Compósitos termoplásticos de aceleração na indústria aeroespacial

Compósitos termoplásticos reforçados com fibra contínua (TPCs) foram citados como uma tecnologia capacitadora para o futuro de aeronaves sustentáveis, oferecendo maiores taxas de produção de peças leves e de alta tenacidade que podem ser unidas sem furos ou fixadores em montagens soldadas econômicas.



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 maior parte do meu artigos e apresentações até hoje fazem referência aos fabricantes de peças e fornecedores de equipamentos da TPC na Europa, bem como à divisão Automated Dynamics da Trelleborg nos EUA. Eu também fiz um tour pela Tri-Mack Plastics dos EUA. Mas, infelizmente, esqueci outro fabricante de peças TPC aqui nos EUA que vem empurrando silenciosamente a tecnologia e a produção por 15 anos. ATC Manufacturing - localizada em Post Falls, Idaho, perto de Spokane, Washington - produz um milhão de peças por ano, todos termoplásticos reforçados com fibra contínua e todos para a indústria aeroespacial. Tendo desenvolvido uma experiência única na conformação rápida de peças 3D, a ATC também é um parceiro-chave no programa de pesquisa RApid high-Performance Molding (RAPM) com a Boeing Co. (Chicago, Illinois, EUA) e a Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA, Arlington, Va., EUA) para o Departamento de Defesa dos EUA (DoD).

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

Quem é ATC?

A ATC Manufacturing foi fundada em 2004 pelo ex-engenheiro da Boeing Dan Jorgenson, que continua sendo o co-presidente da empresa. “Sempre tivemos um forte foco técnico e de engenharia”, disse David Leach, diretor de desenvolvimento de negócios da ATC Manufacturing. A empresa também tem uma longa história com a Boeing, reconhecida como fornecedora de nível Prata nos últimos cinco anos consecutivos e nomeada como Fornecedor Boeing do ano em 2016 e 2017. “Temos sido principalmente uma empresa de construção para impressão, 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 maiores - até 60 polegadas de comprimento - e peças destinadas a estruturas primárias.” Os últimos incluem componentes estruturais da ponta da asa, vigas longas com layups feitos sob medida em uma variedade de seções transversais, bem como estruturas da fuselagem e empenagem.

A empresa possui 150 funcionários com mais de 20 engenheiros. Sua fabricação está concentrada em uma única instalação de 67.000 pés quadrados, construída especificamente em 2015 e projetada para um fluxo de trabalho otimizado com espaço para expansão. (Observe que 52.500 pés quadrados de espaço já estão pré-planejados para crescimento futuro.) “Tudo está sob o mesmo teto”, observa Leach, “o que simplifica as operações”. Isso inclui nove prensas formadoras de carimbo com capacidades que variam de 30 a 150 toneladas e áreas de impressão de até 60 polegadas por 30 polegadas. “Estamos instalando uma prensa adicional de 200 toneladas que estará totalmente operacional no final de 2019”, acrescenta ele. O ATC tem 10 estações de usinagem CNC capazes de manusear peças de até 12 pés de comprimento e corte a jato de água para peças de até 30 pés de comprimento.

A ATC Manufacturing opera 9 prensas formadoras de estampas, incluindo a prensa de 80 toneladas mostrada aqui, com capacidades de até 150 toneladas e áreas de impressão de até 60 x 30 polegadas.
FONTE | Fabricação ATC

A inspeção não destrutiva (NDI) também está integrada às operações da instalação e ao projeto de fluxo de trabalho, incluindo cinco sistemas de tanque C-scan fornecendo pulso-eco e através de testes de transmissão para peças de até 30 pés de comprimento. Outros conhecimentos internos incluem toda a preparação de superfície e pintura. “Desenvolvemos uma preparação de superfície muito eficiente para compostos termoplásticos, que podem ser difíceis de pintar e colar”, diz Leach, observando que o ATC também trabalhou no tratamento de plasma de peças TPC. A empresa pinta 200.000 peças / ano e vedações de borda 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)”, continua ele. O ATC está participando da conferência de aniversário de 10 anos do TPRC intitulada "Future of Thermoplastic Composites", que será realizada em 8 de outubro na Universidade de Twente, na Holanda. “Corbin Chamberlain, vice-presidente do ATC estará em uma sessão de painel e também demonstraremos as peças estruturais aeroespaciais que fabricamos em uma exposição realizada em conjunto com a conferência”, disse Leach.

Canais compostos termoplásticos pintados com acessórios instalados. FONTE | Fabricação ATC

Tecidos para fita UD, conformação e tempos de ciclo rápidos

Embora a fabricação de braçadeiras e clipes TPC da ATC tenha começado com reforços de tecido, eles agora migraram para o uso de fita unidirecional (UD). “Em seguida, evoluímos para peças estruturais maiores porque já havíamos desenvolvido uma boa experiência em como formar peças 3D com fita UD”, explica Leach. “Essas peças, que variam em espessura de 1-2 milímetros a 6,5 ​​milímetros, devem se encaixar em outras estruturas. Temos que cumprir tolerâncias dimensionais estreitas para superfícies de contato, por exemplo, tolerância de perfil de ± 0,010 polegadas (0,25 milímetros) e tolerância angular de ± 0,5 graus ”.

A empresa então começou a desenvolver perfis TPC longos. “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 forma pré-impregnados TPC em um perfil 3D contínuo, produzindo canais de até 75 pés de comprimento.”

Perfil de compósito termoplástico sendo formado usando moldagem por compressão contínua (CCM). FONTE | Fabricação ATC

Quando questionado sobre os desafios na formação de perfis e formas 3D, o diretor de engenharia de P&D da ATC Manufacturing, Trevor McCrea, explica que, com os tecidos, “a própria trama controla grande parte da deformação que está acontecendo. Com UD, existem diferentes dinâmicas. Por exemplo, 90 ° para o raio quer afinar ou engrossar, mas você não pode ter isso em uma peça estrutural. Esses problemas pioram com formas mais complexas. Você também tem mais desafios em como gerenciar o processo de conformação. ”

Gerenciando o processo? “Para nós, isso é muito diferente da formação em termofixos, porque temos apenas 2 segundos para formar”, diz McCrea. “Você pode cobrir muitos pecados em um ciclo de autoclave”, acrescenta. “Mas estamos usando processos de conformação e estampagem muito rápidos, sem essa margem de manobra. Também devemos gerenciar a cristalinidade. ” Isso ocorre porque as estruturas de aeronaves altamente carregadas usam polímeros de matriz termoplástica semicristalinos - como poliéteretercetona (PEEK), polieteretercetonocetona (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 como eles 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 formar [observe as temperaturas de fusão para esses materiais estão entre 300-400 ° C], mas então resfriados rapidamente o suficiente para desmoldagem a quente, a fim de evitar o ciclo térmico das ferramentas enquanto gerencia a forma, tolerância, cristalinidade e acabamento superficial . ”

Uma das razões pelas quais as peças TPC cresceram nos últimos anos é sua capacidade de oferecer tempos de ciclo realmente rápidos. “Fizemos costelas para demonstradores de aeronaves militares com um tempo de ciclo de 5 minutos e nosso tempo de ciclo médio é de cerca de 10 minutos”, observa Leach. “Podemos permitir as altas taxas de produção que estão sendo buscadas por OEMs de aeronaves.” Esse tempo de ciclo médio muito rápido, na verdade, resulta em uma mistura de peças em constante mudança. “Gostaríamos muito de produzir apenas uma peça por meses a fio, mas nossa capacidade tarifária supera a da fabricação de aeronaves”, diz McCrea. “Portanto, estamos sempre circulando por várias partes.” A maior parte da fabricação do ATC ocorre em um turno por dia, 5 dias por semana. “Temos capacidade de sobra para atender ao aumento da produção”, observa Leach.

Tiras estruturais em compósito termoplástico e perfil pintado. FONTE | Fabricação ATC

Visão para o futuro

ATC oferece um valor significativo por meio de sua mais de uma década de experiência em produção de TPC. “Freqüentemente ajudamos nossos clientes a projetar peças para manufatura”, diz Leach. “Freqüentemente, estamos convertendo peças de compósito termofixo, por exemplo, um encaixe de estrutura primária da fuselagem que é produzido para manter a espessura original. Mas poderia ser uma peça muito mais leve se fosse originalmente projetada para TPC. ” Por quê? “Porque esses materiais de matriz TP semicristalinos têm desempenho superior”, explica ele. “Você não precisa projetar para microcracking e tolerância a danos como faria com uma matriz termofixa, e também há muito menos knockdown quente / úmido. Na verdade, não há nenhum knockdown molhado em PEEK, PEEK ou PAEK. Também não há knockdown quente, a menos que você esteja perto da Tg, que é normalmente ≈150 ° C. Para o teste de compressão de orifício aberto (OHC) padrão para tolerância a danos, por exemplo, onde você avalia a resistência conforme você faz a transição da amostra de RT para 120 ° C, quase não há qualquer knockdown. ”

“Seremos capazes de projetar peças mais finas e também eliminar uma grande quantidade de alumínio e titânio que estão nos projetos atuais da primeira geração de compostos [como o Boeing 787 e aeronaves de corpo largo Airbus A350]”, acrescenta McCrea. “Continuamos avançando na conformação desses materiais e isso continuará abrindo novas aplicações”.

Leach acredita que isso terá um impacto significativo nas futuras aplicações de aeronaves. “Na verdade, estamos olhando para peças agora que você simplesmente não pode produzir usando termofixos devido às propriedades e à taxa de produção exigida.”

Para obter mais informações, a ATC Manufacturing apresentará o artigo técnico 'Compósitos Termoplásticos de Custo Efetivo em Aeroestruturas' dos autores Corbin Chamberlain, David Leach e Trevor McCrea no CAMX 2019 na Sessão de Materiais Termoplásticos e Aplicações, quarta-feira, 25 de setembro às 16h na Sala 210C.

Ele também apresentou um documento conjunto com a Boeing em uma sessão fechada no SAMPE 2019 (4 a 7 de maio, Charlotte, NC, EUA) intitulado:“Moldagem rápida de alto desempenho de peças compostas termoplásticas estruturais”. 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- formulários