interessantes para mostrar como compósitos estão avançando e como a LCC, trabalhando com parceiros mundialmente, continua a vislumbrar o que compósitos podem alcançar e impulsionar nossa indústria adiante.