CETMA: Centro Italiano de P&D e Inovação em Compósitos de Referência

Estabelecida em 1994, o Centro di Ricerche Europeo di Technologie, Design e Materiali (CETMA) (Brindisi, Itália) é uma das maiores organizações independentes de pesquisa e tecnologia na Itália, com instalação de 4.000 m² e 75 funcionários. Por mais de 20 anos, a CETMA investiu fortemente em compósitos, resultando em uma ampla gama de especialidades:

• Design e prototipagem de componentes
• Novos processos compósitos
• Processos de reciclagem para compósitos e plásticos
• Otimização de processo para custo, sustentabilidade, taxa, etc.
• Monitoramento de processo em tempo real
• Testes não destrutivos (END)
• Monitoramento de saúde estrutural (SHM) em tempo real e remoto durante produção e serviço
• Consultoria REACH
• Estampagem termoplástica, moldagem por compressão contínua (CCM) e moldagem por compressão de pré-impregnado (PCM)
• Infusão líquida, moldagem por transferência de resina (RTM) e RTM qualificado (SQRTM)
• Pré-impregnado fora de autoclave (OOA)
• Soldagem por indução

Organização e foco

O principal objetivo da CETMA é apoiar empresas e inovação. Servida por quatro laboratórios principais, as atividades de compósitos da CETMA são organizadas dentro de seu departamento de Materiais e Processos Avançados (AMP), que também compreende quatro áreas:

• Materiais e Caracterização
• Tecnologias e Processos
• Modelagem e Simulação
• Diagnósticos e Monitoramento de Saúde Estrutural

O AMP emprega 30 funcionários incluindo engenheiros de materiais, aeronáuticos, civis e químicos, bem como um químico, cientista de materiais, arquiteto e múltiplos técnicos — conformando sua crença em equipes multidisciplinares.

Força em compósitos termoplásticos

"Oferecemos um espectro completo de serviços em compósitos", observa Alessandra Passaro, chefe do departamento AMP na CETMA, "mas nossas atividades em materiais termoplásticos é uma de nossas áreas prioritárias atualmente. Todos os diferentes tipos de polímeros de matriz termoplástica foram processados em nosso laboratório. Começamos a trabalhar com fibra comulgada TWINTEX em 2004 e com moldagem por compressão usando uma prensa simples há cerca de 15 anos. Agora, desenvolvemos tecnologias patenteadas de moldagem por compressão contínua (CCM) e soldagem por indução. Analisamos todos os materiais compósitos termoplásticos que podem ser usados nestes processos."

A linha CCM pode fabricar peças de seção constante usando PPS, PEEK, PEKK ou PAEK. Mas como o processo CETMA difere do usado por empresas como XELIS (Markdorf, Alemanha) e ATC Manufacturing (Post Falls, Idaho, EUA)? Passaro explica: "Existem alguns detalhes específicos no design do molde que usamos. Nossa tecnologia é mais flexível em relação a geometrias e materiais de matriz que podem ser usados. Ainda está em desenvolvimento." Embora patenteada, a tecnologia ainda está sendo desenvolvida e alguns aspectos são proprietários. A razão pela qual a CETMA buscou CCM não é segredo. "Vimos o aumento do uso e necessidade de processos contínuos de compósitos termoplásticos", diz Passaro. "A XELIS é uma empresa de produtos, não fornecedora de máquinas. Somos uma organização independente de P&D e por isso investimos e desenvolvemos a tecnologia de um ponto de vista diferente."

Um exemplo disso é a extensa simulação de processo para analisar a distribuição de temperatura no molde. "Os resultados da simulação nos dão uma imagem completa da evolução da temperatura no material ao longo do tempo", ela explica, "o que é muito difícil de monitorar inline de um lado, e ainda assim é crucial para minimizar defeitos no compósito."

Soldagem por indução para montagem

Outra parte chave da especialidade da CETMA em compósitos termoplásticos é a tecnologia de soldagem por indução patenteada, que inclui um sistema de controle e resfriamento para manter o calor na linha de solda. A CETMA usou a tecnologia com a parceira EURECAT (Barcelona, Espanha) para montar perfis e chapas CCM em uma viga de quilha compósita termoplástica para aeronave tipo Airbus A320 no projeto Clean Sky 2 KEELBEMAN.

"Desenvolvemos dois tipos de sistemas de soldagem por indução", observa Passaro. "Um é uma máquina fixa para superfícies planas e outro baseado em robô para geometrias complexas 3D. Ambos permitem soldas contínuas em escala industrial sem requerer materiais adicionais na linha de solda, ainda entregando desempenho de adesão muito alto em montagens."

A CETMA demonstrou soldagem por indução em laminados compósitos feitos usando tecido de fibra de carbono tecido e fita unidirecional (UD), bem como uma gama de materiais de matriz: PPS, PEEK, PEI, PEKK, PP, PA6, PA12 e um sistema híbrido termofixo epóxi/PVB (polivinil butiral) termoplástico.

Também aplicou sua expertise em modelagem e simulação computacional ao processo de soldagem por indução. "Isso nos permite prever a evolução da temperatura na área de junção durante a soldagem, fornecendo ajuda fundamental na otimização dos parâmetros do processo", diz Passaro.

Clean Sky 2 e projetos de P&D em compósitos

Além do KEELBEMAN, o Departamento AMP da CETMA está atualmente envolvido em outros quatro projetos Clean Sky 2.

TRINITI - Tanques de nitrogênio de alta pressão multi-material termoplástico para aeronaves

Projeto de dois anos iniciado em 2019, visa construir protótipo de tanque de aeronave para armazenamento de longo prazo de nitrogênio para combate a incêndio. A Diehl Aviation (Gilching e Dresden, Alemanha) é gerente do tópico. Parceiros também incluem laboratório de P&D aeroespacial Novotech s.r.l. (Nápoles, Itália), Laboratório de Testes de Compósitos (Inverin, Co. Galway, Irlanda). O projeto fabricará tanques compósitos termoplásticos multi-material através de combinação de processos como co-extrusão para formar liner/laminado multi-camada e multifuncional, seguido por consolidação in-situ (ISC) usando colocação automatizada de fibra a laser (AFP). Um objetivo dentro do TRINITI é reduzir ou até eliminar micro-trincamento em ambientes criogênicos. Atualmente a CETMA está trabalhando para identificar todos os materiais termoplásticos que podem satisfazer os requisitos de vasos de pressão aeroespaciais.

SPARE - Grades de piso de passageiros e carga em escala real inovadoras para demonstradores de fuselagem de aeronave regional em solo

Iniciado em outubro de 2018, projeto de 18 meses visa fabricar grades de piso de passageiros e carga em escala real usando compósitos termoplásticos reforçados com fibra de carbono (TP). A produção altamente automatizada compreende conformação progressiva por rolos e soldagem por indução para montagem. O objetivo é reduzir peso e custos recorrentes comparado a soluções tradicionais de metal e compósitos termofixos. As grades de piso compósitas serão montadas nos demonstradores de fuselagem de aeronave regional Clean Sky 2 para testes em solo e avaliadas para impacto técnico e econômico, bem como desempenho de resistência a chamas per regulamentos FAR 25.583. Líder do tópico é Leonardo enquanto CETMA coordena o projeto em colaboração com fabricante de máquinas OMI S.r.l. (Fogliano Redipuglia, Itália).

Uma das principais contribuições da CETMA para SPARE é o desenvolvimento de termografia infravermelha (IRT) para monitoramento inline da conformação progressiva por rolos. Este processo submete rolos de laminado TP compósito a compactação e aquecimento até temperatura de processo do material, forma complexa e espessura de design ser alcançada. "No entanto, é importante garantir que as camadas mais internas experimentem fusão completa da matriz e consolidação", explica Passaro. "Além disso, existe uma janela de temperatura estreita que garante fusão mas não degrada o polímero. IRT é um método sem contato que mede energia radiante através da superfície da peça com alta precisão."

A CETMA usou janelas de seleneto de zinco (ZnSe) para olhar dentro do equipamento fechado. Transparentes a ondas IR, funcionam a temperaturas até 500°C. Duas tais janelas foram construídas na linha de conformação progressiva por rolos do projeto SPARE com câmeras IRT suspensas acima para ter visão quase perpendicular do material processado. Software de controle editável tornou possível monitorar, registrar e alarmar se valores caíssem fora da faixa alvo definida.

A uniformidade da temperatura do material através da seção transversal do perfil foi avaliada em dois pontos limites — linha 1 próxima à etapa de aquecimento e linha 2 mais adiante no processo de conformação. Cada uma foi dividida em 3 etapas sucessivas: fase inicial (etapa 1), processo de conformação iniciado (etapa 2) e conformação com velocidade reduzida (etapa 3). IRT mostrou que a temperatura nas bordas externas do laminado era menor que na área central, levando a aquecimento desigual e propriedades mecânicas. Uma representação 3D das temperaturas de superfície registradas pelo IRT forneceu auxílio visual para melhor entender a distribuição de temperatura.

TOD - Termoplástico em Portas

TOD visa desenvolver e validar produção rápida e montagem de porta compósita termoplástica em escala real (incluindo subestruturas de fuselagem) para aeronave regional. TOD é parte do Clean Sky 2 Regional Aircraft IADP (Plataforma Demonstradora de Aeronave Inovadora), que leva a integração de tecnologias desenvolvidas na fase um do Green Regional Aircraft ITD (Demonstrador de Tecnologia Inovadora) do Clean Sky a um nível mais alto de complexidade e maturidade via dois bancos de teste voadores e três grandes demonstradores integrados em solo. Liderado por Leonardo, a CETMA trabalhará com parceiros do projeto The Welding Institute (TWI, Cambridge, Reino Unido) e empresa de engenharia/industrialização aeroespacial Tier 1 DEMA (Design Manufacturing SpA, Somma Vesuviana, Itália).

A abordagem proposta inclui otimização e validação de termoformagem para fabricação de componentes e processos de união como soldagem por indução (IW) e soldagem por implante resistivo (RIW), que permitem redução de peso eliminando fixadores mecânicos. TOD também avançará automação indústria 4.0 e monitoramento inline para suportar produção de alta taxa de peças de alta qualidade (zero defeitos) com controle robusto de processo. Benefícios esperados incluem:

• Redução mínima de 15% no peso
• Redução de desperdício e sucata em 10% através de sensores e monitoramento inline
• Até 75% economia de energia versus processamento em autoclave padrão
• Redução de custos recorrentes via manufatura adaptativa inteligente (flexibilidade aumentada, custo de ferramentas de linha completa diminuído)
• Melhoria de emissões CO2 durante fabricação e operação de aeronave mais leve.

NHYTE - Novas Estruturas Aeroespaciais Híbridas Termoplásticas fabricadas por Tecnologias Automatizadas Contínuas Fora de Autoclave

Financiado sob programa Horizon 2020 e liderado pela NOVOTECH (Nápoles, Itália), NHYTE iniciou em setembro 2018 e estava programado para terminar em janeiro 2020. O material híbrido de alto desempenho é baseado em um pré-impregnado comercial de fibra de carbono/PEEK com filmes amorfos de PEI adicionados para permitir consolidação in-situ com colocação automatizada de fibra (ISC AFP) e então montagem via tecnologia de soldagem por indução patenteada da CETMA. A CETMA completou uma ampla campanha de caracterização compreendendo testes físico-mecânicos e virtuais do material compósito híbrido e configuração do processo de soldagem por indução.

Reciclagem de fibra de carbono

Outra área chave para a CETMA é reciclagem. O projeto CIRCE visa usar sucatas de pré-impregnado geradas durante fabricação de peças compósitas reciclando-o em composto de moldagem por compressão, que será então usado para moldar inserções de biqueira para sapatos de segurança. A CETMA caracterizará esta matéria-prima secundária e desenvolverá modelo numérico para prever desempenho estrutural das inserções de biqueira. Este modelo ajudará analisar e verificar comportamento a impacto para atender regulamentos de segurança, com resultados usados para refinar e finalizar design das inserções. A equipe de projeto italiana inclui Base Protection (Barletta), fabricante de peças compósitas motorsports/automotivas HP Composites (Ascoli Piceno), especialista em máquinas e linha de produção Elks Group (Ascoli Piceno) e Petroceramics (Stezzano).

Talvez o maior investimento da CETMA em reciclagem até o momento tenha sido via projeto REVALUE visando fibras de carbono recicladas para compósitos de ALTO VALOR. Financiado pelo Instituto Europeu de Inovação e Tecnologia (EIT, Budapeste, Hungria), o objetivo do projeto REVALUE é pegar fibra de carbono reciclada (RCF) fornecida pelo produtor líder ELG Carbon Fibre (Coseley, Reino Unido) usando pirólise e combiná-la com polímeros termoplásticos virgens e reciclados para substituir materiais atuais usados pelo Centro Ricerche Fiat (CRF, Turim, Itália) para produção de componentes automotivos selecionados.

No entanto, conforme observado no artigo da revista JEC Composites de jan-fev 2020, "Nova formulação de dimensionamento para fibras de carbono recicladas" por Alessandra Passaro, et. al., RCF produzida por pirólise não tem dimensionamento, tornando as fibras quebradiças propensas a quebra frequente durante manuseio bem como separação dos feixes de fibra em filamentos, resultando em forma emaranhada, "fofa", com baixa densidade aparente. Como parte do REVALUE, a CETMA desenvolveu uma formulação específica de dimensionamento para RCF, compatível com polipropileno (PP) e PA6 virgens ou reciclados. Então avaliou a capacidade do dimensionamento de melhorar processabilidade do RCF e aumentar interface com as matrizes termoplásticas selecionadas.

Para fazer isso, a CETMA desenvolveu uma planta piloto para dimensionamento de RCF, capaz de aplicar o dimensionamento em quantidades de quilogramas e, ao mesmo tempo, avaliar o efeito dos principais parâmetros no processo de deposição. A planta compreende três estações principais: tratamento de dimensionamento e lavagem das fibras; manuseio das fibras secas antes e depois do tratamento; e secagem em forno das fibras. Quatro quilogramas de RCF podem ser tratados por dia em ciclo contínuo.

O RCF dimensionado da CETMA foi então usado pelo centro de pesquisa francês CEA e pelo compounder francês SUEZ para produzir um composto de moldagem usando polímeros termoplásticos virgens e reciclados. Caracterização físico-química dos compostos foi completada, e a capacidade do dimensionamento CETMA de melhorar desempenho mecânico final do compósito foi verificada.

Os inovadores compostos de moldagem RCF foram então usados para moldar por injeção componentes automotivos semi-estruturais que atualmente são feitos com PP ou PA6 reforçado com fibra de vidro. Além da vantagem óbvia em reciclagem e reuso de materiais, redução de peso do veículo, consumo de combustível e emissões CO2 também foram demonstrados.

Fora do REVALUE, a CETMA também desenvolveu e avaliou dimensionamento para RCF em múltiplos processos compósitos incluindo moldagem por compressão, infusão a vácuo e RTM, mostrando propriedades melhoradas em todos os casos.

Monitoramento de saúde estrutural (SHM)

Esta área final de atividade de compósitos para a CETMA também é um foco crescente na indústria. "Temos muitos anos de experiência aplicando SHM para aplicações de construção e edificação", observa Passaro. "E também fizemos muito trabalho com SHM em compósitos. Sabemos que isso será importante para aplicações futuras e estamos interessados em continuar trabalhando com fabricantes de compósitos e a indústria para impulsionar esta tecnologia adiante."