Impulsionando Crescimento Rápido de Compósitos Termoplásticos na Aeroespacial

 Compósitos termoplásticos reforçados com fibra contínua (TPCs) têm sido citados como tecnologia habilitadora para o futuro de aeronaves sustentáveis, oferecendo taxas de produção aumentadas de peças leves, de alta tenacidade, que podem ser unidas sem furos ou fixadores em conjuntos soldados econômicos.

CW publicou uma série de artigos em 2018 sobre fitas TPC, consolidação in-situ e soldagem e apresentou dois webinars em 2019 sobre TPCs em aplicações automotivas e desenvolvimentos de TPC para aeroespacial. A maioria dos meus artigos e apresentações até hoje referenciam fabricantes de peças TPC e fornecedores de equipamentos na Europa, bem como a divisão Automated Dynamics da Trelleborg nos EUA. Também fiz um tour na Tri-Mack Plastics baseada nos EUA. Mas infelizmente ignorei outro fabricante de peças TPC aqui nos EUA que tem empurrado silenciosamente a tecnologia e o envelope de produção para frente por 15 anos. ATC Manufacturing — localizada em Post Falls, Idaho, logo fora de Spokane, Washington — produz um milhão de peças por ano, todas compósitos termoplásticos reforçados com fibra contínua e todas para a indústria aeroespacial. Tendo desenvolvido uma expertise única em conformação rápida de peças 3D, a ATC também é uma parceira-chave no programa de pesquisa Rapid high-Performance Molding (RAPM) com a Boeing Co. (Chicago, Ill., EUA) e a Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA, Arlington, Va., EUA) para o Departamento de Defesa (DoD) dos EUA.

A ATC Manufacturing produz um milhão de peças compósitas termoplásticas por ano para aplicações aeroespaciais, incluindo nervuras, clipes, suportes e reforços. FONTE: ATC Manufacturing

Quem é a ATC?

A ATC Manufacturing foi fundada em 2004 pelo ex-engenheiro da Boeing Dan Jorgenson, que permanece co-presidente da empresa. "Sempre tivemos um forte foco técnico e de engenharia", diz David Leach, diretor de desenvolvimento de negócios da ATC Manufacturing. A empresa também tem uma longa história com a Boeing, reconhecida como fornecedora nível Prata nos últimos cinco anos consecutivos e nomeada Fornecedora do Ano da Boeing em 2016 e 2017. "Temos sido principalmente uma empresa build-to-print, começando em clipes, suportes e peças estampadas menores", diz Leach. "Mas nos últimos anos, progredimos para montagens mais complexas, bem como peças muito mais grossas e grandes — até 60 polegadas de comprimento — e peças destinadas a estruturas primárias." Estas incluem componentes estruturais de ponta de asa, vigas longas com layups personalizados em uma variedade de seções transversais, bem como estruturas de fuselagem e empenagem.

A empresa tem 150 funcionários com mais de 20 engenheiros. Sua fabricação é focada em uma única instalação de 67.000 pés quadrados, construída propositadamente em 2015 e projetada para fluxo de trabalho otimizado com espaço para expansão. (Nota: 52.500 pés quadrados de espaço já estão pré-planejados para crescimento futuro.) "Tudo está sob um mesmo teto", nota Leach, "o que simplifica operações." Isso inclui nove prensas de estampagem com capacidades variando de 30 a 150 toneladas e áreas de platô até 60 por 30 polegadas. "Estamos instalando uma prensa adicional de 200 toneladas que estará totalmente operacional até o final de 2019", ele adiciona. A ATC tem 10 estações de usinagem CNC capazes de lidar com peças até 12 pés de comprimento e corte a jato de água para peças até 30 pés de comprimento.

A ATC Manufacturing opera 9 prensas de estampagem, incluindo a prensa de 80 toneladas mostrada aqui, com capacidades até 150 toneladas e áreas de platô até 60 x 30 polegadas.
FONTE: ATC Manufacturing

Inspeção não destrutiva (END) também é integrada nas operações e design de fluxo de trabalho da instalação, incluindo cinco sistemas de tanque C-scan fornecendo testes de pulso-eco e transmissão através para peças até 30 pés de comprimento. Outra expertise interna inclui toda preparação de superfície e pintura. "Desenvolvemos preparação de superfície muito eficiente para compósitos termoplásticos, que podem ser difíceis de pintar e colar", diz Leach, notando que a ATC também trabalhou em tratamento de plasma de peças TPC. A empresa pinta 200.000 peças/ano e sela bordas de 70.000 peças anualmente.

"Também investimos pesadamente em pesquisa, como o programa RAPM para DARPA, e somos membros do Centro de Pesquisa de Compósitos Termoplásticos (TPRC, Enschede, Holanda)", ele continua. ATC está participando da conferência de 10 anos do TPRC intitulada "Futuro dos Compósitos Termoplásticos" a ser realizada em 8 de outubro na Universidade de Twente na Holanda. "Corbin Chamberlain, vice-presidente da ATC estará em uma sessão de painel e também demonstraremos peças estruturais aeroespaciais que fabricamos em uma exposição realizada em conjunto com a conferência", diz Leach.

Canais compósitos termoplásticos pintados com acessórios instalados. FONTE: ATC Manufacturing

De tecidos a fita UD, conformação e tempos de ciclo rápidos

Embora a fabricação de suportes e clipes TPC da ATC tenha começado com reforços de tecido, eles agora migraram para usar fita unidirecional (UD). "Então evoluímos para peças estruturais maiores porque já havíamos desenvolvido boa experiência em como conformar peças 3D com fita UD", explica Leach. "Estas peças, que variam em espessura de 1-2 milímetros a 6,5 milímetros, devem se acoplar a outras estruturas. Temos que atender tolerâncias dimensionais apertadas para superfícies de contato, por exemplo ± 0,010 polegada (0,25 milímetro) de tolerância de perfil e ± 0,5 graus de tolerância angular."

A empresa então começou a desenvolver perfis longos TPC. "Fazemos nosso próprio estoque de laminado plano usando moldagem por compressão contínua (CCM)", diz Leach. "Temos duas máquinas CCM para laminados planos e uma que conforma pré-impregnados TPC em um perfil 3D contínuo, produzindo canais até 75 pés de comprimento."

Perfil compósito termoplástico sendo conformado usando moldagem por compressão contínua (CCM). FONTE: ATC Manufacturing

Quando perguntado sobre os desafios na conformação de perfis e formas 3D, o diretor de engenharia de P&D da ATC Manufacturing, Trevor McCrea, explica que com tecidos, "o próprio tecido controla muito da deformação que está acontecendo. Com UD, há dinâmicas diferentes. Por exemplo, 90° em relação ao raio quer afinar ou engrossar, mas você não pode ter isso em uma peça estrutural. Estes problemas pioram com formas mais complexas. Você também tem mais desafio em como gerenciar o processo na conformação."

Gerenciar o processo? "Para nós, isso é muito diferente de conformação em termofixos porque temos apenas 2 segundos para conformar", diz McCrea. "Você pode cobrir muitos pecados em um ciclo de autoclave", ele adiciona. "Mas estamos usando processos de conformação e estampagem muito rápidos sem essa folga. Também devemos gerenciar cristalização." Isso porque estruturas de aeronaves altamente carregadas usam polímeros de matriz termoplástica semicristalinos — como polietereetercetona (PEEK), polieterecetonacetona (PEKK) e poliariletercetona de baixo ponto de fusão (LM PAEK) — que derivam suas notáveis propriedades mecânicas e resistência química da estrutura cristalina que se desenvolve à medida que esfriam. "Você pode cristalizar isotermicamente, o que não é muito difícil para placas planas mas fica muito mais desafiador com formas 3D", diz McCrea. "Os materiais devem ser suficientemente aquecidos para conformar [nota temperaturas de fusão para estes materiais estão entre 300-400°C] mas então resfriados rapidamente o suficiente para desmoldar a quente para evitar ciclagem térmica das ferramentas enquanto se gerencia forma, tolerância, cristalização e acabamento superficial."

Uma das razões que peças TPC cresceram nos últimos anos é sua capacidade de oferecer tempos de ciclo realmente rápidos. "Fizemos nervuras para demonstradores de aeronaves militares com tempo de ciclo de 5 minutos, e nosso tempo de ciclo médio é de cerca de 10 minutos", nota Leach. "Podemos permitir as altas taxas de produção atualmente buscadas por OEMs de aeronaves." Esse tempo de ciclo médio muito rápido na verdade resulta em uma mistura constantemente mutável de peças. "Adoraríamos apenas produzir uma peça por meses a fio, mas nossa capacidade de taxa supera a de fabricação de aeronaves", diz McCrea. "Então, estamos sempre ciclando através de várias peças." A maior parte da fabricação da ATC é em um turno por dia, 5 dias por semana. "Temos bastante capacidade para atender produção aumentada", nota Leach.

Tiras estruturais compósitos termoplásticos e perfil pintado. FONTE: ATC Manufacturing

Visão para o futuro

A ATC oferece um valor significativo via sua década mais de experiência em produção TPC. "Frequentemente ajudamos nossos clientes a projetar peças para fabricação", diz Leach. "Estamos frequentemente convertendo peças de compósito termofixo, por exemplo, um encaixe de estrutura primária de fuselagem que é produzido para manter a espessura original. Mas poderia ser uma peça muito mais leve se fosse originalmente projetada para TPC." Por que? "Porque estes materiais de matriz TP semicristalinos são de desempenho mais alto", ele explica. "Você não está tendo que projetar para microfissuração e tolerância a dano como faria com uma matriz termofixa, e também há muito menos knockdown quente/úmido. Na verdade, não há knockdown úmido nenhum em PEEK, PEKK ou PAEK. Também não há knockdown quente a menos que você esteja próximo do Tg, que é tipicamente ≈150°C. Para o teste padrão de compressão de furo aberto (OHC) para tolerância a dano, por exemplo, onde você avalia a resistência à medida que transiciona a amostra de RT a 120°C, há praticamente nenhum knockdown."

"Seremos capazes de projetar peças mais finas e também eliminar muito do alumínio e titânio que estão nos atuais designs de primeira geração para compósitos [como as aeronaves wide body Boeing 787 e Airbus A350]", adiciona McCrea. "Estamos continuando a avançar a conformação destes materiais e isso continuará a abrir novas aplicações."

Leach acredita que isso terá um impacto significativo em futuras aplicações de aeronaves. "Estamos realmente olhando para peças agora que você simplesmente não pode produzir usando termofixos por causa das propriedades e taxa de produção sendo demandadas."

Para mais informações, a ATC Manufacturing apresentará o artigo técnico 'Compósitos Termoplásticos Custo-Efetivos em Aeroestruturas' pelos autores Corbin Chamberlain, David Leach e Trevor McCrea na CAMX 2019 na Sessão de Materiais e Aplicações Termoplásticos, quarta-feira, 25 de setembro às 16:00 na Sala 210C.

Também apresentou um artigo conjunto com a Boeing em uma sessão fechada na SAMPE 2019 (4-7 de maio, Charlotte, NC, EUA) intitulado: "Moldagem Rápida de Alto Desempenho de Peças Estruturais de Compósito Termoplástico". Veja meu blog: https://www.compositesworld.com/news/darpa-presents-tff-program-for-rapid-low-cost-composites-to-replace-metals-in-small-parts-for-defense-applications