Leonardo e CETMA Revolucionam Materiais Compósitos para Cortar Custos e Reduzir Impacto Ambiental

Este blog é baseado em minha entrevista com Stefano Corvaglia, engenheiro de materiais, chefe de pesquisa & desenvolvimento e gerente de PI da Divisão Aerostructures da Leonardo (instalações de produção em Grottaglie, Pomigliano, Foggia, Nola, sul da Itália) e Dr. Silvio Pappadà, engenheiro de pesquisa e chefe de programas com a Leonardo no CETMA (Brindisi, Itália).

A Leonardo (Roma, Itália) é um dos principais players mundiais em Aeroespacial, Defesa e Segurança com 13,8 bilhões de euros em receitas e mais de 40.000 funcionários em todo o mundo. A empresa fornece soluções abrangentes em escala global para ar, terra, mar, espaço, ciber & segurança e sistemas não tripulados. Com cerca de € 1,5 bilhão (11% das receitas em 2019) dedicados a P&D, a Leonardo está classificada em 2º na Europa e 4º mundialmente em termos de investimentos em pesquisa no setor Aeroespacial e de Defesa.

Através de sua Divisão Aerostructures, a Leonardo fornece fabricação e montagem de grandes componentes estruturais, incluindo fuselagens e empenagens, em compósitos e materiais tradicionais para os principais programas de aeronaves civis do mundo.

Em materiais compósitos, a Divisão Aerostructures da Leonardo produz "barris de uma peça" para as seções centrais da fuselagem 44 e 46 do Boeing 787 em sua fábrica de Grottaglie, bem como estabilizadores horizontais em sua fábrica de Foggia — totalizando cerca de 14% da estrutura do 787. Outras produções de estruturas compósitos incluem, em sua Fábrica de Foggia, fabricação e montagem de empenagens para aeronaves comerciais ATR e Airbus A220. Foggia também produz peças compósitos para o Boeing 767 e para programas militares, incluindo o Joint Strike Fighter F-35, caça Eurofighter Typhoon, transporte militar C-27J e Falco Xplorer, o mais novo membro da família Falco de aeronaves não tripuladas produzidas pela Leonardo.

Trabalhando com CETMA

"Temos muitas atividades em andamento com o CETMA, por exemplo, em compósitos termoplásticos e moldagem por transferência de resina (RTM)", diz Corvaglia. "Nosso objetivo é ter atividades de P&D prontas para produção no menor período possível. Em nosso departamento (P&D e gestão de PI), também olhamos para tecnologias disruptivas com um TRL [nível de prontidão tecnológica — ou seja, TRL mais baixo é mais nascente e mais distante da produção] mais baixo, mas buscamos ser mais competitivos e auxiliar nossos clientes mundialmente."

"Desde o início de nosso trabalho juntos", adiciona Pappadà, "sempre buscamos manter custo e impacto ambiental baixos. Descobrimos que compósitos termoplásticos (TPC) oferecem redução em ambos versus termofixos."

Corvaglia nota que, "juntamente com a equipe do Silvio, desenvolvemos estas tecnologias e construímos alguns protótipos de células automatizadas para avaliar estas em produção."

Moldagem por compressão contínua (CCM)

"CCM é um bom exemplo de nosso trabalho juntos", diz Pappadà. "A Leonardo identificou alguns componentes feitos em compósitos termofixos e juntos exploramos tecnologia para fornecer estes em TPC, olhando onde há grandes números de peças na aeronave, como estruturas de emenda e montantes com geometria simples."

"Precisávamos de uma nova tecnologia de produção caracterizada por baixo custo e alta taxa", ele continua. Ele aponta que no passado, componentes TPC únicos eram fabricados com grande quantidade de desperdício. "Então, produzimos formas líquidas baseadas em moldagem por compressão não isotérmica mas com algumas inovações (patentes em andamento) para reduzir sucata. Projetamos uma célula totalmente automatizada para isso, que uma empresa italiana então construiu para nós."

Esta célula é capaz de produzir os componentes que a Leonardo projetou, diz Pappadà, "a uma taxa de um componente a cada 5 minutos, trabalhando 24 horas/dia." No entanto, sua equipe então teve que descobrir a produção do pré-forma. "No início, precisávamos de um processo de laminação plana, pois este era o gargalo naquele momento", ele explica. "Então nosso processo começa com um blank (laminado plano), aquece este em um forno infravermelho (IR) e então em uma prensa para moldagem. Laminados planos são geralmente produzidos usando grandes prensas e requerem 4-5 horas de tempo de ciclo. Decidimos investigar um novo método capaz de produzir laminados planos de forma mais rápida. Assim, desenvolvemos uma linha CCM de alta produtividade no CETMA com apoio de engenheiros da Leonardo. Reduzimos tempo de ciclo para uma peça de 1 metro por 1 metro para 15 minutos. Importantemente, é um processo contínuo, então podemos produzir comprimentos ilimitados."

Mas como isso é novo comparado ao CCM usado por mais de uma década pela Xperion, agora XELIS (Markdorf, Alemanha)? "Desenvolvemos modelos analíticos e numéricos capazes de prever defeitos como vazios", diz Pappadà. "Fizemos isso em cooperação com a Leonardo e a Universidade de Salento (Lecce, Itália) para entender parâmetros e sua influência na qualidade. Usamos estes modelos para desenvolver este novo CCM onde podemos ter espessura muito alta mas também alta qualidade. Graças a estes modelos, podemos otimizar temperatura e pressão mas também como aplicar estes. Há muitos aspectos tecnológicos que você pode desenvolver para ter distribuição uniforme de temperatura e pressão; no entanto, precisávamos entender o impacto destes no desempenho mecânico e crescimento de defeitos em estruturas compósitos."

Pappadà continua, "Nossa tecnologia é mais flexível. Além disso, CCM foi desenvolvido há 20 anos, mas não há informação sobre ele porque as poucas empresas que o usaram não compartilharam conhecimento e know-how. Então, tivemos que começar do zero, apenas com nosso conhecimento de compósitos e processamento."

"Agora estamos trabalhando através de programas internos e com nossos clientes para encontrar peças para estas novas tecnologias", diz Corvaglia. "Estas peças podem ser redesenhadas e requalificadas para iniciar produção." Por quê? "O objetivo é ter um avião tão leve quanto possível mas também competitivo em preço. Então, também devemos otimizar com espessura. Mas podemos descobrir que uma peça pode ir ainda mais leve ou identificar múltiplas peças com forma similar, o que poderia permitir economias de custo significativas."

Até agora, ele reitera, esta tecnologia esteve nas mãos de poucos. "Mas desenvolvemos tecnologias alternativas para tornar estes processos ainda mais automatizados adicionando conformação de prensa mais avançada. Colocamos um laminado plano e sai uma peça, pronta para ir. Estamos na fase de redesenhar peças e desenvolver CCM plano versus moldado."

"Agora temos no CETMA uma linha CCM que é muito flexível", diz Pappadà, "onde podemos aplicar diferentes pressões conforme necessário para alcançar formas complexas. A linha que desenvolveremos junto com a Leonardo será mais focada em componentes que atendam às suas necessidades específicas. Acreditamos que poderíamos ter diferentes linhas CCM para painéis planos e longarinas-L versus formas mais complexas. Dessa forma, podemos manter o custo do equipamento menor versus as grandes prensas atualmente usadas para produzir peças TPC de geometria complexa."

Soldagem por indução para consolidação in-situ

"Soldagem por indução é muito interessante para compósitos porque é possível sintonizar e controlar temperatura muito bem, aquecer muito rapidamente e controlar muito precisamente", nota Pappadà. "Com a Leonardo, desenvolvemos soldagem por indução para unir componentes TPC. Mas agora estamos pensando em usar soldagem por indução para consolidação in-situ (ISC) de fitas TPC. Para fazer isso, desenvolvemos nova fita de fibra de carbono que pode ser aquecida muito rapidamente por soldagem por indução usando uma máquina dedicada. A fita usa os mesmos materiais de matriz que fitas comerciais mas com uma arquitetura diferente que melhora o aquecimento eletromagnético. Estamos otimizando o desempenho mecânico mas também pensando no processo, tentando combinar diferentes necessidades, por exemplo como processar custo-efetivamente com automação."

Ele aponta que ISC é muito difícil de alcançar com fita TPC em boas taxas de produção. "Para ter isso para produção industrial, você deve aquecer e resfriar mais rápido e aplicar pressão de forma muito controlada. Então, decidimos usar soldagem por indução para aquecer apenas uma pequena região onde estamos consolidando material mas deixar o resto do laminado frio." Soldagem por indução usada para montagem tem um TRL mais alto, diz Pappadà.

Usar aquecimento por indução para consolidação in-situ parece muito disruptivo — algo que nenhum OEMs ou fornecedores de nível 1 estão fazendo abertamente neste momento. "Sim, esta é possivelmente tecnologia disruptiva", diz Corvaglia. "Patenteamos a máquina e os materiais. Estamos visando algo que possa ser comparável a compósitos termofixos. Muitos tentaram AFP (colocação automatizada de fibra) com TPC mas têm que fazer uma etapa secundária para consolidação. Esta é uma grande limitação em termos de geometria, custo, tempo de ciclo e tamanho de peças. Podemos de fato mudar a forma de produzir peças aeronáuticas."

SQRTM

Além de termoplásticos, a Leonardo continua a olhar para tecnologias RTM. "Esta é outra área onde trabalhamos com CETMA e patenteamos novos desenvolvimentos baseados em uma tecnologia mais antiga, neste caso, SQRTM. Same qualified resin transfer molding (SQRTM) foi inicialmente desenvolvido pela Radius Engineering (Salt Lake City, Utah, EUA). "Ter um método fora de autoclave (OOA) que nos permite usar material já qualificado é importante", diz Corvaglia. "Também nos permite usar pré-impregnados que têm propriedades e qualidade bem conhecidas. Projetamos, demonstramos e patenteamos um quadro de janela de aeronave usando esta tecnologia."

"Esta também é tecnologia mais antiga, mas se você for na web, não encontra info sobre esta técnica", nota Pappadà. "O que é importante é que, novamente, estamos usando modelos analíticos para prever e otimizar parâmetros de processo. Com esta tecnologia, podemos ter boa distribuição de resina — sem regiões secas ou acúmulo de resina — e teor de vazios próximo de zero. Podemos produzir alto desempenho estrutural porque podemos controlar teor de fibra, e esta tecnologia pode ser usada para produzir formas complexas. Estamos usando os mesmos materiais qualificados para cura em autoclave, mas em um método OOA, mas você também poderia decidir usar resinas de cura rápida para reduzir tempo de ciclo para minutos."

"Mesmo com pré-impregnado atual, reduzimos o tempo de cura", nota Corvaglia. "Por exemplo, comparado a um ciclo normal de autoclave de 8-10 horas, podemos alcançar 3-4 horas com SQRTM para uma peça como um quadro de janela. Calor e pressão são aplicados diretamente na peça, e a massa para aquecer é menor. Além disso, aquecer a resina líquida versus o ar em um autoclave é mais rápido e a qualidade da peça é excepcional, o que é uma vantagem especialmente para formas complexas. Não há retrabalho, vazios próximos de zero e excelente qualidade de superfície porque a ferramenta está controlando, não uma bolsa de vácuo."

Futuro visionário, baseado em tecnologia

A Leonardo está produzindo inovação em um grande e diverso conjunto de tecnologias. Devido à rápida evolução da tecnologia, ela vê investimento em P&D de alto risco (TRL baixo) como crucial para desenvolver as novas tecnologias requeridas para produtos futuros, que vão além do desenvolvimento incremental (curto prazo) que já sustenta em produtos atuais. Tal combinação de estratégias de curto e longo prazo são combinadas no Plano Mestre de P&D 2030 da Leonardo, uma visão unificada para uma empresa sustentável e competitiva.

Como parte deste plano, está lançando os Leonardo Labs, uma rede internacional de laboratórios corporativos de P&D dedicados a pesquisa avançada e inovação tecnológica. Para 2020, a empresa buscará abrir os primeiros seis Laboratórios Leonardo nas áreas de Milão, Turim, Gênova, Roma, Nápoles e Taranto e está recrutando 68 pesquisadores (Leonardo Research Fellows) com habilidades nas seguintes áreas: 36 posições em Inteligência Artificial e sistemas autônomos inteligentes, 15 em análise de big data, 6 em computação de alto desempenho, 4 em eletrificação de plataformas aeronáuticas, 5 em materiais e estruturas e 2 em tecnologias quânticas. Os Leonardo Labs desempenharão o papel de postos avançados de inovação e geradores das futuras tecnologias da Leonardo.

Notavelmente, as tecnologias que a Leonardo comercializa em aeronaves também podem ter aplicações em suas divisões terrestre e marítima. Fique atento para mais atualizações sobre a Leonardo e seu potencial impacto em compósitos.