Pré-impregnado Avançado para Moldagem por Compressão Rápida no RAPM

Pré-impregnado de fibra de carbono/epóxi tem sido o material base para compósitos aeroespaciais por décadas porque fornece altas propriedades mecânicas e teor preciso de resina/fibra, bem como facilidade de manuseio para empilhamento e cura em autoclave. No entanto, à medida que fabricantes de aeronaves e mobilidade aérea urbana (UAM) exploram taxas de produção mais altas e custos mais baixos, a moldagem por compressão é atraente, reduzindo tempos de ciclo e aumentando a eficiência versus o autoclave. Em sua forma mais simples, a moldagem por compressão compreende pré-aquecer o material de moldagem, colocá-lo em uma cavidade de ferramenta aberta e consolidar com pressão hidráulica a temperatura, durante a qual o material termofixo líquido é convertido em sólido. A peça curada é então ejetada para quaisquer etapas de acabamento e corte necessárias.

Combinar moldagem por prensagem e pré-impregnado não apenas entrega um processo eficiente de alta taxa com o desempenho e fácil manuseio do pré-impregnado, também evita algumas das complexas dinâmicas de processo de preenchimento de reforços secos com resina líquida durante processos como infusão de resina e moldagem por transferência de resina (RTM). Para aeroestruturas menores especialmente, a moldagem por prensagem de pré-impregnado oferece potencial para tempos de takt de <30 minutos enquanto ainda atinge peças de alta qualidade e geometria complexa.

A Solvay Composite Materials (Alpharetta, Geórgia, EUA) foi uma parceira-chave no programa RApid high-Performance Manufacturing (RAPM) liderado pela The Boeing Co. (Chicago, Ill., EUA). O RAPM é a parte de "conformação" do programa Tailorable Feedstock and Forming (TFF) lançado pela Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA, Arlington, Va., EUA) em 2015. Seu objetivo é permitir fabricação rápida, de baixo custo e ágil de peças pequenas e complexas de compósitos e aumentar a capacidade dos compósitos de competir contra alumínio usinado em aplicações de defesa.

Fornecedora de longa data da Boeing para aplicações de defesa, a Solvay também tem sido líder em soluções inovadoras para aeroespacial comercial, como o pré-impregnado epóxi fora de autoclave (OOA) CYCOM 5320-1, e para automotivo também, como o pré-impregnado vinil híbrido SolvaLite 730 com tempo de takt de 1 minuto.

O RAPM foi uma oportunidade perfeita para a Solvay testar e refinar seu sistema experimental XEP-2750, agora comercializado como CYCOM EP2750, que foi desenvolvido para conectar produção de compósitos aeroespaciais e automotivos. Este blog — uma barra lateral online para a matéria de maio de 2020 "Revolutionizing the composites cost paradigm, Part 2: Forming" — revisa esse desenvolvimento, bem como os processos de moldagem por compressão usados e o que o CYCOM EP2750 oferece a fabricantes de compósitos aeroespaciais e automotivos.

Referências para este blog incluem:

• "Spring Frame Press Fabrication of Aerospace Production Components" por Timothy J. Luchini¹, Alejandro J. Rodriguez², Scott A. Rogers², Aurele Bras³, Adam Whysall³, Richard Russell³, Scott Lucas², Gail L. Hahn¹. SAMPE Conference Proceedings. Charlotte, NC, 20-23 maio 2019.
• "Challenges of Aerospace Structural Part Geometries for High-Rate Compression Molding" por Aurele Bras¹, Alejandro J. Rodriguez², Richard Russell¹, Timothy J. Luchini³, Travis Adams³, Adam Whysall¹, Scott A. Rogers², Scott Lucas², Gail L. Hahn³. Society for the Advancement of Material and Process Engineering – North America. SAMPE Conference Proceedings. Seattle, WA, 4-7 maio 2020.
• "Rapid High Performance Molding of Structural xEP-2750 Prepreg for Compression Molding" por Timothy J. Luchini¹, Alejandro J. Rodriguez², Scott A. Rogers², Aurele Bras², Adam Whysall², Richard Russell², Scott Lucas², Gail L. Hahn¹. SAMPE 2019.

¹The Boeing Company, Saint Louis, MO 63134, ²Solvay Composite Materials, Anaheim, Calif., EUA e ³Solvay Composite Materials, Heanor, Reino Unido.

• Webinar CompositesWorld: "Automotive Processes for High-rate Aerospace Composites Manufacturing" por Alejandro Rodriguez, Solvay Composite Materials, Anaheim, Calif., EUA.

Metas de Material e Processo

O CYCOM EP2750 foi desenvolvido para atender às metas de desempenho definidas pela Boeing para um epóxi endurecido aeroespacial, exibindo equilíbrio de temperatura de transição vítrea (Tg) até 350°F, boas propriedades entalhadas — por exemplo, compressão em furo aberto (OHC) e tração em furo aberto (OHT) — e resistência a solventes. Esta nova classe de pré-impregnado é aplicável a aeroestruturas primárias e secundárias e é compatível com múltiplos reforços (por exemplo, fibra de carbono e vidro).

O CYCOM EP2750 também foi desenvolvido com a capacidade de escalar produção usando manuseio automatizado e moldagem por compressão. Isso inclui tempo de cura na ferramenta de 15-30 minutos a 330-370°F, com pós-cura de 1 hora a 350°F. Este tempo de takt de 30 minutos ou menos permite volume de produção anual de 10.000 peças por ferramenta.

A Solvay usou duas variações de moldagem por compressão durante o programa RAPM: moldagem com estrutura de molas e conformação por diafragma duplo (DDF). Ambas usam o princípio de segurar um blank plano e transportá-lo através de um estágio de pré-aquecimento infravermelho (IR) antes de transferi-lo para uma cavidade de ferramenta de metal combinado. A prensa então fecha o molde de aço seguindo um programa automatizado e aplica pressão total ao pré-impregnado pelo tempo restante na ferramenta.

Tanto a moldagem com estrutura de molas quanto a DDF usam ferramentas de metal combinado e oferecem uma abordagem quente-dentro, quente-fora, eliminando aquecimento e resfriamento da ferramenta, para produção de alta taxa. Ambas foram usadas para moldar com sucesso múltiplos tipos de peças de geometria complexa com reforços, abas verticais e variações de espessura de 3,8 a 8,9 milímetros. Estas peças foram feitas no Centro de Aplicações da Solvay em Heanor, Reino Unido. Embora não disponível durante o RAPM, Heanor agora apresenta uma linha de moldagem por compressão totalmente automatizada de rolo de pré-impregnado a peça moldada, atingindo tempos de takt de 15 a 60 minutos para peças aeroespaciais feitas com EP2750 e tempos de takt de 3 minutos ou menos para peças pequenas a médias usando pré-impregnados automotivos. A Solvay vê múltiplos benefícios no processo DDF, incluindo:

• Eliminação da etapa de pré-forma — blank 2D para peça 3D
• Sem desmoldante ou limpeza de molde requeridos
• Redução em materiais auxiliares (ex: respirador, sangrador, embalagem, fita) vs. autoclave
• Melhor buy-to-fly vs. moldagem com estrutura de molas porque menos material excedente é necessário para fixar grampos de molas.

Impregnação Total vs. Parcial Mantém Pressão

Características do EP2750 que facilitam a moldagem por compressão incluem seu baixo tack para manuseio automatizado pick-and-place e sua natureza totalmente impregnada versus CYCOM 5320-1, que é parcialmente impregnado para facilitar respiração nas bordas, necessário para laminados livres de vazios usando processamento OOA. A moldagem por compressão, no entanto, explora fluxo de resina forçado muito rápido devido às pressões mais altas aplicadas — por exemplo, até 350 psi (máximo típico para EP2750) comparado a 35 psi comuns em processamento por autoclave e 14,7 psi em processamento OOA apenas vácuo.

Ter um pré-impregnado mais totalmente impregnado, mesmo que o teor de resina seja apenas ligeiramente maior — 40% no CYCOM EP2750 comparado a 36% no CYCOM 5320-1 — mantém pressão hidrostática durante compactação e cura na cavidade da ferramenta de metal combinado, resultando em menos risco para áreas secas, espessura de peça curada (CPT) inconsistente, enrugamento e outros defeitos enquanto garante boa qualidade de superfície.

Notavelmente, a Solvay desenvolveu um Filme Transformador patenteado para aumentar a pressão hidrostática ao usar pré-impregnado CYCOM 5320-1 de menor teor de resina. Aplicado ao empilhamento da peça antes da moldagem por compressão, o Filme Transformador aumenta o teor de resina e ajudou a trazer a CPT aos requisitos nos ensaios de moldagem de peças do RAPM.

Ensaios de Moldagem de Peças RAPM

Como explicado no artigo de destaque de maio de 2020 da CW, o CYCOM EP2750 foi um dos materiais primários testados na trilha de pré-impregnado termofixo do RAPM. Peças pioneiras testadas na fase inicial de Desenvolvimento & Fabricação incluíram

painéis de acesso com bordas TS-RAPM-001 e -009, costela TS-RAPM-002 e canal C curvo TS-RAPM-003. As peças foram projetadas na Boeing (múltiplas localizações globalmente), ferramentas foram feitas na C-Con GmbH (Munique, Alemanha), peças foram fabricadas no Centro de Aplicações da Solvay em Heanor, Reino Unido e então testadas na Solvay Anaheim, Calif., EUA e Boeing St. Louis, Mo., EUA.

Qualidade de superfície foi avaliada usando inspeção não destrutiva (END) e painéis selecionados foram seccionados transversalmente para porosidade, cisalhamento de viga curta, fração de volume de fibra, teor de resina, grau de cura e temperatura de transição vítrea.

Níveis de porosidade abaixo de 0,5% foram prontamente alcançados, atribuídos às altas pressões de consolidação da moldagem por compressão. Embora parâmetros de processo tivessem que ser otimizados para cada peça diferente, uma vez fixados, o processo mostrou-se repetível.

Painel com Bordas TS-RAPM-009

Esta peça plana de 600 milímetros de comprimento apresentava bordas paralelas de várias geometrias. A espessura aumentava de 3 a 6 milímetros em um canto (reforço) enquanto o canto oposto apresentava um desvio de espessura constante. A borda oposta compreendia uma aba vertical com ângulo de inclinação que variava linearmente de 0° a 20°.

Deslizamento de Reforços

Ensaios iniciais foram executados com reforços empilhados na superfície do empilhamento. No entanto, como as camadas de reforço estavam localizadas perto da borda da peça, era possível que fossem espremidas para fora da peça, resultando em uma região de baixa pressão durante a cura e porosidade. A solução foi intercalar as camadas de reforço dentro do empilhamento do laminado. O risco de deslizamento e porosidade não foi visto em peças posteriores onde os reforços estavam localizados longe das bordas e efetivamente travados pelo material circundante.

Porosidade com Tempo de Permanência

Porosidade aumentada também foi vista se o tempo de permanência fosse muito longo. Painéis com bordas feitos usando 8 minutos de permanência tiveram menor teor de vazios que aqueles feitos com 10 minutos de permanência. Isso foi particularmente verdadeiro na área do reforço, onde o teor de vazios foi 5,5% para a permanência de 10 minutos e 0,4% para a de 8 minutos. A permanência mais curta mantém um alto fluxo de resina, molhando as fibras efetivamente e sustentando pressão na cavidade da ferramenta através da cura.

A permanência mais longa permitiu que o fluxo e a pressão de resina diminuíssem, especialmente na área do reforço, devido à sua proximidade com a borda da cavidade da ferramenta, que não tinha borda de cisalhamento ou redução de seção. Assim, a pressão na cavidade da ferramenta diminuiu na borda da peça, especialmente em regiões mais espessas onde a seção transversal era maior. A ausência de pressão aqui também exacerbou o risco de deslizamento das camadas de reforço. "Ao projetar ferramentas, uma redução de seção no entorno da cavidade da ferramenta ajudará a construir e manter pressão, particularmente para peças com espessuras variadas", explica Gail Hahn, research fellow da Boeing e investigadora principal do projeto RAPM. "Você precisa apresentar algum tipo de beliscamento ou vedação para encorajar um estado de pressão hidrostática na cavidade."

Costela TS-RAPM-002

Uma vez que parâmetros de processamento foram estabelecidos para os painéis com bordas TS-RAPM-009, o processo foi repetido para a costela TS-RAPM-002, que media 540 milímetros em sua aresta mais longa. A costela construía espessura no centro de 3,3 a 5,2 milímetros e a profundidade do estiramento era de 42 milímetros na peça final aparada. Todas as quatro bordas apresentavam abas verticais. Note que um ângulo de compensação de spring-in foi determinado durante os ensaios de painéis com bordas e então aplicado à geometria da ferramenta da costela. Ensaios de painéis com bordas também levaram a maior capacidade de tensão e modularidade de localização de molas na estrutura de molas.

Material Excedente para Grampos

Costelas foram feitas usando tanto moldagem com estrutura de molas quanto DDF. Devido ao estiramento profundo da costela, material excedente era requerido para fixar os grampos da estrutura de molas, mas isso podia ser reduzido ao usar DDF. Outra questão era que o projeto da ferramenta limitava espaço para os grampos de molas estarem em proximidade próxima dentro da cavidade da ferramenta.

Variações em CPT

A espessura de camada curada (CPT) era maior nas partes planas da costela que em suas bordas verticais. Raciocinou-se que a geometria da peça mantinha resina dentro da área central plana, notando que as abas verticais atuavam como vedação de resina. Isso ajudou compactação e acabamento da peça na área central plana. No entanto, as abas verticais sofreram de forte cisalhamento durante o fechamento da ferramenta, que causou rugosidade superficial mas não porosidade (ver dados de porosidade abaixo). CYCOM EP2750, um material de menor volume, ajudou a mitigar este efeito — sua menor espessura reduziu o cisalhamento.

Variações na Espessura da Alma com Teor de Resina do Pré-impregnado

Investigações de qualidade mostraram costelas repetíveis com porosidade <0,1% e mínimo enrugamento/ondulação de fibras. No entanto, embora se assumisse que a variação de espessura da peça seria minimizada com processamento de molde combinado, a revisão de parâmetros de processamento de material e CPT de peça finalizada mostrou que, embora o vão da ferramenta nas abas verticais da costela fosse fixo e consistente, a espessura da alma podia variar como função do teor de resina do pré-impregnado (menos de +/-2%) e processo — CPT podia variar entre as abas e alma à medida que a resina migrava dentro da cavidade.

Canal C Curvo TS-RAPM-003

Esta peça tinha 640 milímetros de comprimento com seção em U de 40 milímetros de profundidade na peça final aparada. O raio interno da seção era maior que o externo, e a espessura aumentava de 6,6 milímetros na seção estreita para 8,8 milímetros na extremidade larga. Devido à sua espessura, a peça do canal C era substancialmente mais pesada que as peças anteriores discutidas. Portanto, a estrutura de molas requeria mais pontos de fixação que com as peças anteriores.

Permanência Dupla para Manter Pressão em Peças Espessas

C-scans de peças moldadas destacam um enrugamento propagando do raio interno para o externo para peças usando blanks pré-consolidados. A escala de cinza indica que os enrugamentos também carregam porosidade.

Estes enrugamentos e porosidade foram removidos para peças de pré-impregnado CYCOM EP2750 usando um processo de "permanência dupla". Isso consiste em aplicar uma certa quantidade de pressão durante a permanência imediatamente após o acúmulo de viscosidade do material. "Isso foi determinado usando os dados fornecidos pela prensa e ferramentas durante o desenvolvimento do processo", explica Hahn. "Basicamente, há dois estágios de acúmulo progressivo de pressão antes da aplicação de pressão total. Como resultado, o perfil pressão-vs-tempo tem forma similar ao perfil de viscosidade da resina. Uma permanência inicial na espessura do volume é usada para elevar a viscosidade da resina para prevenir afinamento da carga de material [blank ou pré-forma]. Se a carga é de espessura significativa, duas permanências são usadas para prevenir perda de pressão devido a encolhimento da resina. A primeira permanência é em um vão de X, e a segunda em um vão de Y, com Y < X."

Fig. 18 acima mostra o efeito de permanência dupla na espessura da peça do canal C. Combinar pressão com viscosidade da resina permitiu reter mais resina dentro da peça, que molhou as fibras para baixa porosidade e construiu espessura para atingir a nominal requerida ainda mantendo baixa distorção de fibras. No entanto, a equipe RAPM enfatizou que este processo de permanência dupla é favorecido apenas para peças mais espessas, notando que pode induzir desigualdade de CPT em peças de espessuras variadas.

Lições Aprendidas do RAPM e Mais Ensaios de Peças

Os ensaios de peças RAPM discutidos aqui contribuíram com conhecimento para fabricação de alta taxa de peças estruturais aeroespaciais usando moldagem por compressão de pré-impregnado. Lições aprendidas incluem:

• Baixo volume é benéfico para qualidade da peça, especificamente para conter níveis de porosidade e aumentar acabamento superficial em bordas verticais. Pré-impregnado de maior teor de resina, como CYCOM EP2750, permite janela de fabricação mais ampla, bem como repetibilidade de processo aumentada
• Idealmente, equipamento de prensa deve incluir estação de pré-aquecimento infravermelho (IR), quadro transportador automatizado para transferir blank/pré-forma pré-aquecido ao molde, tolerâncias de paralelismo apertadas entre platôs superior e inferior da prensa, capacidade de controlar e monitorar a posição dos platôs a uma tolerância apertada e capacidade de prensar usando forças baixas e altas.
• Pré-consolidação de blanks/pré-formas permite reduzir distúrbio de fibras em paredes verticais e contribui para reduzir níveis gerais de porosidade em peças moldadas. NOTA: isto é desbulk, NÃO pré-forma em ferramenta moldada

O RAPM mostrou que moldagem por compressão de pré-impregnado pode produzir estruturas aeroespaciais de alta qualidade enquanto reduz tempo de ciclo e mão de obra. Isso permite que compósitos compitam melhor em estudos de trade-off para aplicações aeroespaciais enquanto entregam maior economia de peso e desempenho de componente (ex: resistência a corrosão, trinca e fadiga, etc.).

Solvay e Boeing trabalharam juntas para refinar o novo sistema de pré-impregnado EP2750, demonstrando tempos de takt de até 20 minutos, graças a uma combinação de química de material, conhecimento de pré-impregnado e processo e automação.

Além das peças de Desenvolvimento de Fabricação discutidas acima, o RAPM também produziu várias peças de Desafio e Transição, destinadas a desafiar desenvolvimentos iniciais e transicionar candidatos com potencial para vencer alumínio usinado em aplicações de defesa. Estas incluem:

• Peça desafio TS-RAPM-007 Solvay
• Painel de acesso TS-RAPM-008
• Boeing "wave" TS-RAPM-012
• Braço de motor TS-RAPM-014
• Quilha TS-RAPM-015

Resultados e lições aprendidas destes ensaios de peças e outros estudos de características de fabricação RAPM serão publicados em 2020/2021.

Ensaios de Peças Automotivas da Solvay

A Solvay também ilustrou como o EP2750 performa em peças automotivas, como um pilar B dimensionado 36 por 16 por 2 polegadas com espessura de .0725 polegadas, compreendendo 5 camadas de fibra de carbono THORNEL T650-35 módulo padrão 3K tow da Solvay em tecido cetim 8-harness de 376 g/m². Esta peça foi feita na Solvay Heanor, Reino Unido usando DDF. Quando comparado a pré-impregnado padrão autoclavado, a combinação de CYCOM EP2750 e DDF oferece redução de 60% no tempo de ciclo e 85% no tempo de takt (tempo entre iniciar uma peça e a próxima peça em uma linha de produção — ou seja, o pulso da linha).