Moldes Avançados de CFRP Impressos em 3D para Flaperons RTM, Exoesqueletos e Mais

Crédito da foto: Cátedra de Compósitos de Carbono da TU Munique (LCC) e QPoint Composite

A Cátedra de Compósitos de Carbono (Lehrstuhl für Carbon Composites ou LCC) foi estabelecida em 2009 no departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Técnica de Munique (TUM, Munique, Alemanha) com financiamento da SGL Carbon (Wiesbaden, Alemanha). Sua missão é realizar P&D em materiais, processos e aplicações de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP), incluindo projetos em simulação e teste. Uma "cátedra" no sistema universitário alemão é a menor unidade composta por um professor e sua equipe. A equipe da LCC é liderada pelo Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler e atualmente emprega 30 pesquisadores em tempo integral. Embora o financiamento da SGL tenha terminado em 2016, a LCC continuou sua liderança em P&D de compósitos, que inclui a construção do molde para a metade inferior do Demonstrador de Fuselagem Multifuncional (MFFD), veja a barra lateral abaixo, e agora também inclui impressão 3D/manufatura aditiva.

Este artigo começou quando a CEAD (Delft, Holanda) me informou que a LCC havia comprado um de seus sistemas flexbot baseados em extrusora para impressão 3D usando um braço robótico. Minha subsequente entrevista com o pesquisador da LCC Patrick Consul, no entanto, revelou um tesouro de projetos, incluindo COMBO3D, dentro do Clean Sky 2, para imprimir em 3D um molde RTM de compósito termoplástico para produção de um flaperon de aeronave de compósito termofixo, e EMOTION para produzir a ferramenta para moldar a metade inferior do Demonstrador de Fuselagem Multifuncional (MFFD) de compósito termoplástico do Clean Sky 2, bem como uma ferramenta parcial secundária para demonstrar como a mesma fuselagem poderia ser produzida via consolidação in-situ direta (fora de autoclave). Achei toda a discussão de como a TUM chegou a este ponto e para onde está indo interessante.

Molde da metade inferior do MMFD

Veja meu blog de fevereiro de 2020: "Comprovando soldagem LM PAEK para Demonstrador de Fuselagem Multifuncional". Esta barra lateral é tirada do artigo de fevereiro de 2020, "Desenvolvimento de um Demonstrador de Fuselagem Multifuncional" por Bas Veldman, gerente de programa do MFFD na GKN Fokker (Hoogeveen, Holanda).

A casca da metade inferior do MFFD consiste em uma pele termoplástica, reforçada com longarinas, clipes e quadros soldados. O processo de fabricação a ser demonstrado compreende três etapas principais:

1. Fita pré-impregnada para a grande pele do demonstrador é depositada em uma mesa plana inclinada pela máquina AFP a laser existente da NLR.
2. Os layups são transportados roboticamente com ventosas para um molde de consolidação fêmea e drapados nele sem aquecimento.
3. Após ensacamento a vácuo, a pele é consolidada em autoclave.

O uso de um molde de consolidação fêmea oferece uma superfície muito mais simples (plana) do que para uma ferramenta macho, enquanto controla diretamente as restrições aerodinâmicas na qualidade da superfície externa da pele.

O projeto MFFD também prevê que processos fora de autoclave sejam investigados — começando em paralelo ao grande demonstrador de fuselagem multifuncional — em um demonstrador subsequente de tamanho menor. Em particular, a fabricação de compósito termoplástico in-situ na qual a consolidação é alcançada durante a deposição, será considerada, pois pode eliminar completamente a etapa de autoclave, reduzindo assim a fabricação a um procedimento de etapa única.

Enhanced Mould for Thermoplastic Fuselage in and out of Autoclave Consolidation, ou EMOTION (https://cordis.europa.eu/project/id/864474), é o projeto Clean Sky 2 para produzir a ferramenta do casco inferior do MFFD. "Parece simples", diz Patrick Consul do coordenador do projeto, TU Munique, "mas é na verdade bastante desafiador, pois precisa ser aquecido a 400°C. Isso está bem acima da faixa de temperatura na qual o Invar36 não tem um CTE [coeficiente de expansão térmica] significativo." O Invar é comumente usado para ferramentas de moldagem de compósitos devido à sua baixa expansão durante ciclos de cura de alta temperatura. No entanto, o CTE do Invar aumenta com a temperatura. "O desafio", observa Consul, "será controlar a expansão térmica durante aquecimento e resfriamento para o molde de 8 metros por 4 metros e a pele da fuselagem durante a cura."

Progresso na manufatura aditiva

"Somos 8-9 pessoas trabalhando em manufatura aditiva dentro da LCC", diz Consul. Ele começa a história deste trabalho com a compra da LCC de uma máquina de colocação de fita termoplástica a laser da AFPT (Dörth, Alemanha) em 2012. Mais tarde, adicionou uma máquina da Coriolis Composites (Quévén, França) para permitir colocação automatizada de fibra (AFP) de pré-impregnados termofixos. As primeiras impressoras desktop baseadas em filamento foram compradas em 2017. "Também entrei em 2017 para ajudar no desenvolvimento de novas aplicações e projetos de pesquisa, incluindo redação de propostas, por exemplo, para o Clean Sky 2." Ele explica que os projetos Clean Sky 2 são concedidos com base em propostas submetidas a gerentes de tópicos em resposta a Chamadas para Propostas (CFP) publicamente lançadas. A LCC teve sucesso em suas propostas para os projetos CFP08 COMBO3D e CFP09 EMOTION. Ambos são discutidos abaixo.

"Temos alguns outros projetos, alguns olhando para impressão 3D com reforços de fibra contínua", diz Consul. "Outros usam uma cabeça de impressão integrada a laser para pré-aquecer o substrato compósito para imprimir em peças CFRP já consolidadas ou para aumentar a resistência ao cisalhamento interlaminar (ILSS) entre camadas impressas. Outro projeto explora aplicações de ferramentas, por exemplo, onde você tem um baixo número de peças compósitas especializadas."

"Esses projetos são continuamente apoiados por simulações numéricas para prever o comportamento das peças manufaturadas aditivamente durante e após o processo de impressão", ele continua. "A LCC também está envolvida em um projeto com o Imperial College of London que visa fabricar exoesqueletos usando CFRP impresso em 3D. Outro projeto pesquisa estruturas de treliça para otimizar as propriedades de peças impressas em 3D em relação a rigidez, resistência ou absorção de energia."

Progresso nas impressoras

"Começamos usando uma impressora 3D simples baseada em FDM (modelagem por deposição fundida) da Apium (Karlsruhe, Alemanha) para imprimir fixadores de teste especializados que precisam de alta rigidez", explica Consul. "A impressora tinha 3 metros de comprimento por 1 metro de largura com alta saída de material para reduzir tempo de impressão. Embora não pudesse usar fibra contínua, era bem projetada para impressão com PEEK, PEKK e PEEK reforçado com fibra de carbono picada. Não apenas usava uma mesa aquecida, mas também uma placa aquecida ao redor do cabeçote de impressão, o que ajudava a produzir distribuição de temperatura homogênea nas impressões, reduzindo tensão térmica e garantindo cristalização."

"Também tivemos uma impressora Markforged (Cambridge, Mass., EUA) por um tempo e depois conseguimos uma Anisoprint [Esch-sur-Alzette, Luxemburgo]", diz Consul. Embora a impressora Markforged permitisse FDM com fibra contínua, a equipe da LCC optou por não mantê-la. "O problema que tivemos foi que o sistema era muito fechado", explica Consul. "O software fatiador da Markforged era muito difícil de usar para pesquisa porque limitava severamente o que podíamos fazer. Só podíamos imprimir uma camada de material de fibra contínua e depois uma camada de filamento termoplástico reforçado com fibra curta por cima. O fatiador que gera o código não aceitava G-code nosso. Então, não havia como dizer à máquina para imprimir do jeito que queríamos com fibra contínua em cada camada, etc."

Quando questionado sobre isso, a Markforged explica que seus sistemas nunca foram destinados a serem usados para pesquisa, mas sim projetados para serem simples e robustos para uso generalizado na fabricação de peças, utilizando roteamento de fibra baseado em regras e exigindo baixo esforço e tempo para configurar o fatiador. Seu software Eiger permite que os usuários configurem camadas individualmente, e a Markforged acolhe feedback e prioriza melhorar a experiência do usuário para seus clientes.

"A Anisoprint, que usa um fatiador G-code completamente aberto, nos deu mais acesso ao processo", diz Consul. "Também é capaz de imprimir fibra de carbono contínua e não apenas em camadas 2D, mas também fora do plano, em curvas 3D. Temos uma cabeça de impressão Anisoprint para um pequeno robô Kuka, capaz de produzir peças de 1 metro por 1 metro, o que é maior que a maioria dos desktops, mas pequeno para um sistema robótico."

E quanto aos materiais de dupla matriz termofixo-termoplástico (TS-TP) da Anisoprint? Como explicado no meu blog de 2019 sobre Anisoprint "... ele primeiro impregna o reforço de fibra contínua com um polímero termofixo e depois extruda isso no filamento termoplástico fundido durante a impressão." Consul responde que a adesão entre o filamento TS e o TP é muito boa. "Em nossos primeiros testes, conseguimos maior teor de fibra em comparação com a impressora Markforged, mas isso foi porque podíamos modificar o G-code. A cabeça de impressão Anisoprint empurra o filamento TS no TP e depois deposita isso. Estamos planejando usar essa impressora para peças de exoesqueleto. É uma maneira fácil de obter fibras de maior resistência integradas."

Impressoras de pellets extrudados

A próxima progressão foi para uma impressora de grande escala, primeiro com TP reforçado com fibra curta e depois com fibra contínua TP. "Primeiro desenvolvemos um extrusor montado em um robô, e então nosso interesse na máquina CEAD seguiu rapidamente. Estamos esperando integrar fibra contínua em ambos os sistemas no próximo ano."

Mas por que vocês precisavam da máquina CEAD se já tinham um extrusor em um braço robótico? "O extrusor inicial era a versão beta de um extrusor de pellets Dyze Pulsar, que produz no máximo cerca de 2 kg/h e aproximadamente 1 kg/h com PAEKs, mas luta com mais de 20% de carga de fibra de carbono", diz Consul. "No entanto, a saída média é menor porque o robô acelera e desacelera frequentemente durante a impressão. Para o COMBO3D, as metades iniciais do molde em pequena escala já exigiam pelo menos 36 quilogramas, então precisávamos de cerca de 48 horas para imprimir uma única metade. Também tínhamos que ter alguém sempre com ela porque erros, como uma linha de alimentação de material bloqueada ou empenamento da peça, podiam acontecer a qualquer momento."

Como o demonstrador final do COMBO3D é cerca de 10 vezes maior que as peças iniciais em pequena escala, imprimi-lo usando este primeiro sistema de extrusor não era viável, diz Consul. "Além disso, alguns dos materiais que a Victrex nos forneceu tinham viscosidade mais alta e este primeiro extrusor não conseguia fornecer torque suficiente para extrudar esses polímeros. Com a impressora CEAD, temos uma saída máxima de cerca de 12,5 kg/h, e após algumas horas de testes, tivemos uma saída média estável de cerca de 5-6 kg/h. Isso nos permitiu imprimir a metade do molde em pequena escala em menos de 8 horas e nos permite usar teores de fibra mais altos para reduzir o empenamento, tornando o processo globalmente mais fácil de controlar."

"Então, enquanto o Pulsar já nos permitia usar pellets, alcançar alta saída de material e aproveitar os graus de liberdade de um robô", ele continua, "a impressora CEAD estende nossas capacidades para peças maiores, teores de fibra mais altos e uma gama mais ampla de polímeros. O Pulsar faz a ponte entre nossas impressoras baseadas em filamento e a CEAD, não apenas em saída, mas também no tamanho do bico e no detalhe resultante das impressões."

Dados técnicos do CEAD AM Flexbot:

• Extrusão baseada em pellets imprime até 12,5 kg/h (não reforçado e reforçado com fibra curta)
• Processamento de materiais até 450°C
• Volume de construção 3000 x 1200 x 1700 milímetros
• Mesa de construção em mesa rotativa ou mesa plana (aquecível)
• Retrabalho por meio de cabeça de fresamento.

COMBO3D

O objetivo deste projeto Clean Sky 2 é imprimir em 3D um molde para produzir um flaperon compósito demonstrador (1,5 por 3 metros) para uma grande aeronave de passageiros, parte do Work Package A-3.1: Asa multidisciplinar para alta e baixa velocidade. O objetivo de usar manufatura aditiva é encurtar o tempo de espera para produção de ferramentas. O projeto começou em janeiro de 2019 e terminará em março de 2021. Parceiros incluem Alpex Technologies (Mils bei Hall, Áustria), especialista em metais leves Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen (Ranshofen, Áustria) e Victrex (Thornton Cleveleys, Reino Unido), fornecedora do termoplástico de alto desempenho poliariletercetona (PAEK).

Outra parte chave do projeto é demonstrar que este flaperon de fibra de carbono/epóxi pode ser feito com moldagem por transferência de resina (RTM) em vez de pré-impregnado curado em autoclave. A peça RTM curará a mesma temperatura de 180°C das peças de autoclave. Para garantir estabilidade térmica, a ferramenta será impressa com PAEK reforçado com fibra de carbono curta, que tem temperatura de fusão de 305°C.

Para encurtar o ciclo de cura, o molde impresso em 3D integrará controle de temperatura ativo. "Devemos ser capazes de aquecer e resfriar o molde mais rápido comparado ao autoclave", observa Consul. "Usaremos uma malha de elementos de aquecimento elétrico 3 milímetros abaixo da superfície do molde e também integraremos canais impressos para óleo ou ar aquecido a 6 milímetros abaixo da superfície do molde. Dessa forma, podemos aquecer a superfície do molde muito rapidamente, mas também usar os canais para aquecer todo o volume da ferramenta. Estamos visando uma taxa de aquecimento e resfriamento 50% mais rápida que o autoclave e nos sentimos confiantes de que podemos alcançar pelo menos uma taxa 30% mais rápida."

Quais são os elementos de aquecimento a serem integrados na impressão 3D? "Usamos colocação de fibra personalizada (TFP) de rovings de carbono em um tecido de fibra de vidro como elementos de aquecimento para realizar diferentes zonas de aquecimento em um molde CFRP para pá de rotor de helicóptero", explica Consul. "Isso foi para um projeto Clean Sky 1 que completamos trabalhando com a QPoint Composite (Dresden, Alemanha). Trabalharemos com um conceito semelhante no molde COMBO3D."

Todo o desenvolvimento da ferramenta impressa é apoiado por simulação. O design da ferramenta será otimizado implementando o sistema de aquecimento e resfriamento em uma simulação térmica. O processo de fabricação também será simulado, apoiando o processo de impressão gerando conhecimento sobre a distribuição de temperatura durante a impressão e correlacionando-o com planejamento de caminho.

Instalação da máquina CEAD e progresso do projeto

"O sistema CEAD foi entregue muito rapidamente — do pedido à instalação foram apenas 6 meses", diz Consul. "Neste momento, havíamos completado testes de materiais, projetado a ferramenta de placa e começado a imprimir peças pequenas. Estávamos preocupados que levaria muito tempo para fazer o processo funcionar bem com o CEAD AM Flexbot, mas funcionou bem nos primeiros testes."

Ferramenta de placa? "É um molde pequeno, já integrando canais de resfriamento e elementos de aquecimento para produzir placas CFRP para testes de cupom", ele explica. "Este teste era para garantir que a qualidade de nosso molde RTM CFRP impresso em 3D será comparável ao CFRP atual que a Saab produz com seu processo de autoclave."

Infelizmente, o projeto foi interrompido pela COVID-19, "mas agora tudo está indo bem e estamos nos recuperando", diz Consul. E quanto ao uso de PAEK para o molde impresso em 3D? "O único problema atualmente é que o Tg [temperatura de transição vítrea] para PAEK é 130-140°C, que é menor que a cura de 180°C para a peça de demonstração", observa Consul. "Então, ainda temos que ver quantos ciclos podemos completar na temperatura de cura antes que aconteça fluência ou a superfície seja danificada."

Máquina CEAD em outros projetos?

"Estamos nos candidatando a um projeto em ferramentas aeroespaciais que começa no próximo ano com a GKN Aerospace Deutschland (Munique) usando a máquina CEAD e polietersulfona (PESU)", diz Consul. [Nota: A GKN na Alemanha fabrica flaps de asa compósitos para o A330 e A350, bem como ailerons para a família de jatos executivos Bombardier Global.] "A CEAD fará parte deste projeto responsável pelo desenvolvimento de máquina para fibras de carbono contínuas. Também estamos planejando usar a máquina CEAD internamente para fazer moldes protótipos para RTM que de outra forma seriam subcontratados. Isso nos dá um benefício em acelerar o trabalho."

Consul observa que o PESU tem um Tg mais alto que o PAEK. "Também é amorfo, não semicristalino, então deve ser mais fácil de imprimir, embora a resistência à fluência possa ser um problema. O que estamos tentando fazer é evitar PEI (polietermida). No passado, analisamos a questão da ligação de PEI a resina epóxi. RTM6 [epóxi para RTM] dissolve PEI, o que impulsiona boa adesão entre os dois. Isso é exatamente o que você não quer em moldes impressos em 3D que precisam liberar as peças, não grudar nelas."

Futuro industrial (e voador) de compósitos impressos em 3D

Discutindo alguns dos outros projetos que a LCC está perseguindo em manufatura aditiva, pergunto a Consul o que impediu o CFRP em exoesqueletos? "Como os exoesqueletos precisam ser adaptados a cada usuário, as peças são especializadas, então o volume não é grande", ele responde. "Nosso projeto visa permitir a produção de componentes de exoesqueleto de membro inferior específicos para cada paciente para permitir a produção de um exoesqueleto específico para o paciente em menos de 24 horas. Esses exoesqueletos apoiarão a reabilitação de pacientes com AVC com base em seus perfis biofísicos e necessidades únicas de reabilitação médica." (Veja o artigo da CW, "Exoesqueleto C-FREX depende de CFRP...")

"As pessoas têm o conceito de que a impressão 3D pode imprimir qualquer peça, mas primeiro você precisa ter experiência com impressão 3D e com compósitos. Por exemplo, há frequentemente problemas com adesão camada a camada e anisotropia que devem ser entendidos. Peças compósitas impressas em 3D não serão o mesmo design que as atualmente feitas de plástico e metal."

Ele observa que ainda há questões a superar para usar compósitos impressos em 3D para produção de peças de aeronaves de alto desempenho, por exemplo: Como você projeta essas peças para manufatura aditiva? Como você identifica peças onde a manufatura aditiva agrega valor? "Ferramentas aeroespaciais é o principal campo de aplicações que nossa equipe está olhando agora", diz Consul. "Imprimir o molde em 3D se encaixa bem. Esses moldes devem suportar todas as mesmas condições de cura das peças, mas há menos risco associado a moldes vs. peças voadoras. Um bom exemplo são reforços de nervuras para asas, onde há um alto número de peças diferentes, mas não muitos ciclos por peça. Então, esta é uma boa maneira de gerar experiência com a tecnologia. É cedo demais para tentar peças estruturais que voarão. Visaremos isso a longo prazo, mas imprimir ferramentas nos permitirá estabilizar o processo de impressão 3D o suficiente com propriedades de alto desempenho e também desenvolver a capacidade de prever com precisão essas peças e processos em simulação."