Impulsionando Inovação em Compósitos Termoplásticos com RTM para Clean Sky 2 na Espanha

O EURECAT Centro Tecnológico de Catalunya (EURECAT Technology Centre Catalonia, Barcelona, Espanha) é uma organização privada de P&D sem fins lucrativos com 11 instalações, 650 funcionários e 50 milhões de euros em receitas anuais. "É o segundo maior centro de P&D na Espanha", explica Angel Lagraña Hernandez, diretor de programa para o mercado aeroespacial e espacial no EURECAT. Ele explica que parte da receita do EURECAT vem do governo catalão e do restante, metade deve vir de empresas privadas — principalmente pequenas e médias empresas (PMEs) — enquanto a outra metade pode ser pública, como o programa Clean Sky 2 financiado pela União Europeia. "Agora temos 18 projetos Clean Sky", nota Lagraña, "os quais fomos premiados puramente com base em submissões competitivas em resposta a chamadas para propostas."

Exemplos de como compósitos figuram nos numerosos objetivos e demonstradores tecnológicos planejados do Clean Sky 2 incluem:

• O próximo Demonstrador de Fuselagem Multifuncional — aproveitando termoplásticos para céus mais limpos
• Economia Circular: Fuselagem Compósito para aeronave regional toma forma
• Aproveitando expertise de automobilismo para FastCan do Clean Sky

"O EURECAT é altamente transversal, trabalhando em automotivo, ferroviário e outras indústrias além de seu trabalho em aeroespacial", diz Lagraña. "Também tem muitas atividades em TI como analytics de dados e blockchain, etc. Compósitos 4.0 é uma de suas áreas estratégicas." Dentro de compósitos, ele nota que o EURECAT foca principalmente em tecnologias fora de autoclave (OOA). "Focamos em termoplásticos e moldagem por compressão líquida, incluindo monitoramento de processo em tempo real, incluindo monitoramento da temperatura de transição vítrea (Tg) da resina durante o processamento." (Continue lendo até a seção sobre COFRARE, no final deste blog, para ver mais sobre este monitoramento de Tg.)

Os projetos mais recentes relacionados a compósitos do EURECAT no Clean Sky 2 incluem:

• KEELBEMAN para demonstrar uma viga quilha de compósito termoplástico (Este projeto recebeu financiamento do Clean Sky 2 Joint Undertaking sob o programa de pesquisa e inovação Horizon da União Europeia sob GAP n° 785435 KEELBEMAN);
• WINFRAME 4.0 para construir caixilhos de janela de compósito termoplástico (TPC) para o demonstrador Green Regional Aircraft (GRA) no Clean Sky (2008-2017) e estendido para o Regional Aircraft IADP (Plataforma Demonstradora de Aeronave Inovadora) no Clean Sky 2 (2014-2024);
  (Este projeto recebeu financiamento do Clean Sky 2 Joint Undertaking sob o programa de pesquisa e inovação Horizon da União Europeia sob GAP n° 821323 WINFRAME 4.0.)
• COFRARE 2020 para estruturas de fuselagem termofixas feitas usando moldagem por transferência de resina (RTM) com tirantes de cisalhamento TPC.
  (Este projeto recebeu financiamento do Clean Sky 2 Joint Undertaking sob o programa de pesquisa e inovação Horizon da União Europeia sob GAP n° 821261 COFRARE 2020.)

Viga Quilha de Compósito Termoplástico

Clean Sky 2 - JTI-CS2-2017-CFP06-LPA-02-20. Duração do projeto: Março 2018 a Dezembro 2019

O objetivo do projeto KEELBEMAN é desenvolver uma estrutura de viga quilha orientada para manufatura para aeronave tipo A320 que permita altas taxas de produção de aeronaves mas a custo acessível via compósitos termoplásticos. Além do EURECAT como coordenador do projeto, parceiros incluem:

• Airbus (Toulouse, França) como gerente de tópico
• CETMA (Centro Europeu de Pesquisa para Tecnologias Design e Materiais, Brindisi, Itália)
• O Grupo CT Engineering (CT Ingenieros, Madrid, Espanha), uma empresa com numerosos escritórios globais que tem contrato multi-anual com Airbus para desenvolvimento de aeronaves como pesquisa em fuselagem, asas e traseira via seu escritório em Hamburgo, Alemanha; pesquisa na traseira (Espanha); pesquisa em fuselagem e estruturas relacionadas a planta de potência (Toulouse, França) e desenvolvimento de asa (Bristol, Reino Unido)
• Sofitec (Sevilha, Espanha), especialista em manufatura e montagem de aeroestruturas com expertise e capacidade de produção em compósitos.

O Grupo CT Engineering forneceu modelagem completa da geometria da viga quilha via seu escritório em Toulouse, enquanto a Sofitec desenvolveu ensaio não destrutivo (END) de inspeção. "Isso é muito desafiador com uma estrutura de caixa tão fechada", aponta Lagraña.

Desenvolvimento de Estruturas de Viga Quilha

"Hoje, a maioria das vigas quilha de aeronaves são feitas em metal exceto o Airbus A350, que é compósito de fibra de carbono monolítico", diz Lagraña. "Isso requer grande número de rebites e quantidade significativa de tempo para montagem." Ele explica que a viga quilha é uma estrutura crítica na fuselagem, "Houve casos onde a viga quilha quebrou durante pouso, causando toda a fuselagem a rachar e quebrar.

Segundo artigo de 2011 de Steve Wilhelm, a viga quilha do A350 é 70% compósito, 54 pés (16,5 metros) de comprimento, montada com 10.000 fixadores, pesa 1,2 toneladas e forma a espinha dorsal da aeronave. Wilhelm nota que a aeronave competitiva Boeing 787 "não depende de estrutura de quilha tão robusta, porque mais da resistência do casco vem de barris compósitos que são fixados extremidade a extremidade." O artigo então cita Michel Merluzeau, sócio gerente da consultoria aeroespacial G2 Solutions LLC (Kirkland, Wash., EUA), que descreve o design da Airbus como "mais convencional" e "menos arriscado" mas aponta que a viga quilha é "essencial para a integridade estrutural daquela aeronave."

A Airbus na verdade pioneirou uma viga quilha compósita para o A340 em 2001. Mas como descrito acima, o alto número de rebites requerido trabalha contra a economia de peso possível usando compósitos. Assim, uma meta-chave no projeto KEELBEMAN é minimizar fixadores usando componentes de compósito termoplástico que são soldados juntos.

Viga Quilha TPC

"O desenvolvimento de uma viga quilha de compósito termoplástico usando soldagem para montagem é parte do desenvolvimento da aeronave do amanhã pela Airbus, que inclui programas como Asa do Amanhã e Fuselagem do Amanhã", diz Lagraña. "Dentro do KEELBEMAN, produzimos uma seção demonstradora de 250 mm por 500 mm por 1 metro de comprimento de uma viga quilha com longarinas e demonstramos a viabilidade de soldar esta estrutura com o máximo de automação possível."

Lagraña nota que as placas de parede e longarinas do demonstrador foram feitas usando fita unidirecional (UD) de fibra de carbono/polietercetonecetona (PEKK) em um processo de moldagem por compressão contínua (CCM) desenvolvido pela CETMA (veja "Moldagem por compressão grau aeroespacial" e "PEEK vs. PEKK vs. PAEK e moldagem por compressão contínua"). "Também há nervuras para reforços transversais que foram feitas usando moldagem por compressão não-isotérmica tradicional pelo EURECAT", adiciona Lagraña.

Soldagem por Indução como Habilitador-Chave

Lagraña nota que a CETMA desempenhou papel chave não apenas na produção de peças para KEELBEMAN, mas também na montagem do demonstrador usando sua máquina e tecnologia de soldagem por indução patenteada. Esta soldagem foi originalmente desenvolvida no projeto ECO FAIRS do primeiro programa Clean Sky (2011-2014), junto com a moldagem por compressão isotérmica e não-isotérmica de estruturas TPC mostradas acima. No ECO FAIRS, a CETMA usou todas estas tecnologias para produzir um protótipo demonstrador baseado no painel superior existente (painel de pele reforçado com longarinas) de uma cauda de helicóptero Agusta Westland, bem como um demonstrador de fairing de sponson curvo. Embora estes fossem feitos usando CETEX (fornecido pela TenCate, agora Toray Advanced Composites) têxtil de carbono T300 3K 5HS com filme PPS (polifenileno sulfeto) de dupla face, a CETMA também provou soldagem por indução com compósitos PEEK e PEI.

A CETMA selecionou soldagem por indução (IW) como a mais promissora das técnicas de soldagem de compósitos termoplásticos e trabalhou com o especialista em engenharia de soldagem e eletrônica SINERGO srl (Valdobbiadene, Treviso, Itália) para desenvolver uma nova máquina de soldagem por indução. A máquina SICE 1 WIDE baseada em gantry oferecida pela SINERGO (veja imagem abaixo) é capaz de soldagem contínua de peças de qualidade aeroespacial até 1 metro por 1 metro. Inclui um sistema de controle robusto para garantir distribuições de temperatura otimizadas sejam alcançadas dentro dos materiais sendo soldados. A máquina é equipada com um cilindro resfriado para aplicar pressão de consolidação e com um sistema de resfriamento a ar para remover calor onde requerido, como nas bordas, onde o fluxo de correntes parasitas elétricas induzidas é constrito, resultando em alta densidade de corrente e superaquecimento. Também é possível instalar o cabeçote de soldagem por indução da CETMA em um braço robótico de 6 eixos para soldagem de formas geometricamente complexas.

A CETMA também desenvolveu a capacidade de otimizar seu processo de soldagem por indução usando ferramentas de simulação, realizando análise numérica usando software de modelagem de elementos finitos (FEM) COMSOL Multiphysics (COMSOL Inc., Burlington, Mass, EUA). Verificou estes modelos através de grande número de testes físicos. A CETMA confirmou seus parâmetros de processo otimizados por testes de sobreposição única em cupons soldados, nos quais valores de resistência ao cisalhamento foram muito próximos ao máximo reportado na literatura. Notavelmente, estes também foram muito maiores que os valores máximos ao usar adesivos estruturais, diz a CETMA.

A CETMA provou sua capacidade de soldagem para uma ampla variedade de materiais, incluindo fibra de carbono tecida e UD, bem como PEEK, PEI, PEKK, PP, PA6, PA12 e até soldagem a CF/epóxi usando uma camada híbrida termoplástica PVB (polivinil butiral) para transição do substrato termofixo para a face termoplástica para soldagem. (Grande parte dos detalhes desta seção foram extraídos da apresentação de competências da CETMA e do relatório final CORDIS para ECO FAIRS.) A CETMA aplicou para patente europeia em 2014 e inventores Silvio Pappada e Andrea Salomi foram premiados com patente EP2801472A1 em 2016. A CETMA publicou numerosos artigos e apresentações sobre esta tecnologia.

Status KEELBEMAN e Caminho Adiante

A Airbus visitou a CETMA em dezembro para ver a soldagem final da seção demonstradora de 1 metro, e a equipe KEELBEMAN também realizou revisão final de nível de prontidão tecnológica (TRL). "Estamos obtendo bons resultados e amadurecendo a tecnologia de TRL 3 para TRL 4", diz Lagraña. Próximos passos poderiam incluir desenvolvimento adicional para TRL 6 e produção de uma viga quilha em escala real para ser instalada em um dos demonstradores do Clean Sky 2, como a fuselagem central inferior em tamanho real WP 2.3.2, mas isto ainda não foi decidido.

Projeto WINFRAME 4.0 para Caixilhos de Janela TPC

Outro programa de compósito termoplástico (TPC) para o EURECAT é o WINFRAME 4.0, com objetivo de desenvolver e manufaturar 24 caixilhos de janela para um demonstrador integrado de solo de fuselagem/cabine de aeronave regional (veja explicação dos desenvolvimentos do Clean Sky 2 para Aeronave Regional e Demonstrador de Fuselagem e Cabine de Passageiros Inovadora em Escala Real abaixo). Parceiros do WINFRAME 4.0 incluem:

• Empresa aeroespacial multinacional Leonardo (Roma, Itália) como gerente de tópico
• EURECAT
• Sofitec.

"O método que estamos usando pode produzir um caixilho de janela a cada 10 minutos", diz Lagraña. Etapas de produção incluem: aquecer blanks de laminado TPC em forno, transladar para molde, fechar molde em prensa, aplicar calor e pressão por 10-20 minutos e desmoldar peça(s) acabada(s). "Esta abordagem não apenas atinge ciclos mais curtos que moldagem líquida mas também ferramental muito menos caro", ele adiciona. "O processo é bem conhecido na indústria automotiva, é moldagem por compressão em configuração altamente automatizada que aumenta a qualidade da peça, mas os materiais aeroespaciais usados são diferentes, neste caso um PPS reforçado com fibra de carbono e fibra de carbono da Toray Advanced Composites (antiga TenCate). Ao final deste projeto, teremos alcançado TRL 6 para estas tecnologias", diz Lagraña.

Projeto COFRARE: Estruturas C RTM e Tirantes de Cisalhamento Termoplásticos

O projeto COFRARE 2020 é uma extensão do projeto inicial COFRARE 2.0:

Clean Sky 2 - JTI-CS2-2015-CFP02-AIR-02-16. "Desenvolvimento de processo para manufatura de estruturas compósitas com alta taxa de produção e baixo custo" Projeto duração: 2016 a 2018.

O objetivo do projeto Clean Sky 2 COFRARE 2.0 era desenvolver um processo de manufatura competitivo e viável para estruturas de fibra de carbono compósitas a serem usadas em fuselagem baseada em painéis compósitos para aeronave regional. Parceiros incluíram:

• Fornecedor Tier 1 aeroespacial baseado em Nápoles e empresa de engenharia/industrialização DEMA (Design Manufacturing SpA, Somma Vesuviana, Itália)
• EURECAT
• Centro Tecnológico LGAI S.A., uma divisão dos Applus+ Laboratories em Barcelona, Espanha forneceu testes.

O objetivo do projeto COFRARE 2020 de próxima geração é manufaturar estruturas e tirantes de cisalhamento em escala real a serem usados no demonstrador integrado de solo de fuselagem/cabine do Clean Sky 2. Este demonstrador é organizado dentro do Regional Aircraft IADP (Plataforma Demonstradora de Aeronave Inovadora) do Clean Sky 2 e detalhado na Seção 5.2.2 do documento Joint Technical Programme de março de 2015:

"Aeronaves regionais são elemento chave do Clean Sky através de um ITD (Demonstrador de Tecnologia Integrada) dedicado - Green Regional Aircraft (GRA), fornecendo blocos de construção essenciais para um sistema de transporte aéreo que respeita o ambiente, assegura mobilidade segura e contínua, e constrói liderança industrial na Europa. No Clean Sky 2, ... Os objetivos de demonstração do Regional Aircraft IADP são muito mais complexos, abrangentes e desafiadores que os do projeto GRA atual do Clean Sky , que foi forçado a trabalhar dentro de restrições de orçamento e tempo. ..."

O Joint Technical Programme de 2015 descreve desenvolvimento de Aeronave Regional para incluir dois bancos de teste voadores e cinco grandes demonstradores integrados de solo. Este último inclui o Demonstrador de Fuselagem e Cabine de Passageiros Inovadora em Escala Real: "A fuselagem será uma demonstração em escala real de tecnologias para material compósito, estruturas e manufatura visando [alcançar] redução de peso e custo e minimizar impacto ambiental através de eco-design e otimização de consumo de energia ao longo do ciclo de vida (rumo a impacto zero)."

Parceiros do projeto COFRARE 2020 incluem:

• Leonardo como gerente de tópico
• EURECAT
• DEMA
• Manufatura de componentes e montagens de aeronaves A. Abete (Nola/Marigliano, Itália).

"No COFRARE 2020, estamos fazendo estruturas de fuselagem usando RTM (moldagem por transferência de resina), que serão integradas no demonstrador de fuselagem", explica Lagraña. "Estamos usando a tecnologia Ziplus da Shikibo (Osaka, Japão) que produz pré-formas bem adequadas para injeção com resina." Shikibo Ltd. faz parte da Composite Alliance Corp. (Dallas, Texas, EUA), e oferece variedade de tecnologias de pré-formação têxtil.

Um aspecto interessante deste programa é o uso de sensores da Synthesites (Uccle, Bélgica) para monitoramento em tempo real de chegada de resina, temperatura, pressão, Tg e cura. "Os sensores estão localizados em áreas específicas da peça compósita e da ferramenta RTM para otimizar a estratégia de injeção de resina", nota Lagraña. Injeção é alcançada usando sistema altamente automatizado fornecido pela ISOJET (Corba, França), que também faz parte da Composite Alliance Corp. Sensores Synthesites são sensores dielétricos, mas diferentemente da maioria da análise dielétrica (DEA), que é baseada em corrente alternada (CA), a Synthesites usa corrente contínua (CC). "Nossos sensores funcionam bem com materiais de alta resistividade como resinas e porque estamos aplicando uma única tensão, não temos que analisar múltiplas frequências, ainda atingimos alta precisão, mesmo no final da cura", explica o diretor da Synthesites Dr. Nikos Pantelelis.

"Conhecemos a Synthesites em uma conferência SAMPE em 2011", Lagraña recorda. "Eles falaram sobre sensores para encurtar ciclo de cura. Estamos explorando como automatizar pré-formas para estruturas de fuselagem e até usando processamento mais rápido com HP-RTM (RTM de alta pressão), mas ainda você está em 3-4 horas tempo de processo. No entanto, com Synthesites, cortamos ciclo de cura em 50 por cento monitorando Tg. Estamos agora testando para propriedades. Estes sensores podem funcionar em alta pressão mas em nosso processamento RTM, estamos usando apenas 8 bar de pressão."

Os sensores dielétricos CC da Synthesites, sistema de monitoramento de fluxo de resina líquida OptiFlow e sistema de monitoramento de cura OptiMold foram demonstrados em produção por vários fabricantes de pás eólicas. Eles também são usados pela Bombardier Aerospace (Belfast, Reino Unido) para produzir asa moldada por compósito líquido para o C-Series agora Airbus 220. O Centro Aeroespacial Alemão (DLR, Stade, Alemanha) demonstrou redução de ciclo de cura até 50% com tanto pré-impregnado de autoclave quanto RTM, enquanto o Centro Nacional de Compósitos (NCC, Bristol, Reino Unido) demonstrou que mesmo para resinas altamente reativas, os cálculos de Tg em tempo real feitos a partir de medições de sensor de temperatura e resistividade da resina são tão precisos quanto Tg medido de painéis curados usando calorimetria exploratória diferencial (DSC).

Unindo Estruturas com Tirantes de Cisalhamento TPC

Outra parte chave do COFRARE 2020 é um método de produção de alto volume para produzir as centenas de tirantes de cisalhamento e suportes necessários para unir as estruturas C de fuselagem RTM aos painéis de fuselagem compósitos. "Estamos desenvolvendo 255 geometrias diferentes para suportes de compósito termoplástico produzidos por moldagem por compressão", diz Lagraña. (Nota, GKN Fokker tem múltiplos projetos Clean Sky 2 onde produzirá suportes TPC para o Demonstrador de Fuselagem Multifuncional no Large Passenger Aircraft IADP; este trabalho no COFRARE 2020 é para aeronaves regionais menores.) O método básico é mostrado abaixo, usando ferramentas de aço combinadas e prensa aquecida. "O custo de tais ferramentas de moldagem por compressão é apenas 2.000 euros, que é muito acessível comparado a ferramental RTM", ele adiciona. "Estampagem também atinge tempos de ciclo muito curtos."

O EURECAT está investido em permanecer na vanguarda do desenvolvimento de tecnologia de compósitos, diz Lagraña. "Acreditamos que a pressão por um ambiente limpo aumentará dramaticamente o uso de compósitos em todos os transportes, e que acessibilidade e performance andarão juntas. É por isso que focamos em tecnologias automatizadas, fora de autoclave para oferecer a nossos clientes."

Fique atento para meu próximo blog sobre os projetos Clean Sky 2 STUNNING e MECATESTERS, que discutirão o desenvolvimento de suportes TPC soldados para o Demonstrador de Fuselagem Multifuncional e uma caracterização completa de PAEK para este projeto. Também blogarei sobre Synthesites em mais detalhes bem como mais desenvolvimentos da CETMA em compósitos. 2020 vai ser um ano muito interessante para compósitos!