RTM por Compressão: Avançando a Produção de Aeroestruturas Compósitos Futuras

O Desafio da Produção em Alta Taxa

Os compósitos conquistaram lugar permanente nas estruturas de aviões comerciais porque permitem estruturas leves de alta resistência que proporcionam menores custos de manutenção comparados ao metal. Projeções atuais para a próxima geração de aeronaves de fuselagem larga e estreita mostram crescimento contínuo em fuselagens compósitas, mas apenas se materiais e processos puderem atender metas desafiadoras de baixo custo e altas taxas de produção. Embora o pré-impregnado epóxi curado em autoclave tenha reinado supremo em polímeros reforçados com fibra de carbono (CFRP) para estruturas aéreas até hoje, desenvolvedores da próxima geração de aeronaves buscam agressivamente tecnologias fora de autoclave (OOA) com automação integrada e inspeção inline como habilitadores-chave para a futura produção da Indústria 4.0.

O fornecedor de equipamentos e automação Techni-Modul Engineering (Coudes, França) e sua subsidiária nos EUA Composite Alliance Corp. (Dallas, Texas, EUA) fizeram parceria com as unidades de negócios do Reino Unido e França do fornecedor de materiais avançados Hexcel (Stamford, Conn., EUA) para demonstrar a produção automatizada OOA de nervuras e longarinas em CFRP. As peças são feitas com pré-formação automatizada de reforços de fibra de carbono seca da Hexcel e um processo de moldagem por transferência de resina por compressão (C-RTM) que oferece infiltração rápida da resina epóxi líquida HexFlow RTM6 da Hexcel para produzir peças com 60% de volume de fibra e menos de 1% de vazios em um ciclo de 2,5 a 3,0 horas que pode ser escalado para produzir múltiplas peças para produção em alta taxa.

Desenvolvimento de Reforços Secos

"Vemos a moldagem de compósitos líquidos (LCM) como uma resposta ao desafio triplo de reduzir custo, estar pronto para alta taxa e fornecer desempenho de estrutura primária", explica Rémy Pagnac, engenheiro de suporte técnico da Hexcel para moldagem de compósitos líquidos. A Hexcel desenvolveu seus materiais de fibra de carbono unidirecional (UD) HiTape e tecido não ondulado (NCF) HiMax para atender às necessidades de desempenho de estrutura primária ao usar processos LCM. O HiMax permite que grandes estruturas planas, como revestimentos de asa, sejam depositadas rapidamente, enquanto o HiTape permite deposições personalizadas para grandes estruturas complexas com desperdício mínimo. "Podemos atingir propriedades iguais às dos pré-impregnados UD de última geração", adiciona Pagnac.

A Hexcel trabalhou para reduzir volume e melhorar drapeabilidade com o NCF HiMax, incluindo um fio de costura fino de 20 dTex. Os materiais HiMax são fabricados na antiga instalação da Formax em Leicester, Reino Unido, que a Hexcel adquiriu em 2016. Os multiaxiais leves de tow espalhado produzidos nesta instalação já tinham longa história de fornecer soluções para aplicações exigentes como iates de corrida, supercarros e carros de Fórmula 1. Agora, materiais NCF foram usados em um projeto demonstrador de asa concluído pela Airbus Defense and Space (Airbus DS, Cádis, Espanha) e Danobat (Elgoibar, Espanha) usando a tecnologia Automated Dry Material Placement (ADMP) desta última — um tipo de colocação automatizada de fibra (AFP) para NCF — e no projeto ZAero patrocinado pela Airbus para estruturas CFRP de zero defeito, como revestimentos de asa reforçados com longarinas.

Tanto com HiMax quanto HiTape, a Hexcel integra camadas de véu de filamento termoplástico fino e de baixo peso areal que atuam como aglutinante, eliminando a necessidade de aglutinantes em pó historicamente usados em materiais secos para pré-formação e moldagem líquida. Para o HiMax, este véu é intercalado entre camadas NCF; para o HiTape, o véu é aplicado em ambos os lados da unitapa de fibra de carbono. "Com isso, não precisa usar aglutinante em pó para manter as camadas UD no lugar", explica Pagnac. "O HiTape é calibrado, e não é uma fita cortada, então não há penugem e há menos variação na largura para processamento AFP melhorado. O véu termoplástico também adiciona tenacidade ao laminado final, e demonstramos que podemos atingir altas taxas de deposição de material com a próxima geração de máquinas AFP." Em um artigo SAMPE de maio de 2015, a Hexcel descreve um pré-forma de curvatura única fabricada usando HiTape de 0,25 polegadas de largura aplicada com uma máquina AFP Coriolis Composites (Quimper, França) equipada a laser a uma velocidade de deposição de 1 metro/segundo. Também trabalhou com equipamentos AFP da Electroimpact (Mukilteo, Wash., EUA) para demonstrar taxas de deposição de até 150 kg/hora para uma estrutura aeroespacial de longarina em tamanho real.

Adaptando C-RTM para Aeroespacial

O C-RTM foi introduzido pela primeira vez com RTM de alta pressão (HP-RTM) para compósitos automotivos. Como no RTM convencional, o C-RTM envolve colocar um pré-forma de fibra seca em um molde metálico combinado, injetar resina líquida no pré-forma e então aplicar calor e pressão usando uma prensa acionada. No C-RTM, no entanto, o molde é apenas parcialmente fechado, deixando um espaço entre o pré-forma seco e a superfície superior do molde (Fig. 1). O vácuo é então aplicado, uma dose precisa de resina misturada é injetada e a prensa fecha a lacuna no molde, forçando a resina líquida para baixo no pré-forma na direção z através de toda a peça. "Isso é muito mais rápido do que injetar a resina no plano através da peça", explica o engenheiro de processos da Techni-Modul Engineering, Thomas Chevallet.

A Techni-Modul Engineering viu uma oportunidade de adaptar o C-RTM para aeroespacial durante seu papel como parceira no projeto Clean Sky 2 "Optimized Composite Structures" (OPTICOMS). Organizado dentro do Work Package B-1.2 ("More affordable composite structures"), o OPTICOMS visa reduzir custos de produção de aeronaves pequenas (ex: jatos regionais) via estruturas integradas e manufatura automatizada, explorando tanto métodos de pré-impregnado quanto de resina líquida. O OPTICOMS projetou um demonstrador de asa compósita compreendendo um revestimento superior de asa com três longarinas, produzido como estrutura integrada em um processo one-shot. A asa em escala real (Fig. 2) faz parte de um Demonstrador de Tecnologia Inovadora (ITD) AIRFRAME para avaliar e madurar tecnologias em direção ao nível de prontidão tecnológica (TRL) 6 para aeronaves de próxima geração em produção a partir de 2025 em diante. A Israel Aerospace Industries (Lod, Israel) foi selecionada como coordenadora do OPTICOMS em julho de 2016. O consórcio também inclui o OEM de aeronaves pequenas Piaggio Aerospace (Savona, Itália), a Techni-Modul Engineering e fornecedores de equipamentos AFP Coriolis Composites e Danobat.

"O C-RTM era bem conhecido na indústria", explica Chevallet, "mas com HP-RTM, ainda é necessária uma grande prensa. Nosso desenvolvimento foi adaptar o C-RTM para injeção rápida usando pressões mais baixas, permitindo produção menos custosa de peças aeroespaciais com requisitos muito rigorosos para alto volume de fibra, alinhamento de fibra e baixos vazios. O tempo de injeção para a nervura de asa de 0,7 metro de comprimento por 0,2 metro de largura no projeto OPTICOMS foi reduzido de 40 para cinco minutos. Em um programa de teste separado para uma longarina em I medindo 900 mm de comprimento e 150 mm de altura, o tempo de injeção foi encurtado de uma hora para menos de cinco minutos."

"Esta redução no tempo de injeção oferecida pelo C-RTM seria ainda maior para peças grandes como revestimentos de asa completos ou pás de rotor de helicóptero", adiciona Chevallet. Ele observa que o C-RTM também permite injeção de resinas de alta viscosidade, bem como sistemas de injeção de baixa pressão e prensas de menor tonelagem, que reduzem custos. "A pressão do molde durante o C-RTM é de apenas 6 bar, muito menor que a usada no HP-RTM", explica Chevallet. "O processo alcança compósitos de qualidade aeroespacial, mas funciona bem para peças grandes e finas e peças menores de formato complexo."

Pré-formação Automatizada

Embora injeção de resina mais rápida e de menor custo e moldagem OOA sejam partes-chave desta abordagem para produção de aero compósitos mais acessível, a cadeia de processo ainda requer múltiplas etapas para corte e deposição de materiais e pré-formação. "Para nós, o OPTICOMS também era sobre automação", diz Chevallet. A Techni-Modul Engineering forneceu não apenas um sistema de injeção C-RTM para o projeto OPTICOMS, mas também um robô pick-and-place e uma máquina de conformação a quente por drape (HDF), todos integrados em uma célula de produção totalmente automatizada.

Pouco após o início do OPTICOMS em 2016, a subsidiária CAC da Techni-Modul Engineering ganhou o prêmio ACE Equipment and Tooling Innovation Award na categoria manufatura por sua célula automatizada de pré-formação 3D na CAMX 2016 (26-29 set, Anaheim, Calif., EUA). Capaz de produzir pré-formas 3D de fibra seca ou pré-impregnado, a célula usava garras de sucção a vácuo para pegar, colocar e dobrar camadas cortadas sobre um molde de pré-forma aquecido. A Techni-Modul Engineering e a CAC desenvolveram software para preparar as camadas cortadas de materiais 2D para conformação em superfícies complexas e desenvolvíveis. Esta célula foi desenvolvida further no OPTICOMS e no projeto de teste de viga em I.

Processo Passo a Passo

Passo 1: Dentro da célula automatizada da Techni-Modul Engineering, um robô pick-and-place remove camadas de um cortador automatizado e as aplica a uma ferramenta de pré-formação aquecida.

Passo 2: As ferramentas de pré-formação ficam sobre uma mesa de compactação com uma membrana de vácuo reutilizável articulada (azul, à esquerda) usada para completar um desengrossamento aquecido a cada 5-8 camadas durante a deposição.

Passo 3: Cada ciclo de pré-formação da longarina produz um pré-forma em C (dois compõem a alma da viga em I) e um pré-forma de aba plana. Dois conjuntos necessários para cada longarina em I são mostrados aqui.

Passo 4: Os quatro pré-formas da longarina em I são colocados no molde RTM, vácuo é aplicado e a injeção de resina é completada em 5 minutos.

Passo 5: Após cura de 90 minutos, a longarina é desmoldada e o excesso de resina é aparado para um ciclo completo de peça de 4,5 horas.

Passo 6 – Pré-formação da nervura: Um robô coloca camadas cortadas na ferramenta de pré-formação aquecida. A cada 5-8 camadas, um desengrossamento aquecido é completado para compactar o pré-forma. Antes do desengrossamento, filme de liberação azul é aplicado. Material respirador é usado para extrair ar através do pré-forma. Após desengrossamento final, o pré-forma é resfriado na ferramenta e recortes são aparados.

"Automatizamos a empilhamento manual clássico de camadas usando pick-and-place robótico", diz Chevallet. "O robô pega camadas de um cortador automatizado e as transfere para a ferramenta de pré-formação aquecida que fica sobre uma mesa de compactação. Um peel ply (filme azul no Passo 6), respirador (material branco no Passo 6) e membrana de vácuo reutilizável articulada (azul claro à esquerda nos Passos 2 e 6) são aplicados, seguidos por vácuo e calor para pré-formar e remover ar da pilha têxtil (conformação a quente por drape, HDF) enquanto derrete os véus termoplásticos finos para criar um pré-forma compactado."

"Quantas camadas você pode compactar de uma vez depende dos materiais e formato da peça", explica Chevallet. "Para peças com baixa curvatura, como um revestimento de asa, você poderia possivelmente compactar a cada 50 camadas. A nervura OPTICOMS, no entanto, tem ângulos de 90 graus, e a viga de teste em I tem formas em T, então você deve ter cuidado para não formar rugas nas camadas durante a pré-formação." Ele adiciona que tais formas complexas podem requerer compactação a cada 5-8 camadas, mas ainda podem fazer parte de um processo industrializado de alto volume: empilhar camadas, compactação HDF de 2 minutos, reabrir e empilhar novamente, seguido por ciclos repetidos de compactação com resfriamento final do pré-forma na ferramenta antes da transferência para o molde RTM.

"Nossa célula automatizada pode colocar a uma taxa de 15 segundos por camada", observa Chevallet. "A deposição para a nervura OPTICOMS, com menos de 20 camadas no total, foi completada em 20 minutos. A deposição para a viga em I foi mais longa — 45 minutos — devido à sua forma complexa e empilhamento de laminado, incluindo variações de espessura de 1,2 a 6 milímetros. Isso ainda é muito mais rápido que processos manuais e reduz risco de erro, aumenta repetibilidade e qualidade enquanto diminui custo."

Passos 7-10: Moldagem e Cura

Passo 7: A ferramenta RTM para a nervura OPTICOMS compreende múltiplas partes.

Passo 8: O pré-forma da nervura é colocado na ferramenta RTM.

Passo 9: Vácuo é aplicado, resina é injetada e infiltra o pré-forma, seguido por cura de 90 minutos. Aqui, a prensa foi aberta para revelar a peça curada.

Passo 10: Após desmoldagem completada, o excesso de resina será removido para um ciclo completo de peça de 4 horas.

Controle Inteligente

Outra característica-chave da célula de pré-formação automatizada da Techni-Modul Engineering é seu sistema de controle integrado. Referido como SMART CONTROL, sua espinha dorsal é um sistema de câmera e software multiúso que compara fotos tiradas durante o processamento ao banco de dados CAD da peça, permitindo reconhecimento de forma do pré-forma, controle de orientação de fibra, posicionamento de camadas e detecção de defeitos e detritos de objeto estranho (FOD). O feedback do SMART CONTROL instrui o robô como pegar e colocar as camadas na sequência e tempo certos, mas também alerta o operador da célula quando detecta erros. "O sistema pode ser configurado para que o operador então remova manualmente a camada e reinicie o sistema para substituí-la", explica Chevallet, "ou podemos trabalhar com o cliente para criar uma solução automatizada para remover camadas defeituosas e corrigir erros."

As mesmas imagens ópticas usadas para detectar bordas e contornos de camadas também são usadas para controlar orientação de fibra. Chevallet concede que se a peça for muito grande (ex: 2 metros de comprimento comparado a 200 por 200 milímetros), "você pode precisar de uma câmera tirando fotos de posição vertical mais alta para detectar as bordas das camadas, e então se aproximar da peça para verificar orientação de fibra. Você calibra esta sequência para cada tipo de peça. Para detectar rugas e FOD, há um banco de dados de diferentes defeitos e você pode adicionar a este, então o algoritmo de deep learning melhora com o tempo. A ideia é ter um sistema adaptativo."

Tempo de Ciclo e Produção Futura

Pré-formas para a nervura OPTICOMS foram feitas usando HiMax, e a viga em I usou HiTape. O sistema de resina para ambos foi o epóxi líquido monocomponente (1K) HexFlow RTM6 da Hexcel, que tem um ciclo de cura de 90 a 120 minutos a 180°C. Esta cura é a etapa mais longa nos tempos de ciclo de peça para tanto a nervura OPTICOMS quanto a viga em I de teste, como pode ser visto na Tabela 1.

Até o momento, este tem sido o único epóxi qualificado para RTM de estruturas aeroespaciais. No entanto, o interesse cresce em qualificar sistemas de dois componentes que são misturados no cabeçote de injeção, oferecendo maior flexibilidade no ciclo de cura e eliminando a necessidade de envio e armazenamento refrigerados necessários para evitar reação prematura do RTM6 pré-misturado.

A Airbus Helicopters (Donauworth, Alemanha) trabalhou com a Alpex Technologies (Mils, Áustria) no projeto SPARTA para demonstrar um processo HP-RTM usando uma versão de dois componentes do HexFlow RTM6 para atingir curas de 30 minutos a 180°C para um batente de porta A350, que é uma estrutura primária de formato complexo medindo 2 metros de altura, 200-250 mm de largura e 8-10 mm de espessura. A Airbus também demonstrou uma nervura CFRP de 1,5 metro por 0,5 metro feita usando HP-RTM por sua subsidiária Composite Technology Center (CTC, Stade, Alemanha), atingindo ciclos de moldagem de 20 minutos para peças com 60% de volume de fibra e menos de 2% de vazios. No último ano, o CTC trabalhou com vários fornecedores de nível 1 para transicionar peças de pré-impregnado de deposição manual para HP-RTM para o A320. No entanto, sistemas de resina 2K devem ser qualificados para produção de aeroestruturas, e o CTC está preocupado com a capacidade de garantir continuamente a qualidade da mistura de sistemas de resina 2K in situ. A Alpex está usando sensores in-mold da Netzsch (Selb, Alemanha) e Kistler (Winterthur, Suíça) para ajudar a alcançar isso, e outras soluções estão sendo desenvolvidas.

Mesmo sem sistemas 2K, volumes de produção maiores podem ser possíveis. Batentes de porta no projeto SPARTA foram removidos após a cura inicial de 30 minutos a 180°C e pós-curados fora da prensa, sob vácuo para remover tensão térmica e garantir propriedades mecânicas. Segundo o chefe de P&D da Alpex, Bernhard Rittenschober, isso requer conjuntos extras de ferramentas, mas apenas uma única prensa e unidade de injeção. Ele explica que o custo extra da ferramenta é compensado por menor custo de processo e prensa e pode ser recuperado rapidamente, mesmo com volume baixo de 500-1.000 peças/ano.

"A principal conquista destes demonstradores é a capacidade de fazer aeroestruturas primárias com injeção de resina curta versus processos RTM aeroespaciais convencionais, onde tem sido um processo difícil e longo infiltrar resina em tais peças grandes com reforços de fibra de carbono UD", diz Pagnac. "Estamos apenas no início do que podemos alcançar com este tipo de pré-formação inteligente automatizada e processamento C-RTM", adiciona Chevallet. "Tem o potencial de alcançar a produção mais custo-efetiva e sustentável de estruturas de pele com longarinas integradas sendo imaginadas para aeronaves futuras."