Avançando o RAPM com PtFS: Acelerando a Fabricação de Compósitos

Este blog é uma barra lateral online para a matéria de maio de 2020, "Revolutionizing the composites cost paradigm, Part 2: Forming", que discute o programa RApid high-Performance Manufacturing (RAPM, pronunciado "wrap-em") liderado pela The Boeing Co. (Chicago, Ill., EUA), a parte de "conformação" do programa Tailorable Feedstock and Forming (TFF) da DARPA para permitir fabricação rápida, de baixo custo e ágil de peças pequenas e complexas de compósitos.

Todas as três trilhas de material e processo no programa RAPM — infusão de resina, pré-impregnado termofixo e conformação de termoplásticos — incluíram ensaios usando um sistema de controle de aquecimento pixelado e ferramentas Production to Functional Specification (PtFS), fornecido pela Surface Generation, e localizado na Boeing R&T em St. Louis (ver tabela abaixo).

Note que o PtFS foi comercializado há anos. Este blog concerne o desenvolvimento de processo do RAPM usando o sistema PtFS. Referências para este blog incluem:

• Artigo técnico e apresentação de slides do SAMPE 2019 (20-23 maio, Charlotte, N.C.), "Development of Scalable Dynamic Control Architectures for Flexible Composites Manufacturing Work Cells" por Steven M. Shewchuk¹, Ben Halford², Michael P. Matlack¹, Andrew Sharpe² e Pete Massey². ¹The Boeing Company, St. Louis, Mo., EUA. ²Surface Generation Ltd. (Rutland, Reino Unido).
• Artigo técnico do SAMPE 2020, "Compression Molding of Complex Thermoset Laminates" por Travis R. Adams, Timothy J. Luchini, Jared B. Hughes, Steven M. Shewchuk, Adam Martinez e Gail Hahn, The Boeing Company.

Componentes do Sistema PtFS

O sistema PtFS é modular e pode ser completamente autônomo ou usar partes de infraestrutura existente. Para pressão de compactação/consolidação, o sistema pode usar uma prensa hidráulica existente ou um dispositivo de fechamento de ferramenta hidraulicamente atuado. A célula PtFS da Boeing St. Louis é equipada com o último, um dispositivo de fechamento de 150 toneladas métricas projetado pela Surface Generation. Esta célula de moldagem acomoda um volume de peça de 750 por 750 por 100 milímetros.

A célula PtFS da Boeing St. Louis inclui controle de posição e pressão. "O software Orchestrator da Surface Generation é usado para controlar a célula de trabalho CF-OaO-RAPM PtFS", nota a technical fellow da Boeing e gerente do programa RAPM, Gail Hahn. "Cada ferramenta é calibrada no sistema através de ajuste de deslocamento e pressão. A calibração de pressão é conduzida para ajustar a hidráulica às pressões esperadas que a ferramenta experimentará durante o processamento. A calibração de separação e deslocamento da ferramenta é feita para definir a posição aberta/fechada da ferramenta, bem como as regiões de fechamento lento/rápido, que protegem a face da ferramenta durante controle manual e automático." Medidas de posição são completadas com quatro potenciômetros de corda, explica o engenheiro de materiais compósitos da Boeing e pesquisador do RAPM, Steven Shewchuk. "Cada um está localizado em um poste guia do dispositivo de fechamento para medir a posição do platô, bem como fornecer um método de segurança para identificar racking do platô durante a operação. O controle de pressão é completado com um único transdutor de pressão em linha para fornecer controle de realimentação à bomba hidráulica do dispositivo de fechamento."

Acima e abaixo do dispositivo de fechamento estão as unidades base de aquecimento superior e inferior. Estas contêm todos os componentes de aquecimento/resfriamento e operam em resposta a saídas dos gabinetes de controle (três gabinetes para cada unidade base de aquecimento na configuração da Boeing). Faces de ferramenta são projetadas para cada unidade base de aquecimento e instaladas usando um sistema de trilho e carregamento.

Cada face de ferramenta é aquecida e resfriada usando ar comprimido direcionado à face inferior de cada face de ferramenta e disperso via difusor. Cada conjunto de faces de ferramenta de metal combinado são divididas em 180 canais de aquecimento individualmente controláveis — 90 para a face superior e 90 para a inferior. Canais de aquecimento são espaçados a 10,0 centímetros em uma grade através de cada face de ferramenta. Cada canal tem um aquecedor, uma fonte de ar comprimido de dois estágios e dois termopares de realimentação que são carregados por mola para garantir contato íntimo com o verso da face de ferramenta. O aquecimento das faces de ferramenta do RAPM usou 1 pé cúbico por minuto de ar comprimido por canal de aquecimento enquanto o resfriamento usou 3 pés cúbicos por minuto.

Faces de Ferramenta

Faces de ferramenta no RAPM foram usinadas de aço ferramenta para espessura de ≈3 milímetros. A face da ferramenta inferior para TS-RAPM-001-201 é mostrada no canto superior esquerdo na figura acima. O topo da face da ferramenta parece uma ferramenta de estampagem padrão, mas o lado inferior revela os canais de aquecimento.

Faces de ferramenta de geometrias aceitáveis podem ser trocadas por outras faces de ferramenta projetadas para a mesma unidade base de aquecimento. A ferramenta precisará das mesmas dimensões de canais de aquecimento, posicionamento aproximado de termopares e uma profundidade que caia dentro do curso dos termopares carregados por mola.

O sistema de carregamento em trilho usado para trocar uma face de ferramenta alinha todos os 180 termopares de realimentação carregados por mola em mangas no lado posterior da face da ferramenta. Pinos alinham a face da ferramenta e permitem que o carregamento seja feito sem controle preciso de empilhadeira. A troca de ferramenta pode ser completada em 2-4 horas com dois operadores, incluindo desmontagem e remontagem da face da ferramenta em seu porta-retrato.

Tanto material quanto possível é usinado para reduzir massa térmica e melhorar taxas de aquecimento e resfriamento. Por esta razão, cada face de ferramenta usada no RAPM requeria análise de elementos finitos (FEA) estrutural para determinar se a face da ferramenta poderia sobreviver à temperatura e pressão de processamento. As faces de ferramenta foram otimizadas usando FEA linear e não-linear, bem como análise térmica de dinâmica de fluidos computacional (CFD) em estado estacionário e transiente. Esta última ajudou a garantir aquecimento uniforme da ferramenta. Tanto a espessura da ferramenta quanto os difusores de ar dentro de cada canal de aquecimento foram modificados para melhorar a uniformidade de temperatura. Um loop iterativo entre FEA e CFD permitiu adaptar a geometria para ajudar a manter a temperatura desejada da face da ferramenta enquanto atendia aos fatores de segurança requeridos para suporte da face da ferramenta.

Zonas de Aquecimento e Controle de Temperatura

Canais de aquecimento são tipicamente agrupados em zonas, com o número de canais de aquecimento por zona especificado por peça. Cada zona tem um perfil de aquecimento associado a ela e tolerâncias podem ser definidas dentro e entre zonas conforme necessário. Isso permite que todos os aquecedores em cada zona aqueçam, resfriem ou mantenham temperatura seguindo seu perfil de aquecimento prescrito, variando dinamicamente níveis de potência do aquecedor e taxas de fluxo de ar comprimido.

Embora o software de controle do equipamento PtFS tenha estratégias de aquecimento analógicas e digitais que podem ser adaptadas a diferentes cenários de aquecimento, a célula RAPM usa controle analógico. Isso requer auto-ajuste do sistema para determinar níveis de potência do aquecedor em temperaturas alvo. Níveis de potência para cada aquecedor são definidos para prevenir sobre ou sub-tiro durante rampas de aquecimento/resfriamento e para manter pontos de ajuste de temperatura. O auto-ajuste determina automaticamente valores constantes para um método de controle Proporcional Integral Derivativo modificado para cada canal de aquecimento em cada temperatura especificada. Uma vez que o auto-ajuste está completo, perfis de aquecimento podem ser escritos para cada zona. Todos os perfis térmicos foram verificados para garantir que a peça compósita foi exposta a temperaturas dentro de ±5,5°C (±10°F) do ponto de ajuste desejado.

A célula PtFS da Boeing tem temperatura máxima de 440°C. Inicialmente, quando a Boeing processava múltiplos ciclos de alta temperatura em um dia, havia preocupação de que certos componentes pudessem ser danificados devido à falta de resfriamento entre ciclos de processamento. No entanto, o sistema de resfriamento foi atualizado em set-out 2019, incluindo capacidade adicional de ventilador para extração de calor. Com este resfriamento melhorado, a célula pode processar continuamente a 440°C.

Usando grande volume de ar comprimido a temperatura ambiente como método de resfriamento, o resfriamento da face da ferramenta foi rápido na extremidade superior da faixa de temperatura, mas desacelerou significativamente ao atingir 60°C (140°F). Durante aquecimento para temperaturas de termoplásticos (>350°C), a temperatura da face da ferramenta subiu a uma taxa média de 41°C/min (74°F/min). Durante resfriamento da mesma execução, a taxa média de resfriamento de pico foi 36°C/min (65°F/min). Usar ar comprimido para resfriamento forneceu uma rampa de resfriamento mais contínua e combinada com gerenciamento térmico ativo (ou seja, aquecimento quando necessário), a temperatura permaneceu razoavelmente linear durante o resfriamento.

Estampagem Isotérmica de Pré-impregnado Termofixo

Os primeiros ensaios de peças usando a célula de trabalho PtFS foram para painéis de acesso com bordas TS-RAPM-001 feitos com moldagem por compressão de pré-impregnado termofixo (estampagem). A ferramenta para esta peça ocupa 112 dos 180 canais na célula de trabalho PtFS RAPM. Isso inclui 56 canais na face superior da ferramenta e 56 na face inferior. A peça real, no entanto, não cobre a totalidade dessa ferramenta — mas apenas cobre 30 daqueles 56 canais para cada face de ferramenta, superior e inferior. A figura abaixo mostra o posicionamento dos 78 termopares (TCs) usados para peças RAPM-001 — 39 para a face superior e 39 para a inferior com o mesmo posicionamento para ambas. O número de TCs compreende um por célula (canal de aquecimento) mais TCs adicionais em regiões quentes e frias identificadas na análise térmica CFD.

A face da ferramenta vazia foi testada para uniformidade de temperatura e o teste foi repetido após incorporar termopares no ponto médio de um laminado de carbono tecido/epóxi de 16 camadas. Uma vez que o material compósito é adicionado, a distribuição de temperatura da face da ferramenta fica mais apertada, pois o compósito atua como caminho de transferência de calor. Além disso, a uniformidade de temperatura dentro do laminado compósito era mais apertada que as leituras da face da ferramenta. O único TC no Ensaio 1 (ver figuras abaixo, topo do gráfico à direita) que oscilou acima da faixa de temperatura desejada estava próximo à borda da peça e suspeita-se que tenha sido causado por flutuações de temperatura de células vizinhas fora da linha de corte da peça.

A moldagem por compressão isotérmica do processamento manteve a ferramenta a 176,7°C (350°F) dentro da tolerância de ±5,5°C (±10°F). Para TS-RAPM-001, a seguinte sequência foi seguida:

• Sistema aquece a 187,7°C em aprox. 8 minutos
• Blank compósito carregado na ferramenta quente
• Ferramenta fechada às 12:09 (por exemplo)
• 30 minutos tempo na ferramenta para gelificar o compósito
• Primeiro estágio de pressão: aquecimento rápido inicial do blank enquanto minimiza saída de resina
• Segundo estágio de pressão: rampa para 300 psi para garantir boa consolidação e prevenir crescimento de vazios
• Remover compósito "verde" da ferramenta quente para pós-cura

Este processo alcançou peças de alta qualidade e demonstrou peças de tempo de ciclo menor que processos atuais de compósitos. Uma temperatura de processo mais alta poderia gelificar o compósito ainda mais rápido, mas também pode causar degradação do material e risco de exotermia. Isso era uma preocupação porque a ferramenta PtFS não usa grande massa térmica tradicional para absorver exotermia, mas sim depende de resfriamento ativo do verso de ferramentas de baixa massa térmica para dissipar exotermia.

A célula PtFS também foi usada para fazer peças desafio "wave" TS-RAPM-012. Usando ensaios de desenvolvimento prévios, determinou-se curar estas peças usando um ciclo isotérmico de 30 minutos a 177°C seguido por pós-cura de 2 horas na mesma temperatura. Diferenças de ensaios anteriores, no entanto, incluíam uma geometria mais agressiva e um empilhamento quasi-isotrópico usando epóxi CYCOM 5320-1 — padrão para peças aeroespaciais fora de autoclave — combinado com camadas de fibra de carbono cetim 8-harness e unidirecional e uma camada externa de tecido de fibra de vidro estilo 108 tecido em um lado. O controlador PtFS RAPM foi programado para aplicar uma quantidade mínima de pressão no laminado até que uma viscosidade adequada fosse alcançada. Após este passo inicial, pressão final foi aplicada para terminar a cura. Um ensaio foi pós-curado em forno, enquanto o resto foi pós-curado no dispositivo de fechamento PtFS para reduzir tempo entre ensaios. Múltiplas peças de alta qualidade foram produzidas.

Ciclos Dinâmicos de Temperatura para Infusão de Resina

Ensaios de peças de infusão de resina usando a célula de trabalho PtFS começaram com a peça de canal C curvo RI-RAPM-003. Três diferentes sistemas de resina epóxi foram inicialmente testados:

• Solvay CYCOM 823, infundido a 80°C e então rampado para permanência a 125°C
• Huntsman FAF2 (sistema de cura rápida) infundido a 100°C com permanência a 150°C
• Applied Poleramic (agora adquirida pela Kaneka) API DD3-84 (também sistema de cura rápida) infundido a 60°C com temperatura de permanência de 160°C.

A pré-forma de tecido não-crimp foi infundida, rampada a 2°C/min para a temperatura de permanência especificada e então mantida por 60 minutos antes de resfriar. Para as resinas de cura rápida, à medida que a reação exotérmica progredia, o PtFS aplicava automaticamente resfriamento ativo em regiões específicas da ferramenta para manter temperaturas de peça especificadas.

O equipamento PtFS também foi capaz de fornecer o controle posicional para suportar um método de infusão por folga para as peças RI-RAPM-003. Neste método, a ferramenta foi fechada a uma altura inicial da gaxeta de vácuo, permitindo que a ferramenta permanecesse aberta 1,3 milímetros durante a infusão. Após a infusão estar completa, a ferramenta foi então fechada a distância restante para impulsionar a resina na pré-forma na direção z. Peças foram feitas com sucesso usando este processo.

Controle Dinâmico de Temperatura para Estampagem de Termoplásticos

O equipamento PtFS também foi usado para fazer o canal C curvo RAPM-003 em compósitos termoplásticos. Especificamente, foi usado para consolidar uma pré-forma complexa, que caía de 32 para 24 camadas ao longo do comprimento da peça, em um blank plano com seção transversal cônica. Os blanks consolidados foram então enviados para a ATC Manufacturing (Post Falls, Idaho, EUA) que estampou a peça final com abas verticais.

O material consolidado para o canal C curvo TP-RAPM-003 foi um tecido cetim 2x2 de fibra de carbono revestido a pó com poliéteretercetona (PEEK). A célula de trabalho PtFS foi usada para superplasticamente formar uma bexiga de magnésio AZ31 sobre a carga termoplástica, aquecendo a bexiga e carga a uma temperatura de processo PEEK de 400°C em aprox. 55 minutos.

Nesta temperatura de conformação, gás argônio foi aplicado à bexiga, que aplicou pressão de consolidação ao material compósito termoplástico. A célula então resfriou a bexiga e carga para abaixo da temperatura de cristalização do PEEK em 30 minutos, para um tempo de ciclo total de 3 horas.

O slide 11 acima mostra a progressão na pressão aplicada durante a formação superplástica da bexiga e consolidação do termoplástico — aumentando de 20 psi para 140 psi após a bexiga atingir a temperatura de formação superplástica, que foi mantida através do resfriamento. Pré-formas foram consolidadas com sucesso e enviadas para a ATC Manufacturing onde peças foram estampadas para esta geometria extremamente desafiadora.

A célula PtFS também foi usada para estampagem blank-para-peça em etapa única de painéis TP-RAPM-017 feitos de um empilhamento balanceado e simétrico de fita de fibra de carbono unidirecional (UD)/polietercetoncetona (PEKK) em um estudo de como várias opções e características de peça afetam a formação por bexiga. Os painéis TP-RAPM-017 mediam 40,6 por 40,6 centímetros com um contorno suave atingindo 1,3 centímetros de altura. Três diferentes geometrias de peça foram avaliadas — plana (sem redução de camadas), redução de camadas em direção única e moldura — tendo 32 camadas em regiões espessas, 16 camadas em regiões finas e uma razão de redução de 20:1 entre elas. O tempo de ciclo da peça foi 1,5 horas para todas as geometrias.

As faces de ferramenta foram usinadas de Invar 42 para melhor combinar com a expansão térmica do compósito termoplástico de fita UD. Kits de camadas de fita UD foram cortados e colacionados, soldados ultrassonicamente juntos e colocados na ferramenta de cura, onde foram aquecidos a 385 ± 15°C. Vários ciclos de pressão foram testados, e a peça foi então resfriada para abaixo de 220°C, após o que a pressão foi liberada e a peça foi desmoldada.

Um exemplo de ciclo de pressão para geometria 1 foi 20 psi à temperatura ambiente, rampa para 140 psi após termopar retardatário atingir temperatura de fusão de 310°C e então resfriado a 10°C/minuto sob pressão até o termopar da peça medir abaixo de 220°C. Pressões iniciais de 20 psi, 30 psi, 50 psi e 70 psi foram testadas. Rampas de pressão também foram variadas de 10 psi por minuto a 10 psi por 15 segundos, até a pressão máxima de 140 psi.

Um resultado notável foi que todos os painéis mostraram maus resultados de C-scan onde as camadas foram soldadas ultrassonicamente. Assim, para melhores resultados, tais soldas de ponto devem ser localizadas fora da linha de corte líquido da peça. Peças aceitáveis foram produzidas, mas algumas mostraram má consolidação nas bordas das camadas. Isso foi remediado aumentando a pressão de compactação inicial para 30 psi antes do aquecimento. No entanto, este aumento de pressão causou alguma rugosidade/acabamento fosco no lado da bexiga da peça. Além disso, alguns painéis geometria 2 feitos usando pressões iniciais de compactação de 50 e 70 psi mostraram enrugamentos no centro das peças. Acreditava-se que estas pressões mais altas podem ter impedido as camadas de deslizar umas sobre as outras durante o processamento, assim prendendo o enrugamento nas peças.

Outra variação testada foi substituir gás argônio por gás nitrogênio mais barato para pressurizar a bexiga, mas isso também diminuiu a qualidade da peça, incluindo rugosidade/acabamento fosco que causou níveis mais altos de atenuação em resultados de C-scan, mesmo sem porosidade encontrada em seções transversais.

Prós e Contras do PtFS no RAPM

A célula de trabalho PtFS demonstrou aquecimento rápido (<10 minutos para cura de epóxi a ≈180°C). Quando combinado com trocas automatizadas de ferramentas, isso poderia permitir trocas rápidas de peças e reduzir o custo de peças compósitos para pequenas séries de fabricação. PtFS também é bem adequado para execuções dinâmicas de alta temperatura (em oposição a ciclos de peças isotérmicas).

A capacidade da célula PtFS da Boeing St. Louis foi aumentada significativamente durante o programa RAPM, graças a atualizações de software melhoradas para melhor uniformidade térmica e controle do dispositivo de fechamento, capacidade de resfriamento melhorada e controle de termopar, bem como um sistema automatizado de controle de pressão pressclave. Aumento adicional de capacidade pode ser possível usando a vasta quantidade de dados gerados e gravados pelo sistema a cada segundo, incluindo ponto de ajuste de cada canal de aquecimento, nível de potência do aquecedor, nível de ar comprimido, etc. Aplicar aprendizado de máquina a estes dados poderia gerar melhorias de qualidade de peça e processo. Melhorias adicionais de software também poderiam permitir que estes dados identificassem anomalias de processamento como energia excessiva requerida e baixa responsividade de locais específicos da ferramenta.

"PtFS fornece uma grande quantidade de personalização como o nome implica: Production to Functional Specification", diz Hahn, "mas essa personalização pode requerer investimento de tempo para estabelecer e 'ajustar' o sistema para uma nova configuração de ferramenta/peça." A maioria dos projetos de faces de molde de metal usinado para RAPM foram produzidos pela Surface Generation no Reino Unido. No entanto, Boeing e Surface Generation "treinaram" um projetista de ferramentas dos EUA e um fabricante de ferramentas dos EUA para demonstrar que o projeto de face de molde poderia ser conduzido nos EUA por fontes diferentes da Surface Generation. Essa face de molde, CMD-TP-RAPM-008-503, foi usada com sucesso para fazer painéis de acesso de fibra curta TP-RAPM-008-203.

"Embora alguma forma de controle de temperatura na ferramenta e/ou peça ajude em toda moldagem de peças compósitos", explica Hahn, "o que é realmente requerido é controle de temperatura em áreas e tempos críticos, e isso varia por peça e processo. Assim, entender o controle de temperatura realmente requerido para formar uma dada peça é fundamental. As 180 zonas no PtFS são úteis, mas também caras porque cada uma exige um canal usinado na ferramenta. Se a peça só precisa de uma zona externa e interna ou uma zona específica ao longo de uma geometria de ponto de gatilho, então uma solução diferente pode ser mais acessível. Isso, no entanto, abre o debate sobre qual é a melhor abordagem para desenvolver uma célula de fabricação de peças compósitos que seja flexível através de múltiplos tipos de processos e peças."

Boeing e DARPA continuarão adicionando informações a este debate conforme finalizam o programa RAPM em 2020 e publicam mais resultados.