Avançando Aeroestruturas Termoplásticas: Novos Avanços de Fabricação

Características vantajosas de compósitos termoplásticos, como tenacidade, resistência fora do plano comparativamente alta e sustentabilidade/reciclabilidade, atraíram engenheiros de design de aeronaves à noção de estruturas primárias de compósito termoplástico por décadas. Mas engenheiros de fabricação de aeronaves têm sido incertos sobre encontrar uma forma custo-efetiva de avançá-las da simulação CAD para o chão de fábrica. Eles não são, no entanto, dissuadidos: Esforços para desenvolver as tecnologias de fabricação necessárias continuaram pelo globo — talvez em nenhum lugar tão tenazmente quanto nos Países Baixos.

Longarinas L integrais. A fuselagem de fibra de carbono/PEKK da GKN Fokker, projetada e construída para Gulfstream, incorpora longarinas L longitudinais curvas com ângulo ligeiramente obtuso para permitir liberação de ferramental.

Em 2009, nove empresas industriais e institutos de pesquisa holandeses, junto com a Airbus (Toulouse, França), formaram o Consórcio Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure (TAPAS). A iniciativa expandiu para 12 parceiros em 2014 e continuou como TAPAS2. Visando aplicações desenvolvidas pela Airbus sob TAPAS2, a GKN Fokker (Hoogeveen, Países Baixos) recentemente desenvolveu um demonstrador de fuselagem usando o que chama de "tecnologia ortogrid de junta de topo" que permite produção custo-efetiva de um design de fuselagem compósito termoplástico.

O retorno total de uma estrutura primária de aeronave em compósito termoplástico — embora ainda anos distante — pode agora estar ao alcance enquanto a Gulfstream Aerospace (Savannah, Geórgia, EUA) fez parceria com a GKN Fokker para avançar sua tecnologia de fuselagem TAPAS2, apontando o caminho para possivelmente aplicar os materiais e processo a uma fuselagem completa. A história por trás do painel de fuselagem recém-desenvolvido (que foi exibido no JEC World este ano) é de avanços em métodos de design e fabricação, e além, em uma abordagem de engenharia design-fabricação mais profundamente integrada.

"Tradicionalmente", explica o engenheiro-chefe da GKN Fokker, Andries Buitenhuis, "seja usando tecidos ou fitas unidirecionais, designers mostly ficavam em orientações convencionais de camadas de 0-, 90- e 45-graus. Eles trabalhariam a partir de suas tabelas de layup de camadas, independentes de outras disciplinas." A nova abordagem é uma plataforma de software integrada e digitalizada de design-fabricação (desenvolvida através do TAPAS) na qual engenheiros de várias disciplinas estão todos olhando para o mesmo modelo digital e têm a capacidade de conceituar designs de peças mais complexos. "Isso abre um mundo totalmente novo de possibilidades de otimização sem precedentes", continua Buitenhuis. "Em formas complexas, direções de fibra podem estar por todo lugar. Podemos construir laminados não convencionais e dar uma nova olhada em allowables de design, gaps e sobreposições de fabricação, raios... E você pode otimizar a resistência da estrutura localmente." Estas opções de design expandidas empregam mais plenamente a capacidade de direcionamento de fibra de máquinas de colocação de fibra automatizada (AFP), e avanços em outras capacidades de fabricação discutidas abaixo.

A liberdade de design proporcionada por este sistema digital integrado provou ser indispensável para o design e fabricação de painéis de jato executivo. Nos designs de fuselagem TAPAS2, o painel de fibra de carbono/polietercetoncetona (PEKK) (feito com APC PEKK-FC da Solvay) apresenta uma junta frame-pele soldada, sem fixadores, que é um contribuidor essencial para a custo-efetividade do design. "Prevemos alcançar paridade de custo com carcaças de fuselagem de alumínio", explica Arnt Offringa, chefe de tecnologia de compósitos termoplásticos na GKN Fokker, "e isso é porque carcaças de alumínio são rebotadas." A eliminação de fixadores mecânicos espera gerar redução de 20% de custo e 10% de redução de peso em estruturas primárias de aeronaves comparado a soluções compósitas convencionais. Claro, muito da economia de custo e peso vem da eliminação dos próprios fixadores, bem como custos de mão de obra para instalá-los. Também de grande importância é a eliminação de furos nos componentes compósitos para acomodar os fixadores — furos que requerem reforço adicional e portanto peso adicional.

A GKN Fokker atingiu nível de prontidão tecnológica (TRL) 3 (prova de conceito) com a Airbus para uma fuselagem pressurizada, demonstrando paridade de custo com painéis de fuselagem de alumínio, sob TAPAS2 em dezembro de 2017. Ao longo do caminho, a equipe da GKN Fokker expandiu sua visão para esta tecnologia de fuselagem termoplástica de aeronaves comerciais para aplicações de jato executivo.

Interesse da Gulfstream

A história de trabalho bem-sucedido da GKN Fokker para a Gulfstream em componentes compósitos termoplásticos fez uma parceria com o fabricante de jato executivo um próximo passo lógico. "É amplamente conhecido que a Gulfstream tem voado peças compósitas termoplásticas há anos", diz Mark Chapman, gerente da Iniciativa de Estruturas e Materiais Avançados (ASMI) da Gulfstream. Ele adiciona que o projeto de painel de fuselagem "é uma progressão natural do que temos feito, começando com peças mais simples e movendo em direção a peças estruturais primárias." A GKN Fokker fez parceria com a Gulfstream no desenvolvimento de numerosos componentes secundários de compósito termoplástico, incluindo elevadores e lemes de cauda bem como painéis de piso no G650.

Em 2015, Offringa e Buitenhuis apresentaram desenvolvimentos do projeto TAPAS2 à Gulfstream, e Chapman e sua equipe reconheceram o potencial para colher os benefícios dos resultados do TAPAS2. "Vimos o potencial de benefícios de redução de peso, melhor resistência a impacto e tenacidade, e desempenho aprimorado", Chapman recorda. Design sem fixadores também é atraente. "Tecnologia de soldagem nos permitiria montar a fuselagem mais eficientemente" que uma montagem mecanicamente fixada, diz Chapman.

A parceria com a GKN Fokker suporta pesquisa e desenvolvimento da Gulfstream de formas de fuselagem mais complexas que podem não ser economicamente viáveis de produzir com estruturas metálicas. "Você só pode esticar-formar metal até certo ponto", nota Chapman. "As emendas e estrutura de suporte necessárias para formas complexas não são muito eficientes." Offringa concorda: "Tais geometrias complexas são difíceis de fabricar com tecnologias convencionais."

Unindo Design e Fabricação

Para alcançar um design sem fixadores, produzível, a abordagem da GKN Fokker foca em suportar as duas forças-chave às quais as juntas de fuselagem estão sujeitas: pressão de cabine e impactos como queda de ferramentas. Pressão de cabine coloca força radial na fuselagem, criando altas cargas na junta frame-pele. Em designs convencionais, quadros de fuselagem incluem "buracos de rato" através dos quais longarinas longitudinais passam. Sob a força da pressão de cabine, estes buracos de rato servem como descontinuidades sujeitas a altas forças de descascamento — uma grande preocupação para um design sem fixadores, dada a baixa resistência fora do plano dos compósitos comparado a metais. Impactos também geram altas cargas na junta frame-pele porque o quadro não flexiona sob impacto.

Dupla curvatura. O painel de fuselagem compósito termoplástico acomoda a geometria complexa de fuselagem traseira de jato executivo Gulfstream com layup AFP de direcionamento de fibra da pele e co-consolidação do ortogrid. Note as longarinas de lâmina circunferenciais, que são posteriormente soldadas ao quadro.

A equipe GKN Fokker/Gulfstream sabia que era inviável atender aos desafios criados por uma curvatura complexa seja com metal ou com abordagens convencionais de design-fabricação compósito. Em particular, Buitenhuis aponta, "Um design complexo de fuselagem não seria possível sem direcionamento de fibra." Esta capacidade de máquinas AFP é o que libertou os designers para otimizar orientação de fibra localmente baseada na forma complexa da carcaça, e divergir das opções padrão de orientação de fibra 0/45/90. "Direcionamento de fibra para formas e otimização de peso é um dos avanços mais significativos deste projeto", acredita Chapman.

A GKN Fokker fez a pele do painel de fuselagem em uma máquina AFP ultrassônica que a empresa desenvolveu para colocação rápida de fita termoplástica. A fita é unidirecional, que também melhora desempenho de laminado comparado a fitas de tecido.

Suportando com sucesso as altas cargas criadas por pressão de cabine e forças de impacto, bem como outras demandas de desempenho, o novo conceito desenvolvido sob TAPAS e TAPAS2, e que agora é empregado no painel da Gulfstream, é o que é descrito como "pele com enrijecimento ortogonal junta de topo com frames soldados." Desempacotar esta descrição destaca três características-chave de design e os desenvolvimentos de fabricação necessários para implementá-las: (1) o ortogrid, (2) a junta de topo e (3) tecnologia de soldagem.

Ortogrid

Os requisitos de resistência do painel são atendidos em parte através de enrijecimento por grade ortogonal totalmente interconectada. Este ortogrid elimina as cargas de pico associadas aos buracos de rato, livrando o design de pontos nos quais forças de descascamento são maximizadas. O ortogrid consiste de longarinas longitudinais contínuas e quadros compreendendo dois componentes distintos: longarinas de lâmina circunferenciais descontínuas mas conectadas e frames soldados no topo destas.

Junta de topo custo-efetiva. A GKN Fokker inovou e patenteou uma junta de topo que permite união ortogrid e ortogrid-pele usando elementos moldados por injeção de fibra curta custo-efetivos e laminados planos de fibra contínua para a alma e aba da longarina (aqui longarina T; o painel Gulfstream incorpora longarinas L com a mesma técnica).

Assim, isso representa uma nova geração em design de enrijecedores de fuselagem que evoluiu durante anos de desenvolvimento de ortogrid. Inicialmente, a GKN Fokker usou longarinas T nas quais as abas de ambos membros longitudinais e circunferenciais eram contínuas e se sobrepunham nos cantos. União com o quadro, no entanto, requeria remoção da aba circunferencial. Assim, longarinas T tornaram-se longarinas L e frames tornaram-se longarinas de lâmina circunferenciais com frames então soldados a elas.

Outra modificação é requerida porque as longarinas curvas usadas tanto longitudinalmente quanto circunferencialmente tornam liberação de ferramental muito mais desafiadora. Assim, as longarinas L são projetadas com ângulo aba-alma de mais de 90 graus, para que peças de ferramental sempre possam deslizar lateralmente para fora da grade de longarinas.

Juntas de topo

A GKN Fokker desenvolveu não apenas o design do ortogrid, mas também uma nova abordagem de fabricação para a grade bem como o mecanismo de união grade-pele. "A grade pode ser proibitivamente cara de fabricar", Offringa nota, "mas nossa grade é construída de laminados planos e simples 'preenchimentos' moldados por injeção."

Mais especificamente, a GKN Fokker aplicou sua tecnologia de junta de topo patenteada ao painel Gulfstream (também aos painéis TAPAS precedentes). A alma e aba dos componentes de longarina T ou L, bem como componentes de longarina de lâmina, são fabricados a partir de pré-formas que são cortadas por jato de água de um laminado plano de fibra de carbono/PEKK. Os elementos de união (pele para alma e alma para aba) são moldados por injeção, preenchimento em forma de pi feito de material de carbono/PEKK de fibra curta. Tanto a resina quanto o tipo de fibra de carbono correspondem aos dos membros da grade.

Pele e ortogrid são co-consolidados em uma ferramenta de linha de molde interna (IML) de Invar. A ferramenta apresenta sulcos nos quais os componentes do ortogrid e blocos de ferramental são carregados. A pele formada por AFP é então colocada no IML, e todo o conjunto é ensacado e consolidado em autoclave.

Soldagem

Soldagem automatizada. Contribuindo para a viabilidade econômica do painel de fuselagem compósito termoplástico, a GKN Fokker desenvolveu e empregou uma técnica de soldagem robótica.

A combinação do ortogrid e design de junta de topo permitem união sem fixadores do ortogrid e frame via soldagem. Várias tecnologias de soldagem foram desenvolvidas por membros da equipe TAPAS durante a fase TAPAS2, incluindo tecnologias de soldagem por indução, condução e ultrassônica. O painel Gulfstream empregou soldagem por condução para unir a alma do frame à longarina de lâmina circunferencial. Esta tarefa é realizada com a cabeça de solda montada em um robô — outro desenvolvimento que contribui para fabricabilidade custo-efetiva.

Um Passo de Vários

A GKN Fokker iniciou sua colaboração com a Gulfstream em 2017, criando conceitos de design para o painel de fuselagem. Design e fabricação de vários painéis curvos seguiram em 2018 e 2019, com o painel demonstrador marco exibido no JEC World deste ano.

Componente concluído. Com elementos de frame soldados às longarinas de lâmina circunferenciais, o painel de fuselagem Gulfstream está pronto para testes, avaliação e desenvolvimento contínuo enquanto as empresas trabalham rumo a fuselagens compósitas termoplásticas de produção.

A GKN Fokker continua construindo painéis e espera atingir TRL4 (validação de componente) ainda este ano. "Estamos atualmente discutindo o caminho para maturidade total", Offringa reporta. Apontando que o design do painel não visa uma plataforma particular, Chapman reporta que testes do painel ajudarão a aprofundar o entendimento da Gulfstream sobre propriedades e desempenho do material. Sobre o caso de negócios mais amplo para estruturas primárias de compósito termoplástico, incluindo desempenho do jato, custo de fabricação, custo em uso e durabilidade, Chapman comenta, "Teremos melhor entendimento destes à medida que avançarmos no caminho de pesquisa-e-desenvolvimento. Por agora, nosso foco é fazer estas formas complexas custo-efetivamente."