HP-RTM de Alta Pressão: Produção Eficiente, Custo-Efetiva de Estruturas Aeroespaciais CFRP

Quando moldagem por transferência de resina (RTM) começou a transicionar para RTM de alta pressão (HP-RTM) aproximadamente uma década atrás, foi principalmente louvada para aplicações automotivas, reduzindo tempos de ciclo de peças compósitos de horas para menos de 2 minutos. Menos tem sido dito sobre aplicar esta tecnologia a peças aeroespaciais. A indústria aeronáutica tem uma longa história com RTM convencional, incluindo seu uso para produzir milhares de pás de ventoinha e caixas de contenção de fibra de carbono reforçada (CFRP) para motores de aeronaves comerciais. A Airbus até prototipou um flap multispar compósito de peça única de 7 metros para o Airbus A320 usando RTM. Mas é possível transicionar esta experiência com processos de horas em moldagem totalmente automatizada de peças compósitos de aeronaves em minutos? Vários players chave dizem que é possível.

RTM tradicional, referido aqui como LP-RTM para clareza, tipicamente usa pressões de injeção de 10-20 bars. HP-RTM, por outro lado, usa pressões de injeção de 30-120 bars.

"Começamos a trabalhar com processamento RTM aeroespacial 10 anos atrás via um projeto financiado pela UE para fabricar frames de fuselagem," diz Bernhard Rittenschober, chefe de pesquisa e desenvolvimento para Alpex Technologies (Mils, Áustria), um fornecedor de sistemas de ferramentas inovadores para produção serial de peças compósitos. "Naquele tempo, previsões eram que muitas peças para o [Airbus] A350 seriam feitas com RTM, mas isso não se materializou." A Alpex, no entanto, continuou trabalhando na tecnologia, e como fornecedora para ambas indústrias automotiva e aeroespacial, começou a olhar como os processos usados nestas duas indústrias poderiam ser fundidos. "A ideia era usar a resina epóxi RTM6 [da Hexcel] qualificada em aeroespacial, mas com melhores práticas de ferramentas automotivas e um sistema de injeção automatizado para menor tempo de ciclo," Rittenschober explica.

O resultado foi um programa de pesquisa de 2013-2015 chamado TAKE OFF, financiado pelo governo austríaco, no qual a Alpex participou com parceiros Airbus Helicopters (instalação Donauworth, Alemanha), fornecedor de equipamentos KraussMaffei (Munique, Alemanha), especialista em testes Aerospace and Advanced Composites (AAC, Wiener Neustadt, Áustria) e fornecedor de resina Hexcel (Stamford, Conn., EUA). O programa demonstrou que HP-RTM resultou em redução de 30% no custo para um frame de porta A350 e desenvolvimento significativo de tecnologia, incluindo uso de sistema de resina dois-componentes (2K), injeção inteligente e monitoramento de cura via sensores in-mold e a capacidade de reduzir ainda mais tempo de ciclo de peça. A Alpex continuou desenvolvimento e vê potencial para esta tecnologia HP-RTM ajudar a superar atuais questões de produção CFRP.

Apoiando esta visão, o Composites Technology Center (CTC), uma subsidiária da Airbus Operations GmbH, também tem desenvolvido RTM automatizado por uma década, primeiro com LP-RTM e então transicionando para HP-RTM cerca de cinco anos atrás. (CompositesWorld notou a máquina HP-RTM KraussMaffei da CTC e trabalho de desenvolvimento durante um tour de sua instalação em 2016.) "HP-RTM resolve o gargalo de injeção e cura devido à sua mistura de alta velocidade, que permite usar resinas altamente reativas," explica Jan Schiller, líder de projeto CTC para sistemas de produção e contato líder para tecnologias RTM. "Desenvolvemos um processo que produz peças de geometria um pouco complexa tamanho 1-2 metros, atendendo requisitos aeroespaciais (por exemplo, 60% volume de fibra e menos de 2% vazios) em tempo de ciclo de 20 minutos." Ele adiciona que após visitas e discussões com fornecedores Airbus no ano passado, várias peças foram identificadas para transição para HP-RTM, permitindo produção de taxa mais alta para a aeronave A320. "Estamos agora desenvolvendo processamento específico para estas e estamos trabalhando este ano para colocá-las em produção serial."

Frame de porta A350 HP-RTM

O desenvolvimento da Alpex foi completado através do programa austríaco TAKE OFF via um projeto chamado SPARTA. "Airbus Helicopters escolheu a peça," recorda Rittenschober. "Este frame de porta é o que você vê ao entrar em um A350 com a porta aberta. É aproximadamente 2 metros alto, 200-250 milímetros largo e 8-10 milímetros espesso, com forma complexa e features de design para atender vários requisitos da porta montada, que é estrutura primária." A porta A350 compreende 14 peças feitas pela Airbus Helicopters em Donauworth, Alemanha, usando LP-RTM. O frame escolhido para SPARTA é uma das peças mais desafiadoras da porta. "É uma boa peça de demonstração porque podemos comparar HP-RTM diretamente ao LP-RTM aeroespacial padrão," adiciona Rittenschober.

A Alpex desenhou e construiu a ferramenta LP-RTM atualmente usada para produção de frame de porta A350 na Airbus Helicopters. Para o desenho e construção da ferramenta HP-RTM, aplicaria uma mentalidade mais automotiva. "Nosso objetivo era habilitar automação tipo automotiva em produção de peças compósitos aeroespaciais," diz Rittenschober. "Isto é necessário se Airbus vai construir um futuro A320 com mais peças compósitos e a uma taxa de 60 a 100 aeronaves por mês."

Ele continua, "Vínhamos de produzir moldes para BMW, que estava ativamente tentando simplificar suas peças e processos para reduzir tempo de ciclo, enquanto Airbus vinha de complexidade aeroespacial prévia. Por exemplo, quando começamos, Airbus Helicopters perguntou quantas peças este molde terá." Note, a produção atual de porta LP-RTM incluía ferramentas multi-peças complexas. "Explicamos que a ferramenta HP-RTM terá apenas um molde superior e um inferior," diz Rittenschober.

Assim, a Alpex começou com um design de molde simples e então adicionou features para tornar processamento mais robusto e flexível — por exemplo, sistemas de vedação usados para produção automotiva de alto volume. "Além disso, temos todos os sensores integrados no molde," ele nota.

Pré-formas e processo

As pré-formas atualmente usadas para o frame de porta A350 usam material tecido e requerem múltiplas etapas de debulking, resultando em ciclo de produção de três dias. "Decidimos usar tecido não-crimp (NCF) em vez disso," diz Rittenschober. "Isso derruba preço e tempo de ciclo significativamente. Também acabamos demonstrando algumas peças com pré-formas tecidas qualificadas pela Hexcel, mas vemos uma mudança na indústria de compósitos fora de aeroespacial, com desenvolvimento pela SGL e outros afastando de tecidos tecidos e indo para fitas e formas de menor custo como NCFs."

Quando perguntado sobre pontos de injeção e quaisquer questões com lavagem de fibra, Rittenschober explica que a ferramenta HP-RTM tem apenas um ponto de injeção, mas não há lavagem de fibra porque a pré-forma é fixada de forma que está fixa no molde e muito estável.

Outro ponto chave é que a Alpex escolheu usar um sistema de resina dois-componentes (2K) em vez do RTM6 de um componente atualmente usado pela Airbus Helicopters. Rittenschober afirma que o sistema 2K pode ser mais reativo, o que melhor se adequa a HP-RTM, e pode economizar custo porque não é pré-misturado e não requer envio de materiais perigosos. No entanto, requer temperatura mais alta de 180°C. "Esta foi a parte mais desafiadora para nós," diz Rittenschober, "porque estávamos mais acostumados a processar a 120°C."

A KraussMaffei instalou, em seu centro de tecnologia leve em Munique, Alemanha, a ferramenta finalizada em seu sistema HP-RTM RimStar Compact com mistura, dosagem e injeção automatizadas de alta pressão (até 80 bar/1.100 psi). Então fez 20 peças demonstradoras. Rittenschober descreve o processo baseline: Injetar a 80°C, ramp para 120°C, segurar por uma hora, ramp para 180° e segurar para cura de 90 minutos, ramp down (2°C/min) e desmoldar. "A injeção só leva 20 segundos," ele diz, "mas o ciclo total de moldagem é cerca de quatro horas."

Tempo de ciclo e custo

O ainda longo ciclo de cura para o frame de porta SPARTA é dirigido pela formulação de resina Hexcel RTM6 e processamento que é qualificado Airbus. "Fomos capazes de atingir ciclos de cura de 30 minutos a 180°C com pós-cura adicional sob vácuo depois para remover tensão térmica e garantir propriedades mecânicas," nota Rittenschober, adicionando que as propriedades eram bastante boas, e comparáveis à peça LP-RTM.

"Mostramos que você pode usar o processo e automatizar produção para volumes de peça maiores," diz Rittenschober. "Você pode injetar e curar no molde e então pós-curar fora da prensa." Ele concede que isso requer conjuntos extras de ferramentas, mas apenas uma única prensa e unidade de injeção. "Com este sistema, você pode reduzir o custo da peça em €700, o que permite pagar o equipamento facilmente com uma taxa de produção de 500 a 1.000 peças/ano, que nem é um volume muito alto."

Desenvolvimento de processo e demonstradores CTC

Ferramentas e processo à parte, o projeto de porta HP-RTM também incluiu uso inovador de formato de fibra. "Começamos com têxteis tecidos já qualificados pela Airbus e fomos muito bem-sucedidos," recorda Schiller. "Então continuamos com NCF e têxteis mais inovadores." Os últimos incluíram colocação de fibra seca e intercalação com camadas spread tow para tenacidade aumentada, mas o último apresentou questões com empacotamento apertado de fibras e camadas, causando permeabilidade pobre e dificultando infiltração de resina. "Há também desenvolvimentos para abordar isso, como NCF com fibras especiais para melhorar permeabilidade," ele adiciona.

Quanto a pressões para HP-RTM, Schiller enfatiza que a decisão de usar o processo foi dirigida mais por tecnologia de mistura da indústria de poliuretano que por altas pressões de processo. "Estamos usando HP-RTM apenas para obter uma boa mistura de resinas altamente reativas," ele explica. "Pode haver alguma pressão mais alta no molde, mas este é um efeito secundário de injeção rápida. Para peças automotivas com tempos de ciclo de 2 minutos, eles devem infiltrar o pré-forma seco com resina muito mais rápido que nós. Nosso tempo de cura de 15 minutos permite mais tempo para infiltração de resina, o que também baixa pressão no molde."

Tonelagem de prensa, enquanto isso, depende do tamanho da peça. "Fazer peças até 2 metros de tamanho funciona bem (cerca de 1.500 toneladas) mas peças tamanho 4-6 metros requerem calcular o business case porque o investimento em prensa se torna muito alto," diz Schiller. CTC exibiu uma costela CFRP de 1,5 metro por 0,5 metro representando qualquer possível estrutura primária aeroespacial no JEC World em 2018. Também receberá uma prensa de tonelagem mais alta no final de 2019.

Resinas 2K e QA baseada em sensores

Schiller observa que todas as estruturas de aeronaves RTM anteriores apenas usaram sistemas 1K misturados pelo fornecedor, que então certifica a mistura e carrega a responsabilidade por garantir que a resina atenda requisitos de qualificação. "Agora estamos considerando sistemas 2K, mas o desafio é garantir a qualidade da mistura," ele explica. Sistemas 1K pré-misturados requerem envio e armazenamento a frio para prevenir reação até processamento de peça. Assim, vantagens de sistemas 2K incluem eliminação desta despesa bem como reatividade mais alta para processamento mais rápido. Uma questão, no entanto, é que quality assurance (QA) transferirá do fornecedor de resina para o fabricante de peças. "Esta QA requer detecção da proporção de mistura e da qualidade da resina misturada. Ambos são necessários para qualificação Airbus de um novo material. Então, isso significa medições dos dois componentes justamente antes da mistura e da resina após mistura. Hoje, só temos sensores antes da cabeça de mistura, mostrando quanta resina e quanto endurecedor são dosados na mistura. Isso não é suficiente para qualificação."

A Alpex, enquanto isso, está trabalhando para desenvolver um sistema de qualidade inline para fornecer a verificação de 100% resina propriamente misturada que a Airbus requer. "Trabalhamos com sensores in-mold Netzsch desde o início deste desenvolvimento," nota Rittenschober. "Agora que Netzsch é parceira da Kistler (Winterthur, Suíça), nova tecnologia está disponível. Podemos monitorar temperatura, pressão e cura da resina de um único sensor, que incluímos no molde."

"Alpex diz para usar sensores in-mold, e fornecedores de equipamentos mistura/injeção dizem que os sensores devem estar em seus sistemas," diz Schiller. "Ambos estão certos." Mas ele nota que também há necessidade de melhoria no último. "Em HP-RTM automotivo, a proporção de mistura de resina é medida sobre o processo completo, então é uma média," Schiller explica. "No entanto, eu preciso esta medição em cada ponto discreto durante o processo, para que eu saiba que a proporção de mistura está sempre correta, mesmo para o último meio segundo durante injeção. Precisamos melhor resolução temporal nos sistemas de medição." Schiller sugere que sensores provavelmente serão necessários antes da cabeça de mistura, dentro da cabeça de mistura e no molde. "Estamos trabalhando neste desenvolvimento QA em paralelo a avaliar resinas 2K em aplicações aeroespaciais, e junto com fornecedores de máquinas, identificamos sistemas de sensores que prometem resolução suficiente. Eles serão validados dentro deste ano."

A Alpex também está testando um novo sensor piezoelétrico multifuncional híbrido desenvolvido pela Aerospace & Advanced Composites (AAC, Wiener Neustadt, Áustria). Colocado sobre o molde RTM, ele atua como sensor de pressão para monitorar a frente de fluxo de resina no molde. Uma vez que o pré-forma é impregnado pela resina e cura começa, mudança no espectro de impedância é usada pelo sensor para determinar grau de cura. Uma vez cura completa, os sensores piezoelétricos são co-curados na superfície da peça para serem usados para monitoramento de saúde estrutural seja em modo passivo como sensores de emissão acústica ou em modo ativo usando ondas ultrassônicas guiadas. Eles foram demonstrados para monitoramento de impacto e dano em peças finalizadas.

Note que estes dados de processo podem ser analisados por sistemas de produção inteligentes Industry 4.0 para identificar rotas para melhorias adicionais em qualidade e eficiência. Estes dados de processo também podem ser logados para o gêmeo digital de cada peça.

Potencial futuro

Rittenschober diz que o único obstáculo real para a tecnologia HP-RTM é certificação: "Estamos demonstrando com Airbus Helicopters que este processo pode funcionar, mas alguém tem que certificá-lo." Schiller concorda que é sempre um obstáculo achar quem será o primeiro, mas ele também calculou business cases para muitas peças no último ano. "Para 200 peças por ano, não faz sentido. No entanto, para peças no A320, por exemplo, torna-se atraente. A cada mês, vemos uma meta de taxa mais alta para o programa A320. Muitas destas peças foram engenheiradas nos anos 1980 e são produzidas manualmente, então poderiam facilmente ser feitas muito mais eficientemente com HP-RTM."

Com tempos de ciclo de peça demonstrados pela CTC de 20 minutos, HP-RTM também poderia ser atraente para o mercado de aeronaves de decolagem e pouso vertical elétricas (eVTOL), onde volumes de produção de 5.000 aeronaves por ano foram sugeridos como limite superior pelo fabricante de táxi aéreo UBER.

A Alpex continuará a desenvolver uma gama de avanços RTM, diz Rittenschober. "Acreditamos que HP-RTM tem potencial real para ajudar a resolver alguns dos problemas com produção mais custo-efetiva, industrializada de aeroestruturas CFRP." Schiller concorda, notando que para muitas das aplicações A320 alvo, há numerosas peças CFRP por shipset. "Assim, o benefício de um processo mais eficiente começa a acumular. Se conseguirmos a primeira aplicação em produção, então haverá outras."

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