Validando Soldagem de LM PAEK para Demonstrador de Fuselagem Multifuncional

Este tipo de pesquisa aeronáutica começou com o Programa-Quadro (FP) da Comissão Europeia para financiamento de P&D, abrangendo FP2 (1987-1991) a FP7 (2007-2013). Estes programas contribuíram substancialmente para amadurecer uma ampla variedade de tecnologias até o nível de prontidão tecnológica (TRL) 6 e implementação em aeronaves como o Airbus A350.

Uma das diferenças no Clean Sky 2 é sua organização em torno de grandes demonstradores. O MFFD é uma das três seções de fuselagem em escala real sendo produzidas dentro da Plataforma Demonstradora de Aeronaves Inovadoras de Passageiros Grandes (LPA IADP) (veja texto azul no topo do quadrado azul no infográfico acima). Dentro do LPA IAPD existem três plataformas. O MFFD está dentro da Plataforma 2 "Integração Física Inovadora Cabine-Sistema-Estrutura", que apresenta outros dois grandes demonstradores.

Para entender o que isso significa, volto a algo que engenheiros de P&T de Estrutura Aérea da Airbus de Getafe, Espanha, me disseram enquanto eu pesquisava compósitos multifuncionais em 2015. Eles disseram, em essência: "Não queremos mais a duplicação e desperdício de fazer um cilindro estrutural externo e um cilindro de interiores; queremos integrar a estrutura aérea com os sistemas da cabine." Lutei para visualizar o que isso significava — até ver um esboço do MFFD.

"Modularidade, integração e criação de plataformas comuns são fundamentais", diz Ralf Herrmann, Fuselagem Típica de P&T de Estrutura Aérea na Airbus Operations GmbH (Bremen, Alemanha) e líder do programa MFFD. Cito aqui da página do MFFD no site do Clean Sky 2:

Herrmann: "Sabemos há muito tempo que os benefícios de redução de peso e redução de custos recorrentes na produção de aeronaves — ao usar compósitos termoplásticos — só podem ser alcançados pela integração de várias disciplinas. Isso significa que focar apenas na estrutura não pode alcançar o benefício total da tecnologia de compósitos."

A versatilidade dos termoplásticos precisa ser aplicada em combinação com uma abordagem de design, segundo o oficial do projeto Clean Sky 2 Paolo Trinchieri: "É necessário remover a separação artificial de funções no estágio de pré-projeto da aeronave e planejar uma alta taxa de produção de fabricação, montagem e instalação de aeronaves desde o início."

Herrmann foi anteriormente gerente de projeto do projeto FP7 MAAXIMUS (Estrutura de Aeronave Mais Acessível através de Dimensionamento Integrado, Estendido e Maduro). Executado de abril de 2008 a setembro de 2016, o MAAXIMUS incluiu 60 parceiros e visava demonstrar o desenvolvimento rápido e validação right-first-time — amadurecendo habilitadores virtuais e físicos simultaneamente — de uma fuselagem compósita altamente otimizada para alcançar redução de 50% no tempo de montagem de grandes seções de fuselagem, corte de 10% nos custos recorrentes, 10% menor peso estrutural e ciclo de desenvolvimento 20% mais curto. Os objetivos do MFFD podem ser vistos como uma extensão:

• Permitir taxas de produção de 70-100 aeronaves/mês
• Reduzir peso da fuselagem em 1.000 kg
• Reduzir custos recorrentes em 20%

Um habilitador chave é a junção sem poeira (sem furos, sem fixadores) via componentes de compósito termoplástico soldados. Herrmann explica que a abordagem sequencial atual da fabricação de aeronaves — onde a estrutura da fuselagem deve estar bastante completa antes que sistemas mais características de cabine e carga possam ser instalados — é demorada e "sensível a falhas". Em vez disso, o MFFD busca elementos estruturais pré-equipados, altamente integrados e módulos de sistema que podem ser instalados bem cedo, muito antes da montagem final.

Mudança para Juntas Longitudinais e LM PAEK

As atividades do projeto MFFD começaram em 2017. Todo ano há pelo menos uma chamada para propostas (CFP) na qual líderes de projeto delineiam tópicos que precisam de mais desenvolvimento. Como pode ser visto na imagem abaixo, o design de junta enviesada mostrado no CFP08 (abril de 2018) mudou para uma junta longitudinal no CFP09 (setembro de 2018).

"A junta enviesada apresentava questões sobre acessibilidade e fixação de estruturas de piso que percebemos que seriam difíceis de superar dentro do prazo dado", explica Herrmann. "Então, decidimos voltar ao design convencional para reduzir o risco. Nosso principal interesse é mostrar como integrar todos os sistemas e elementos de cabine que podem ser instalados antes da Montagem de Componentes Principais (MCA). Esta também será a primeira vez que este material compósito termoplástico é aplicado em estruturas primárias de fuselagem em escala real para aeronaves de passageiros grandes."

O design do MFFD mudou de junta enviesada para junta longitudinal mais convencional em 2018.

Outra mudança foi no material de matriz de compósito termoplástico (TPC). Tópicos do MFFD no CFP08 e CFP09 referem-se a fibra de carbono/PEKK (polietercetoncetona), mas no CFP10 (março de 2019), o material base foi descrito como fibra de carbono e PAEK (poliariletercetona). PAEK é a família geral de polímeros na qual residem PEEK, PEKK e LM PAEK.

Conforme descrito no meu blog sobre PEEK vs. PEKK vs. PAEK, o fornecedor de material Cetex, agora Toray Advanced Composites, produz os três polímeros como fita reforçada com fibra de carbono e afirma que as propriedades são basicamente as mesmas. No entanto, a fita Cetex TC1225 CF/LM PAEK funde a 305°C enquanto a fita TC1320 CF/PEKK funde a 340°C. E, segundo o CTO global da Toray Advanced Composites, Scott Unger, "LM PAEK tem fluxo muito melhor ... e também pode ser processado em velocidades maiores que PEKK e PEEK." TC1225 também custa menos.

Fuselagem Inferior do MFFD: Projeto STUNNING

STUNNING é o nome do projeto para desenvolvimento e fabricação da metade inferior totalmente equipada do MFFD. O projeto visa amadurecer ainda mais:

• Processos de montagem automatizados
• Tecnologias de fabricação e montagem termoplástica
• Tecnologias de desenvolvimento de design e fabricação integrados
• Desenvolvimento de arquiteturas de sistemas elétricos avançados

Bas Veldman, gerente de programa na GKN Fokker (Hoogeveen, Países Baixos) e gerente de projeto do STUNNING, explica que o MFFD terá 8 metros de comprimento e 4 metros de largura com raio de 2 a 2,5 metros, que é escala real para aeronave de corredor único família A320. "É similar ao A321, que não é exatamente circular mas aproximadamente em formato de ovo (um pouco mais alto que largo)", ele adiciona.

A seção inferior de 180° compreenderá o invólucro inferior da fuselagem com longarinas e quadros soldados, estrutura de piso de cabine e carga, e elementos principais de interior e sistemas relevantes. "Entregaremos grandes módulos pré-equipados para montagem plug-and-play muito rápida", diz Veldman.

A GKN Fokker é a parceira líder no STUNNING e tem quatro divisões participando, incluindo Aerostructures (Papendrecht, Países Baixos), Fokker ELMO (Hoogerheide, Países Baixos), GKN Fokker Engineering Romania (Bucareste) e GKN Fokker Technologies (Papendredcht, Países Baixos). A GKN Fokker ELMO é fornecedora de chicotes de fiação de aeronaves e tecnologia de sistemas elétricos. "É responsável pela arquitetura de sistemas no STUNNING e focará na otimização do sistema elétrico", explica Veldman, "e colabora com o consórcio CFP08 MISSION no desenvolvimento de um sistema inovador de barramento de energia."

"A Diehl Aviation (Laupheim, Alemanha) é responsável pela estrutura interna, incluindo subsistemas e piso, painéis laterais e como são unidos, interfaces de monumentos e multiportas inteligentes de sistema", continua Veldman. "NLR (Centro Aeroespacial Holandês, Amsterdã) é responsável pela fabricação da pele da fuselagem e longarinas, e TU Delft está auxiliando com montagem, baseada em sua expertise com soldagem ultrassônica." (Veja "Soldagem de compósitos termoplásticos" para mais sobre soldagem ultrassônica.)

Programa de Testes de Soldagem MECATESTERS

"O STUNNING lançou sete tópicos CFP e cinco começaram a trabalhar, incluindo MAYA, MISSION, EMOTION, TCTool e MECATESTERS", diz Veldman. Este último é um grande programa de testes de soldagem com a KVE Composites (Haia, Países Baixos) e Rescoll (Pessac, França) que começou em abril de 2019 com duração de 30 meses. Veldman explica que embora a KVE tenha longa história com soldagem por indução de compósitos termoplásticos de fita UD e tecido, as peças soldadas por indução voando em aeronaves até hoje usaram tecido. "No STUNNING estamos estabelecendo melhores práticas com reforços UD e materiais LM PAEK, e também comparando soldagem por indução a soldagem por condução sob condições típicas de carga e ambientais em serviço." Embora soldagem por resistência e ultrassônica estejam incluídas em outros pacotes de trabalho do MFFD e CFPs (veja "Unindo as Duas Metades" abaixo), soldagem por indução e condução são as únicas duas técnicas no MECATESTERS.

Labordus na KVE explica que para os três pacotes de trabalho do MECATESTERS (PT 1, 2 e 3), a KVE fará todos os laminados de teste usando fita UD de fibra de carbono/LM PAEK TC1225 curada em autoclave (veja "Primeiro laminado Toray LM-PAEK para projeto Clean Sky MECATESTERS"). A KVE também preparará amostras soldadas por indução para testes, enquanto a GKN Fokker produzirá amostras soldadas por condução e a Rescoll realizará todos os testes físicos. "O nome Rescoll deriva de research e collage, que em francês significa colagem", diz Labordus. "São conhecidos por sua pesquisa em todos os tipos de colagem e oferecem laboratório de testes bem equipado para polímeros e compósitos, incluindo testes mecânicos, ambientais, inflamabilidade e todo teste possível para qualificação em aeroespacial, automotivo, ferroviário e outras indústrias."

Parâmetros de Processo e Testes

"Na verdade, estamos começando com o PT 2 para definir parâmetros de processo, como limites superiores e inferiores para temperatura e pressão de soldagem por indução", diz Labordus. "Por exemplo, temos uma pressão nominal que normalmente usamos, mas iremos a pressões mais baixas até começarmos a ver defeitos como vazios, e então avaliaremos essas propriedades de solda para estabelecer o limite inferior de pressão." Testes também avaliarão velocidade de solda, que afeta a taxa de resfriamento da solda e cristalinidade, e potencialmente as propriedades mecânicas. Os mesmos parâmetros serão investigados na Fokker para soldagem por condução.

Para avaliação, o programa MECATESTERS realizará múltiplos testes, incluindo:

• Teste de cisalhamento de sobreposição simples per ASTM D5868–01
• Teste de arrancamento e cisalhamento em cupons de perfil L
• GIC e GIIC per ISO 15024 e ISO 15114, respectivamente
  (este teste de tenacidade será realmente concluído no PT 1)

Cupon de cisalhamento de sobreposição simples de laminado de fita UD pronto para soldagem por indução (esquerda) e fixação de teste para teste combinado de cisalhamento e arrancamento de cupom de perfil L soldado usando ferramenta desenvolvida pela Rescoll (direita).

"O método de teste de arrancamento vem de um padrão interno que a GKN Fokker desenvolveu", explica o engenheiro da Rescoll Thomas Salat. "Teste de arrancamento dos perfis soldados é perpendicular à pele para carga de descascamento", nota Labordus, "e paralela à pele para carga de cisalhamento. Descascamento e cisalhamento são os dois extremos, mas também testaremos novas combinações destes que refletem condições práticas de carga em serviço." Este teste será concluído para duas espessuras de laminado distintas derivadas do design da fuselagem MFFD — 2,2 e 2,8 milímetros — à temperatura ambiente (TA), temperatura fria (-55°C) e alta temperatura (80°C) usando carga estática.

Preparação de Superfície, Envelhecimento e Fadiga

O PT 1 começará com testes de tenacidade. "Para o teste de fissuração (GIC e GIIC), iniciaremos uma trinca no compósito e mediremos como esta trinca se comporta quando carregada", explica Salat. "Um é teste estático que aumenta carga até falha. Também faremos teste dinâmico onde repetimos a carga estática um milhão de vezes, o que leva uma a duas semanas para completar. Veremos se a solda do compósito pode suportar esta fadiga. Este modo II é um novo tipo de teste cíclico. Estamos desenvolvendo um método retirado de um artigo técnico publicado pela Universidade da Europa e finalizando os parâmetros agora."

Também no PT 1, os parâmetros de soldagem estabelecidos no PT 2 serão usados para examinar os efeitos de preparação de superfície, bem como envelhecimento e fadiga. "Olharemos contaminantes de superfície e como estes podem afetar a solda", diz Labordus. "Também investigaremos três tipos diferentes de agentes desmoldantes usados comumente em processamento de prensa e autoclave; tipos específicos de preparação de superfície incluindo lixamento, abrasivos e tratamento a plasma; e também uso de filme de resina extra na superfície sendo soldada. Além disso, estudaremos a influência da orientação da fibra, por exemplo mais/menos 45 graus na interface de solda."

A Rescoll também usará câmara de condicionamento a 70°C e 90% umidade para simular envelhecimento em serviço, diz Salat. "Então realizaremos os testes padrão para ver se afeta o desempenho da solda." Labordus adiciona que um número limitado de amostras será levado a 100°C e 120°C, "para validar a alegação de que compósitos termoplásticos não têm knockdown abrupto acima de 80°C."

Além do teste dinâmico de fissuração/GIIC, testes de fadiga serão realizados em modos de cisalhamento de sobreposição simples e arrancamento. "Começaremos a 80 por cento da carga de falha estática e iremos a 50 ou 75 por cento disto em fadiga por um milhão de ciclos", diz Labordus. "Faremos outros testes também mas ainda estamos discutindo estes", adiciona Salat.

Soldagem em Suportes de Composto Curto

Embora os detalhes do PT 3 ainda estejam sendo finalizados, visa investigar soldas de suportes moldados por compressão feitos de material de fibra curta no laminado UD de pele. "Novamente faremos benchmark de parâmetros de processo e caracterizaremos as propriedades mecânicas da solda", diz Labordus, "mas ainda estamos trabalhando para definir a geometria para testes."

Clipes e Suportes Soldados

Conforme delineado no tópico CFP10 JTI-CS2-2019-CfP10-LPA-02-31, todos os clipes de quadro e suportes de sistema para a fuselagem inferior do MFFD serão fabricados via moldagem por injeção de compostos de fibra curta feitos pela reutilização de resíduos de fábrica da produção da GKN Fokker de laminados TPC de fibra contínua. CF/PAEK é o material base e soldagem é o método base de união, embora o método de soldagem específico não seja prescrito.

Segundo o texto do CFP10, a fuselagem inferior do MFFD terá 13 quadros e cerca de 36 longarinas, exigindo aproximadamente 500 clipes de quadro (nota: estes são estruturas primárias exigindo testes estruturais e este total inclui clipes usados para testes) e aproximadamente 270 suportes de sistema (que são estruturas secundárias) divididos conforme os tipos mostrados abaixo: 20 suportes de sistema (1), 120 suportes de sistema (2), 50 suportes de sistema (3) e 80 suportes de sistema (4).

Também no CFP10 está o tópico da fuselagem superior do MFFD JTI-CS2-2019-CfP10-LPA-02-30, "Desenvolvimento de sistemas de soldagem inovadores para juntas estruturais de Compósitos baseados em matriz Termoplástica" liderado pela Aernnova Composites Illescas (Illescas, Espanha). Previsto para começar após 1T 2020, seu escopo é desenvolver um sistema de soldagem para alcançar uma ligação estrutural entre peças de reforço (gussets, cunhas, encaixes) e quadros estruturais para obter uma Estrutura de Contorno de Porta (DSS) altamente integrada.

Unindo as Duas Metades

Uma vez concluída, a metade inferior do MFFD irá para o Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials IFAM (Stade, Alemanha) para ser unida com a metade superior, explica Veldman. "Estamos comprometidos em entregar nossa metade da fuselagem até o final de 2021", ele adiciona.

Como observado acima, Ralf Herrmann na Airbus é o líder do projeto MMFD; assim, a Airbus integra o trabalho do Fraunhofer IFAM e do consórcio CFP07 MultiFAL (Sistema de automação multifuncional para Linha de Montagem de Fuselagem) — que é responsável por unir as duas metades da fuselagem, trabalhando junto com as equipes STUNNING e fuselagem superior — para desenvolver soluções para os inúmeros desafios.

Alguns destes são revelados dentro de dois tópicos na 11ª Chamada para Propostas (Nov 2019), ambos liderados pela Airbus para começar após 4T 2020 e intitulados "Ferramentas, Equipamentos e Auxiliares para o fechamento de uma Junta Longitudinal de Barril":

• JTI-CS2-2020-CfP11-LPA-02-33, "Integração de tira de topo e Continuidade de Proteção contra Raio"
• JTI-CS2-2020-CfP11-LPA-02-34, "Junta de sobreposição e Integração de Acoplamento de Quadro"

Escrito por Piet-Christof Woelcken, gerente de tópico na Airbus Bremen e líder de pacote de trabalho do MFFD, os principais desafios nestes tópicos incluem:

JTI-CS2-2020-CfP11-LPA-02-33

• Junta de tira de topo (Fig. 3 abaixo):
  • O lado esquerdo do demonstrador (na direção de voo) inclui o Contorno de Porta de Passageiros. A variação de espessura da pele nesta área necessita integração de tira de topo escalonada, unindo peles superior e inferior.
  • Dada a complexidade da junta, a soldagem por condução usando placa de pressão aquecida é a tecnologia de união preferida.

• Continuidade elétrica da proteção contra raio (Fig. 4 abaixo):
  • Continuidade elétrica da proteção metálica contra raio (LSP) deve ser alcançada através de ambas as juntas longitudinais no exterior da fuselagem.
  • Espera-se que a cabeça de ferramenta fornecida para integração da tira de topo possa ser usada para este propósito.

JTI-CS2-2020-CfP11-LPA-02-34

• Junta de sobreposição (Fig. 2 abaixo):
  • A junta de sobreposição de 8 metros no lado direito do demonstrador (na direção de voo) conecta as peles superior e inferior da fuselagem. Na direção longitudinal, espessura da pele abaixo de 3mm é constante na zona de soldagem. Na direção circunferencial, as peles apresentam geometria escalonada para desempenho estrutural melhorado.
  • A soldagem ultrassônica é a união preferida para alcançar alta taxa de produção.

Fig. 2 (Topo Esquerdo): Junta de sobreposição: Abordagem escalonada no design da junta de sobreposição. Nota que a carcaça inferior fica no lado interno da fuselagem. Fig. 3 (Base Esquerda): Integração de tira de topo: Várias tiras sobrepostas requerem integração através da junta escalonada. Nota que a tira de topo fica no exterior da fuselagem. Fig. 4 (Direita): Continuidade elétrica de LSP metálico deve ser alcançada através das juntas longitudinais no exterior da fuselagem CFRP. Vermelho indica LSP pré-equipado, azul indica LSP a ser aplicado como parte deste tópico.