Manufatura Rápida e Precisa de Compósitos Termoplásticos com Deposição Baseada em Esteira

Para acelerar a deposição e ainda oferecer boa flexibilidade de design, a SABIC e a Airborne pegaram uma ideia do sistema postal ao desenvolver o processo de deposição de camadas para fitas compósitos termoplásticos. Múltiplas bandejas baratas movendo-se em um sistema de esteira (mostrado aqui) param brevemente sob unidades alimentadoras. Cada alimentador corta e solta uma camada de fita das dimensões e orientação corretas na bandeja, que então avança para a próxima unidade alimentadora. As bandejas continuam a circular de volta através das unidades alimentadoras até que o número e orientação corretos de camadas sejam atingidos em cada pilha para atender aos requisitos de design de um dado laminado. Fonte | SABIC

Um novo sistema de alta velocidade para produzir laminados consolidados a partir de fitas compósitos termoplásticos, a Linha de Manufatura de Compósitos Digital (DCML) promete ser capaz de produzir até quatro laminados (com até 15 camadas cada) por minuto e 1,5 milhão de laminados por ano a partir de uma única linha de produção — incluindo inspeção completa, que é 100% digital, incluindo medições e rastreamento de dados — de material de entrada e laminados de saída. Essa taxa de produção é, aparentemente, significativamente mais rápida que qualquer outro sistema comercial de manuseio de fitas disponível — para termoplásticos ou termofixos — e este sistema foi especificamente projetado para atender à alta saída e custos de conversão efetivos requeridos pela indústria de eletrônicos de consumo (veja "Eletrônicos de consumo: capas compósitos híbridas"). Felizmente, peças para este mercado não são enormes — não na escala de aeroespacial ou automotivo — mas OEMs precisam de muitas delas, na ordem de dezenas de milhões por ano.

"Um processo de conversão de fita termoplástica de alta velocidade era realmente necessário porque a tecnologia atual é relativamente intensiva em mão de obra, cara e lenta," explica Gino Francato, líder global de compósitos da SABIC. "Isso torna difícil justificar economicamente e aproveitar os muitos benefícios desses materiais — produzir peças finas, leves com alta estética, resistência ao impacto e desempenho mecânico, mais reciclabilidade — em indústrias com volumes de produção altos a muito altos. Sem a capacidade de aumentarvastamente as velocidades de produção e usar manuseio e inspeção totalmente automatizados, fitas termoplásticas permanecerão produtos de nicho caros limitados principalmente a uso em aeroespacial e automotivo."

A DCML é fruto da SABIC (Bergen op Zoom, Países Baixos) e Airborne (Haia, Países Baixos), com tecnologia da Siemens AG (Munique, Alemanha) e KUKA AG (Augsburg, Alemanha). A SABIC contribuiu com tecnologia de materiais e ferramentas de modelagem de compósitos para acelerar desenvolvimento de materiais personalizados e prototipagem virtual de peças. A Airborne construiu a linha e também contribuiu com expertise em automação, digitalização e industrialização do processo de produção de compósitos. A Siemens contribuiu com gerenciamento integrado de ciclo de vida do produto (PLM) e software de controlador lógico programável (PLC) para melhorar automação e facilitar aprendizado de máquina. A KUKA contribuiu com robôs industriais e soluções de automação de fábrica. Embora o novo processo de alta velocidade tenha sido descrito em termos gerais em vários eventos de imprensa desde 2018, há muitos detalhes que ainda não foram divulgados. Aqui está o que sabemos no momento.

Uma vez que a bandeja sai do loop da esteira, ela vai para a estação de soldagem onde cada pilha é soldada em dois locais para facilitar o manuseio robótico na estação de consolidação. Após a consolidação, o laminado vai para corte e inspeção (mostrado aqui). Fonte | SABIC

A linha é projetada para produzir laminados planos personalizáveis, near-net-shape, a partir de fitas termoplásticas unidirecionais (UD), e fornece deposição, consolidação, corte, inspeção digital e visual, liberação automatizada e embalagem para envio aos clientes. Até quatro laminados podem ser produzidos por minuto, e cada laminado pode ter um esquema de deposição diferente, orientação e número de camadas e, teoricamente, até usar materiais diferentes (com diferentes reforços e matrizes de resina, embora isso exija adicionar unidades alimentadoras extras).

Alcançar diferentes deposições simultaneamente é apenas uma questão de quantas vezes uma dada bandeja (com um design de laminado específico) passa sob cada alimentador para alcançar o número correto de camadas e orientações para completar seu esquema de deposição. Dado o quão rápido modelos mudam em eletrônicos de consumo, flexibilidade é central ao sistema, que pode ser estendido adicionando alimentadores adicionais na frente ou funcionalidade (por exemplo, furação, pré-formação, etc.) no final. Inicialmente, a linha foi configurada para rodar fitas de policarbonato reforçado com fibra de carbono unidirecional da SABIC, mas supostamente o sistema é flexível o suficiente para rodar fitas termoplásticas variando de polietileno (PE) e polipropileno (PP) a polietereétercetona (PEEK) reforçadas com fibra de carbono unidirecional ou fibra de vidro — ou ambos — ou até tecidos.

O sistema é compatível com Indústria 4.0 e permite digitalização ponta a ponta — desde desenvolvimento de produto de compósitos até produção física no chão de fábrica — com controle de qualidade total baseado em aprendizado de máquina para alcançar melhorias contínuas de qualidade automaticamente ao longo do tempo. A linha pode ser monitorada e controlada remotamente, permitindo que fabricantes alterem configurações (como esquemas de deposição, números de camadas, etc.) na hora para modificar design e propriedades do material.

Funcionalmente, há três seções principais na DCML: deposição de camadas, consolidação e corte/inspeção.

Uniquamente, a seção de deposição de camadas não usa máquinas de colocação automática de fita (ATL), que tipicamente cortariam fitas no comprimento e as colocariam na orientação e localização necessárias em uma mesa indexadora movendo-se sob a cabeça de corte. Em vez disso, a equipe adotou uma abordagem inovadora e de alta velocidade, supostamente baseada na forma como o correio é triado e distribuído, para construir pilhas de camadas. Múltiplas bandejas baratas movendo-se em um sistema de esteira param brevemente sob unidades alimentadoras. Cada unidade alimentadora corta e solta uma camada de fita das dimensões e orientação corretas (verificada por câmeras de alta resolução, que inspecionam fitas por defeitos e mudanças, e medem largura e espessura em múltiplos locais) na bandeja, que então avança para a próxima unidade alimentadora. Para reduzir sucata e acelerar deposição, fitas serão produzidas na largura necessária para um projeto específico. As bandejas circulam de volta pelos alimentadores até que o número adequado de camadas seja depositado em cada pilha antes de prosseguir para solda de ponto em dois locais para facilitar manuseio na estação de consolidação. Essa abordagem permite deposição rápida mas com flexibilidade de design.

Na consolidação, um robô levanta quatro pilhas soldadas (duas pilhas por vez) de suas bandejas e as coloca entre um conjunto de placas metálicas em um sistema de esteira separado. As placas aquecem e portanto aquecem e consolidam os laminados (via aquecimento por contato), e os laminados são então resfriados e descarregados roboticamente em um terceiro sistema de esteira. As placas metálicas usadas na última operação de consolidação são recicladas de volta à linha de retorno de placas e de volta ao sistema de consolidação. Quatro pilhas entram e saem desta seção a cada minuto.

A última parada para os laminados agora consolidados é inspeção, corte e embalagem. Nesta estação, cada laminado é inspecionado de um lado e cortado, antes de mover para um segundo robô que vira o laminado e o inspeciona do outro lado. Nenhum detalhe está disponível sobre qual tecnologia de corte é usada.

A DCML tem suas limitações, como qualquer sistema de manufatura. Principalmente, há algum sacrifício em termos de orientações de camadas disponíveis, tamanho e forma da camada, tamanho final do laminado e a capacidade de depositar furos/janelas. No entanto, o sistema mais do que compensa isso em termos de velocidade, saída, taxa de sucata e custos de conversão.

Supostamente, a primeira linha comercial em escala real da Airborne nos Países Baixos começará produção no próximo ano, com a empresa produzindo laminados termoplásticos personalizados para clientes de eletrônicos de consumo. Uma segunda linha de tamanho de laboratório já está disponível no Centro de Desenvolvimento de Processamento de Polímeros da SABIC (PPDC, Pittsfield, Mass., EUA) para clientes que querem testar a tecnologia e avaliar qualidade do laminado.

Além de eletrônicos de consumo, outras indústrias ditas como alvos potenciais para a tecnologia incluem aeroespacial, automotivo, transporte de massa, artigos esportivos e saúde.