Susceptores Móveis: Revolucionando a Soldagem por Indução de Termoplásticos

O Groupe Institut de Soudure (IS Groupe, Villepinte, França) — literalmente "o instituto de soldagem" da França — tem mais de 100 anos de experiência em soldagem de metais e agora está se estabelecendo como líder em soldagem de compósitos termoplásticos. Conforme relatado na feature de 2018 da CW "Soldagem de compósitos termoplásticos", o IS Groupe e sua marca de compósitos Composite Integrity desenvolveram o processo de "soldagem por indução dinâmica" usado para unir longarinas e peles de fuselagem de fita UD de fibra de carbono (CF)/polietercetoncetona (PEKK) no projeto de demonstração "Arches TP" com fornecedor Tier 1 da Airbus, STELIA Aerospace (Toulouse, França), revelado no Paris Air Show 2017.

"Este foi o início de nosso desenvolvimento com soldagem por indução para peças estruturais aeronáuticas", explica Jérôme Raynal, diretor de aeronáutica e compósitos do IS Groupe. "Embora o processo de soldagem por indução dinâmica que desenvolvemos tenha sido bem-sucedido, tinha algumas limitações quanto ao desempenho no raio da longarina unida e aquecimento global do painel porque não há susceptor na interface."

Um susceptor é um material colocado entre os dois aderentes de uma junta de compósito termoplástico soldado que é aquecido pela bobina de indução na cabeça de soldagem. O susceptor pode ser condutor eletricamente para aquecimento resistivo ou magnético para aquecimento por histerese, fundindo a matriz na interface de solda que é simultaneamente pressionada para criar uma junta ligada por fusão com resistência muito alta. Conforme explicado no artigo de janeiro de 2000, "Design de um Susceptor Resistivo para Aquecimento Uniforme Durante Ligação por Indução de Compósitos" por Bruce Fink, Shridhar Yarlagadda e John W. (Jack) Gillespie, susceptores usados em compósitos termoplásticos soldados por indução eram inicialmente uma tela ou malha metálica, às vezes impregnada com polímero.

O IS Groupe acreditava que os problemas iniciais que encontrou poderiam ser resolvidos com mais desenvolvimento. "Iniciamos uma nova rodada de reflexão interna", diz Raynal. Isso incluiu discussões com o fornecedor de materiais termoplásticos (TP) Arkema (Colombes, França) que prosseguiu para uma parceria de desenvolvimento. "Agora desenvolvemos e co-patenteamos nova tecnologia com a Arkema chamada Innovative Solution for Welding (ISW)", adiciona Raynal.

Fundamentos do ISW

"A base do ISW é usar um susceptor para aquecer a interface de solda, mas este é um susceptor móvel ligado à cabeça de soldagem", explica Raynal. "O susceptor nos permite localizar perfeitamente a zona de aquecimento na solda, mas a cabeça de soldagem com susceptor está se movendo para que nada permaneça na interface para perturbar as propriedades da estrutura soldada." Em iterações iniciais de soldagem por indução, susceptores de malha metálica eram deixados na solda, mas isso era visto como indesejável. Técnicas mais recentes conseguiram eliminar susceptores porque a fibra de carbono em laminados aeroespaciais comuns é condutora eletricamente. Isso também permitiu o uso de materiais de fibra de carbono como susceptores.

Outra parte da solução ISW é usar uma matriz TP pura ou camada de baixo volume de fibra na interface de solda para aumentar o fluxo de resina. A temperatura de fusão e viscosidade desta camada de interface podem ser ajustadas e também podem ser funcionalizadas para fornecer condutividade elétrica ou isolamento para prevenir corrosão galvânica, por exemplo, entre fibra de carbono e alumínio ou aço.

Resultados do ISW

"Acabamos com um coeficiente de junta de 80-90%", diz Raynal. Coeficiente de junta corresponde à resistência da solda e é usado com metais, plásticos e compósitos. "Em teste de cisalhamento de sobreposição simples de duas placas pré-consolidadas soldadas juntas usando ISW, alcançamos 80-90% das propriedades das placas de referência não soldadas, consolidadas em autoclave." Estes testes usaram fita UD feita com fibra de carbono Hextow AS7 (Hexcel, Stamford, Connecticut, EUA) e Arkema Kepstan 7002 PEKK.

Raynal diz que ISW pode ser usado para soldar qualquer tipo de matriz: PE, PA, PEKK, PEEK, bem como compósitos termoplásticos reforçados com fibra de carbono, vidro ou aramida. "Também mostramos que não é problema soldar componentes que têm malha de cobre para proteção contra raio (LSP), o que é chave para produção de aeroestruturas", ele adiciona. ISW é projetado para ser totalmente automatizado com a cabeça de soldagem acoplada a um braço robótico de 6 eixos.

Controle de Temperatura

Conforme explicado no artigo Kirk/Yarlagadda/Gillespie acima, um problema comum com susceptores de malha metálica submetidos a campo magnético é a resultante distribuição de temperatura não uniforme na peça sendo soldada. "Controlamos isso usando um susceptor para derreter apenas a interface de solda", explica Raynal. "Sentimos temperatura com um piômetro a laser que na verdade mede a borda do susceptor lateralmente. Então, sabemos exatamente a temperatura na interface. Também usamos resfriamento para ajudar a gerenciar a temperatura e garantir cristalização suficiente no material termoplástico ao longo da solda."

Testes de Soldagem Longarina-Pele da STELIA

O fornecedor Tier 1 da Airbus, STELIA (Toulouse, França), é um dos primeiros clientes para este desenvolvimento de soldagem por indução. IS Groupe e Arkema realizaram um estudo específico para a STELIA para soldar uma longarina de CF/PEKK de 7 camadas em uma pele de 14 camadas com malha de cobre para proteção contra raio (LSP). O alvo final é soldar estruturas de 30 metros de comprimento, com seções retas e duplamente curvas. Os componentes foram feitos usando fita UD de 194 gsm compreendendo fibra de carbono Tenax HST45 (Teijin, Osaka, Japão) e Kepstan 7002 PEKK. A STELIA especificou uma solda homogênea com desempenho mecânico >85% do material de referência consolidado em autoclave e sem degradação de propriedades térmicas ou mecânicas dos aderentes. Também solicitou um processo robusto quanto a mudança de espessura do aderente. Testes químicos e de propriedades nos componentes soldados foram realizados pelo IS Groupe.

IS Groupe e Arkema conseguiram atender aos requisitos da STELIA, alcançando >85% do desempenho de cisalhamento de sobreposição simples (SLS) e resistência ao cisalhamento interlaminar (ILSS) comparado aos laminados de referência consolidados em autoclave. Não houve descompactação ou degradação nos laminados dos componentes ou malha LSP. A única área onde ficaram aquém é velocidade. A STELIA solicitou velocidade de solda ≥ 1 metro/minuto. "Atualmente, estamos a 0,3 metros (10 polegadas) por minuto", Raynal concede, "mas continuamos trabalhando em direção a essa velocidade alvo." Existe limite de espessura de substrato que pode ser soldado? "Podemos soldar espessuras típicas de estruturas aeroespaciais e soldamos componentes de 5 milímetros de espessura a um substrato de 5 milímetros."

Parceria Arkema, Oportunidades e Desafios

Por que trabalhar com a Arkema? "Porque há uma relação entre a tecnologia e os materiais", explica Raynal. "Por exemplo, os materiais na interface e sua fração de volume fazem diferença. Somos especialistas em processo, mas precisávamos trabalhar próximo com um parceiro para materiais. Este desenvolvimento conjunto foi necessário para otimizar completamente a tecnologia de soldagem."

IS Groupe e Arkema são co-proprietários da tecnologia ISW e protegeram esta tecnologia por um portfólio de patentes sólido que já inclui cinco pedidos de patente franceses e internacionais. ISW pode ser usado com qualquer matriz de compósito termoplástico, e o IS Groupe está demonstrando a tecnologia através de programas que tem com empresas na Europa e EUA, incluindo Latécoère (Toulouse, França), e Collins Aerospace Aerostructures (Chula Vista, Califórnia, EUA).

Para a Arkema, o foco está no PEKK, diz Raynal, notando sua aliança estratégica de 2018 com a Hexcel para desenvolver fitas termoplásticas CF para aeronaves futuras, focando em fornecer menor custo e velocidades de produção mais rápidas para seus clientes. Como parte desta parceria, um laboratório conjunto de P&D está sendo estabelecido na França.

O projeto Highly Automatized Integrated Composites for Performing Adaptable Structures (HAICoPAS) de 13,5 milhões de euros e 48 meses é uma continuação da aliança estratégica Arkema-Hexcel. Esta colaboração toda francesa inclui IS Groupe, bem como projetista de máquinas customizadas Ingecal (Chassieu), Coriolis Composites (Quévén), Pinette Emidecau Industries (Chalon Sur Saone) e um consórcio de laboratórios universitários. HAICoPAS otimizará o design e fabricação de materiais para produção de peças compósitas para alcançar custo competitivo em alta velocidade. Também visa desenvolver tecnologia mais produtiva para colocação/laminação de materiais compósitos e novo sistema para montagem de peças finais por soldagem com controle de qualidade online.

Aplicações alvo incluem estruturas primárias de aeronaves, peças estruturais para indústria automotiva e dutos para indústria de óleo e gás. Benefícios de reciclabilidade e sustentabilidade fornecidos por materiais termoplásticos também são importantes para estes mercados e serão demonstrados e quantificados no HAICoPAS.

"Um dos benefícios que podemos oferecer com ISW é redução de mais de 50% na potência elétrica requerida versus nosso processo de soldagem por indução dinâmica de 2017", Raynal aponta. "Com indução convencional, você precisa de alta potência para aquecer a superfície. Mas com um susceptor na interface, a superfície que você aquece é muito menor, requerindo muito menos energia." Ele nota que isso também ajuda a evitar descompactação no raio das longarinas. "Se você aquece demais, pode amolecer o material no raio e permitir que as fibras aqui se movam. Então, precisamos aquecer perfeitamente apenas a zona de contato dos substratos soldados sem aquecer o raio. Com ISW, isso não é problema."

Há ainda questões térmicas, no entanto. "Com formas planas, controle térmico é direto, mas se torna mais desafiador com complexidade de forma aumentada", diz Raynal. "Para 2020, o objetivo principal é continuar o desenvolvimento e alcançar soldagem de longarinas em pele em escala representativa. Nosso foco também é introduzir a tecnologia em novos programas de desenvolvimento de aeronaves."

Para mais detalhes, veja Composite Integrity no JEC World 2020, Hall 5, Estande N89.