Revolucionando Entrega de Energia para Fabricação Eficiente de Compósitos

Este é meu segundo blog nesta série pré-CAMX 2019 que destaca tecnologias-chave que foram realmente exibidas na CAMX 2018. Este blog centra-se no novo sistema black.infrared da Heraeus Noblelight, um novo tipo de sistema para processamento de compósitos, e sua tecnologia humm3, que está substituindo lasers e aquecedores infravermelhos em máquinas de colocação automatizada de fibras (AFP).

 

Inovando com luz

A Heraeus Noblelight inova uma ampla gama de processos industriais usando o poder da luz. Para dar algum contexto, toda luz é radiação eletromagnética (EMR) e tem um comprimento de onda e frequência inerentes, como pode ser visto no diagrama abaixo. A Heraeus Noblelight desenvolve dispositivos que usam luz ao longo de uma grande porção deste espectro, variando de emissores infravermelhos (IV) a lâmpadas LED e sistemas ultravioleta (UV), bem como lâmpadas de arco e flash.

Luz ao longo do Espectro Eletromagnético é usada para aquecimento e processamento.
FONTE: https://mynasadata.larc.nasa.gov/basic-page/electromagnetic-spectrum-diagram (esquerda) e Heraeus (direita).

Em compósitos, sistemas UV e infravermelhos (IV) têm sido usados por décadas, como pode ser visto no exemplo abaixo. O sistema black.infrared, no entanto, é nova tecnologia.

• Sunrez desenvolveu tecnologia de cura UV para infusão de resina e reparo de compósitos nos anos 1990.
• Revestimentos epóxi curados por UV são padrão em muitas indústrias.
• Resina epóxi curada por UV também está sendo usada por pioneiros de impressão 3D de fibra contínua como Continuous Composites e moi composites.
• Aquecimento IV é muito comum em linhas de produção automatizadas de compósitos onde blanks 2D personalizados precisam ser pré-aquecidos antes de pré-conformação e/ou pré-formas precisam ser pré-aquecidas antes de estampagem e sobremoldagem.

Sistema de aquecimento black.infrared da Heraeus Noblelight para compósitos. FONTE: Heraeus Noblelight

 

Black.infrared

A Heraeus Noblelight exibiu seu novo sistema black.infrared na CAMX 2018. "É um emissor IV de onda média que entrega muita potência em um pequeno volume", explica Bruce Fricks, gerente sênior de vendas para sistemas IV, Heraeus Noblelight America, LLC. Embora a Heraeus Noblelight tenha sede em Hanau, Alemanha, sua divisão nos EUA para sistemas IV e lâmpadas flash está baseada em Buford, Geórgia, enquanto sua divisão nos EUA para sistemas UV está baseada em Gaithersburg, Maryland.

 

"Geralmente, para um emissor IV de onda média, você está mais para uma densidade de potência de 60 kW/m²", diz Fricks, "mas 'Black IR' atinge 200 kW/m². IV é um meio muito mais eficiente de colocar energia em um substrato versus aquecer todo o ar ao redor, mas Black IR é três vezes mais eficiente comparado a um forno de convecção. Para processamento em linha, isso significa que uma esteira poderia rodar três vezes mais rápido ou ser encurtada para ocupar menos espaço. Por exemplo, uma esteira com forno de 30 pés de comprimento poderia ser reduzida a um forno de 10 pés usando Black IR."

Até o momento, aplicações para sistemas black.infrared incluem soldagem de plásticos e aquecimento de filmes fotovoltaicos finos (microns) para células solares. "IV, em geral, funciona muito bem para deposição em nível atômico", nota Fricks, "por exemplo, aplicando camadas de gálio ou padrões em silício para semicondutores. Nota, todas estas operações são feitas em vácuo. Black IR também opera bem em vácuo e em altas temperaturas."

Ele explica que emissores black.infrared foram projetados para operar com temperatura de superfície de 1000°C. "Estes emissores são todos de estado sólido, então você pode colocar um em um forno rodando a 700-800°C e ele não sofrerá. No entanto, se um processo requer temperaturas muito mais altas que isso, digamos 1500°C ou mais, então IV de onda curta seria um ajuste melhor."

Fricks explica que Black IR também é uma tecnologia de linha de visão. "É melhor para superfícies planas ou convexas/côncavas simples. O maior problema é com peças ou materiais tendo áreas internas ou externas onde algo projetará uma sombra."

Um módulo black.infrared (esquerda) e imagem térmica mostrando uniformidade de temperatura (direita).
FONTE: Heraeus Noblelight

 

Vantagens do Black IR e potenciais aplicações em compósitos

Fricks nota que black.infrared não é um emissor IV baseado em filamento, que tende a ser mais brilhante no centro do que nas laterais. Em vez disso, produz uma energia muito uniforme através da superfície planar 2D do emissor, que pode variar em tamanho de 40 milímetros por 400 milímetros até 100 milímetros por 100 milímetros. "Também podemos ladrilhar os emissores Black IR para criar um dispositivo planar até 400 milímetros por 400 milímetros", ele adiciona.

Como black.infrared é um dispositivo IV de onda média, é relativamente daltônico (branco vs. escuro), Fricks explica. "Não vai cozinhar materiais pretos ou subaquecer materiais amarelos ou brancos." E ainda, leva menos de 60 segundos para aquecer. "Watt-por-watt, não é terrivelmente caro versus outras opções IV", diz Fricks. "IV é mais caro que um forno de convecção, mas oferece velocidade e eficiência, bem como a capacidade de fornecer temperatura muito uniforme — ou seja, variação menos de mais ou menos 5 graus."

Black IR poderia potencialmente ser usado na produção de fibras, pré-impregnados, fitas compósitas e possivelmente processos de deposição química de vapor (CVD) como aqueles usados para fazer grafeno e outros materiais nanocompósitos. Fricks está buscando discussões com fabricantes e fornecedores de materiais para explorar e desenvolver mais aplicações em compósitos.

O sistema humm3 para colocação automatizada de fibras de termofixos, termoplásticos e compósitos de fibra seca. FONTE: Heraeus Noblelight

 

humm3 substituindo lasers em AFP

A outra tecnologia que a Heraeus Noblelight exibiu na CAMX 2018 foi seu sistema humm3 para colocação automatizada de fibras (AFP) de pré-impregnado termofixo, fibra seca e fitas compósitas termoplásticas. O sistema humm3 usa uma lâmpada flash preenchida com xenon que é pulsada múltiplas vezes por segundo. Na parte 2 do meu artigo de 2018 sobre consolidação in-situ de compósitos termoplásticos, descrevi na Fig. 2 como os lasers comumente usados em AFP termoplástico podem ser distinguidos por sua luz roxa vs. a luz laranja dos aquecedores infravermelhos (IV) tipicamente usados em AFP de pré-impregnado termofixo. Observe que a tecnologia humm3 é diferenciada de ambos por sua luz branca brilhante.

FONTE: Heraeus Noblelight

"Lâmpadas infravermelhas são relativamente baratas, mas são lentas e não podem atingir as altas temperaturas requeridas por termoplásticos aeroespaciais", diz Kyle Hudspeth, gerente de vendas para o sistema humm3 da Heraeus Noblelight na América do Norte e Sul. "Do outro lado, lasers são muito rápidos para aquecer e resfriar, mas são caros e requerem precauções de segurança significativas. Humm3 preenche uma lacuna no mercado para aquecimento rápido, seguro, compacto e custo-efetivo para AFP."

Hudspeth explica que humm3 entrega calor uniforme ao ponto de nip da AFP sobre uma ampla gama de temperaturas, de tão baixo quanto 50°C até o máximo atualmente medido de 600°C. Também pode ser precisamente controlado usando três parâmetros programáveis:

Imagem térmica de lay-up de PEEK em máquina AFP robótica. A óptica de entrega de quartzo humm3 é vista à direita, apontando para o ponto de nip entre o substrato e material entrante. Velocidades de 6 metros por minuto foram alcançadas com bons resultados de qualidade.
FONTE: Heraeus Noblelight

• energia do pulso (quão grande),
• duração do pulso (quanto tempo)
• frequência do pulso (quantas vezes por segundo).

Ele adiciona que o tempo de aquecimento e temperatura é aproximadamente o mesmo que com um laser, "mas nenhuma cabine de proteção a laser é necessária, então técnicos podem ficar perto do layup durante a operação."

Em testes para processamento de laminados de polietereetercetona (PEEK) reforçado com fibra de carbono, a Heraeus Noblelight demonstrou que humm3 pode produzir laminados AFP termoplásticos de alta qualidade com ≈35% de cristalinidade e <2% de porosidade requeridos para estruturas compósitas aeroespaciais. Como parte do programa Clean Sky 2 da UE, o Centro de Tecnologia de Produção Leve (ZLP, Stade, Alemanha) está trabalhando com a Heraeus Noblelight para desenvolver humm3 no sistema multi-robô GroFi no Centro Aeroespacial Alemão (DLR) em Stade. O trabalho visa aumentar significativamente as taxas de AFP para estruturas compósitas termoplásticas enquanto atende requisitos rigorosos de qualidade.

Para laminados de fibra seca que serão processados usando infusão de resina ou moldagem por transferência de resina (RTM), Hudspeth afirma que humm3 permite velocidade de deposição de 1 metro por segundo e aquecimento uniforme através de oito ou 16 fitas, cada uma 0,25 polegada de largura. Aquecimento através de uma largura de 300 milímetros pode ser alcançado com uma única lâmpada e coordenado com a fonte de alimentação modular e design modular do humm3 para adaptar ainda mais um sistema AFP para zonas de aquecimento ainda maiores. A óptica de entrega de quartzo humm3 também é personalizável para alcançar uma forma precisa de zona de calor.

Um demonstrador de peça aeroespacial usando fita de fibra seca HiTape da Hexcel (esquerda) e resina RTM6 (direita). FONTE: Heraeus Noblelight

O sistema humm3 está sendo desenvolvido para outros processamentos de compósitos, incluindo soldagem termoplástica, enrolamento de filamento e tacking de múltiplas camadas compósitas para pré-formas. Hudspeth nota que humm3 é uma tecnologia madura e bem comprovada, demonstrada no Centro Nacional de Compósitos (Bristol, Reino Unido) desde 2016 e vencedora do Prêmio Rainha de Inovação no Reino Unido em 2015.

Para mais detalhes, visite Heraeus Noblelight no estande CAMX Y47.

FONTE: Heraeus Noblelight