Compósitos Termoplásticos Prestes a Revolucionar Aeronaves Comerciais

Compósitos termoplásticos (TPC) não são novos no setor aeroespacial, mas os últimos anos viram o uso de termoplásticos em aeronaves comerciais atingir um ponto de virada. Embora TPCs tenham sido usados por algum tempo para peças menores como clipes e suportes, ou componentes internos menores, os termoplásticos têm trabalhado seu caminho para estruturas de aeronaves maiores incrementalmente e agora parecem prontos para desempenhar um papel maior no futuro das aeronaves comerciais.

Em março de 2018, a Toray Industries Inc. (Tóquio, Japão), a maior fabricante mundial de fibra de carbono, adquiriu a TenCate Advanced Composites (Morgan Hill, Calif., EUA e Nijverdal, Países Baixos) por €930 milhões (a TenCate mudou seu nome desde então para Toray Advanced Composites). O movimento parecia ser um esforço para fortalecer as capacidades de termoplásticos da Toray em preparação para a próxima onda de desenvolvimento de aeronaves comerciais. Logo após esse anúncio, a Hexcel (Stamford, Conn., EUA) e a Arkema Inc. (King of Prussia, Pa., EUA) anunciaram uma aliança estratégica para desenvolver soluções de compósitos termoplásticos para aeroespacial, combinando a habilidade da Hexcel na fabricação de fibra de carbono com a expertise da Arkema em resinas polietetercetonecetona (PEKK). E ao longo do ano, várias outras peças do quebra-cabeça dos termoplásticos pareceram se encaixar.

Em abril de 2018, a Premium Aerotec GmbH (Augsburg, Alemanha) revelou um demonstrador para um anteparo de pressão do Airbus (Toulouse, França) A320 que havia desenvolvido e fabricado usando fibra de carbono em matriz termoplástica. O demonstrador, que consiste em oito segmentos soldados, ilustra como a soldabilidade dos termoplásticos tem o potencial de permitir componentes de aeronaves maiores. (Saiba mais sobre o demonstrador de anteparo de pressão A320 da Premium Aerotec).

Em agosto de 2018, a Solvay (Alpharetta, Ga., EUA), a Premium Aerotec e a Faurecia Clean Mobility (Columbus, Ohio, EUA) lançaram o IRG CosiMo (Grupo de Pesquisa da Indústria: Compósitos para Mobilidade Sustentável), um consórcio focado no desenvolvimento de materiais e tecnologias de processo voltados para permitir a produção de alto volume de compósitos termoplásticos para os mercados aeroespacial e automotivo. O consórcio combina empresas ao longo de toda a cadeia de processo de compósitos termoplásticos, de materiais a máquinas a aplicações em automotivo e aeroespacial. (Saiba mais sobre o consórcio IRG CosiMo aqui).

A Solvay tem feito parceria com a GKN Fokker (Hoogeveen, Países Baixos) para avançar a tecnologia e aumentar a adoção de TPCs para grandes estruturas aeroespaciais desde junho de 2017. A empresa lançou a produção de polímero PEKK em setembro de 2017 e depois dobrou sua capacidade qualificada de fita termoplástica UD em 2018. No início de 2019, a Solvay comissionou um laboratório dedicado de pesquisa de TPC em Alpharetta, Ga., EUA, voltado para o desenvolvimento de materiais de próxima geração. A Solvay planeja iniciar a qualificação de uma nova linha de fita UD no final de 2019.

A Teijin Ltd. (Tóquio, Japão) anunciou em janeiro de 2019 que sua fibra de carbono TENAX e fita pré-impregnada unidirecional de fibra de carbono/termoplástico (TENAX TPUD) foi qualificada pela Boeing (Chicago, Ill., EUA) para uso como material composto avançado intermediário para peças estruturais primárias (Leia a notícia completa aqui).

À medida que essas e tecnologias e materiais semelhantes progridem, uma imagem de como a indústria aeroespacial pode começar a ser nos anos e décadas vindouros gradualmente entra em foco. O papel dos TPCs está se tornando uma parte cada vez maior dessa imagem.

Fabricantes estão interessados em aproveitar os benefícios de manufatura e tempos de processamento rápidos dos termoplásticos, e em usar TPCs para começar a fazer estruturas maiores como painéis de fuselagem e costelas. Além disso, termoplásticos ostentam alta tenacidade à fratura; boas propriedades mecânicas; reciclabilidade; baixa chama, fumaça e toxicidade (FST), e podem ser armazenados em temperatura ambiente. E à medida que OEMs e fornecedores de nível 1 aeroespaciais se tornam mais familiarizados com termoplásticos, eles estão sendo usados para peças mais complexas, montagens soldadas e estruturas primárias.

Segundo Steve Mead, diretor administrativo da Toray Advanced Composites (anteriormente TenCate), "[Grandes fabricantes de aeronaves] estão realmente procurando uma solução de material que tenha as capacidades de taxa do alumínio e as capacidades de peso de material à base de fibra de carbono — termoplásticos meio que preenchem essa lacuna."

Processabilidade de TPCs

Uma grande parte do porquê os TPCs estão encontrando seu lugar em programas de aeronaves é sua processabilidade. Como termoplásticos já estão totalmente polimerizados, eles têm taxas de produção mais rápidas que termofixos, que devem passar por cura.

"Quando você olha para a quantidade de tempo que leva para fazer uma peça termofixa hoje e compara com a quantidade de tempo que leva para fazer uma peça de compósito termoplástico, [termoplástico] é cerca de 10 vezes mais rápido", diz Mike Favaloro, presidente e CEO da CompositeTechs LLC (Amesbury, Mass., EUA), uma consultoria da indústria de compósitos.

Uma grande vantagem da colocação automática de fibras (AFP) termoplástica comparada à AFP termofixa — particularmente dada a falta de ciclo de cura — são taxas de produção mais altas devido a tempos de processamento mais rápidos. Há economias de custo a serem encontradas na laminação in-situ e pós-consolidação fora do autoclave (OOA). Além disso, tirar o autoclave da equação permite o desenvolvimento de estruturas maiores.

David Leach, diretor de desenvolvimento de negócios da ATC Manufacturing (Post Falls, Idaho, EUA), reconhece que o custo unitário de termoplásticos excede o custo de termofixos, mas argumenta que os preços de materiais TPC cairão. Além disso, ele diz, eficiências de processamento oferecem uma oportunidade de reduzir custos hoje. O consenso geral na indústria de compósitos é que processos termoplásticos OOA, agora, oferecem economia de custos de mais de 30% comparados a termofixos.

"Termoplásticos estão encontrando seu caminho em programas mesmo depois que aviões entraram em produção", aponta Leach. "É um testamento aos benefícios de custo dos termoplásticos."

O potencial de polímeros de matriz de alta performance estende-se além do que está atualmente disponível no mercado. Doug Brademeyer, chefe de Materiais Ultra-Polímeros da Solvay, diz que a empresa está trabalhando tanto internamente quanto com parceiros para desenvolver polímeros personalizados que são customizados para diferentes processos de fabricação.

"Estamos entusiasmados com estas soluções PAEK personalizadas e podemos trazê-las rapidamente à comercialização em nossos ativos de escala mundial, baseados nas necessidades do cliente", diz Brademeyer.

PAEK de baixo ponto de fusão

Com OEMs de aeronaves e fornecedores buscando taxas de produção mais altas e tempos de ciclo mais curtos, a processabilidade é chave. Polieteteretercetona (PEEK) tem sido por muito tempo o polímero termoplástico favorecido desde que tem o maior banco de dados e é o mais amplamente qualificado. Mas segundo Favaloro, poliariletercetona de baixo ponto de fusão (LM PAEK) oferece algumas vantagens, especialmente para métodos de processamento automatizados como ATL.

"PEEK é processível via conformação por estampagem e moldagem contínua, mas LM PAEK processa a uma temperatura mais baixa, tem uma viscosidade de trabalho mais baixa que permite melhor processamento automatizado, e tem um grau de cristalinidade mais baixo que reduz tensões residuais de moldagem", ele diz. "O objetivo final é usar uma máquina ATL para depositar [a fita] e pronto — você precisa do grau certo de cristalinidade, uma boa janela e boas velocidades de deposição."

LM PAEK tem uma ampla janela de processo de 350-385°C. Para referência, as temperaturas de processamento de sulfeto de polifenileno (PPS) variam de 330-350°C, enquanto polietetercetonecetona (PEKK) e PEEK são 380°C e 400°C, respectivamente.

"O material ganhou tanta tração por causa de sua processabilidade", diz Scott Unger, diretor técnico chefe da Toray Advanced Composites. A Toray Advanced Composites colaborou com a Victrex (Lancashire, Reino Unido) para produzir Cetex TC1225, uma fita unidirecional usando LM PAEK.

"A intenção com o desenvolvimento do TC1225 era criar um produto que processasse facilmente a temperaturas próximas às usadas para PPS, tivesse uma posição de custo favorável para o usuário final e tivesse as propriedades mecânicas e de resistência a fluidos de PEEK", diz Unger. "Com TC1225 LM PAEK, sinto que alcançamos todos esses objetivos."

Cetex TC1225 está atualmente passando por qualificação pelo Centro Nacional de Desempenho de Materiais Avançados (NCAMP, Wichita, Kan., EUA). Além disso, a Toray diz que há duas qualificações baseadas em grandes fabricantes de aeronaves em andamento para o material, bem como alguns programas de qualificação baseados em mercados emergentes como táxis aéreos e mobilidade aérea urbana.

Fitas usando LM PAEK estão rendendo velocidades de deposição melhoradas. Tim Herr, diretor da SBU Aeroespacial da Victrex, diz: "As taxas de deposição que podemos alcançar para AFP in-situ consolidado e AFP consolidado fora do autoclave são sem precedentes." Ele indica que 60 metros por minuto podem ser alcançados em painéis consolidados em forno; 20 metros por minuto supostamente é possível com consolidação in-situ.

Em termos de qualidade, Unger afirma que PAEK de baixo ponto de fusão oferece a capacidade de obter a mesma qualidade de laminado usando colocação de fibra in-situ como com um laminado colocado por fibra que passou por consolidação em forno pós-colocação.

Colagem de compósitos

A soldabilidade de TPCs é uma grande vantagem do material para uso no desenvolvimento de aeronaves. Fusão/colagem por soldagem oferece uma alternativa a fixação mecânica e uso de adesivos, ambos métodos empregados para união de peças de compósitos termofixos.

Stephen Heinz, diretor de desenvolvimento de produto da Solvay, diz: "Junção e soldagem desempenham um papel importante no futuro da montagem e têm o potencial de reduzir custos e melhorar a confiabilidade de aerestruturas. Empresas como GKN Fokker estão assumindo a liderança na demonstração de soldagem."

A GKN Fokker (Hoogeveen, Países Baixos) tem trabalhado para desenvolver soldagem de TPC há algum tempo, tendo começado a experimentar soldagem por resistência de termoplásticos nos anos 1990. A empresa tem usado processos de soldagem termoplástica para unir costelas e peles de bordos de ataque. No JEC World 2019, a empresa exibiu um painel de fuselagem de compósito termoplástico area-ruled fabricado usando fita UD APC (PEKK-FC) da Solvay. A peça é resultado de um projeto conjunto de P&D entre GKN Fokker e Gulfstream Aerospace (Savannah, Ga., EUA). A peça é supostamente o painel de compósito de menor custo, devido a enrijecimento ortogrid "butt-jointed" simples e quadros totalmente soldados.

"Com termoplásticos, um ortogrid pode ser muito simplificado por 'junção de topo' da grade à pele", explica Arnt Offringa, chefe de Desenvolvimento de Tecnologia de Compósitos Termoplásticos da GKN Fokker. "A grade agora é composta apenas de pré-formas simples e planas que são co-consolidadas com o laminado da pele para formar uma casca enrijecida integralmente de baixo custo. Quadros são soldados na grade. Essas soldas são carregadas em cisalhamento, tornando viável deixar de fora todos os parafusos."

Embora estruturas termoplásticas soldadas tenham sido usadas em aeronaves por algum tempo, a tecnologia agora parece bem posicionada para uso em estruturas primárias. Mike Favaloro acredita que fabricantes aeroespaciais e OEMs estão ganhando confiança com TPCs, particularmente com controle de processo. "Em um horizonte de 10 anos, começaremos a ver isso adotado muito mais", ele diz.

Leia mais sobre tecnologia de soldagem no artigo de Ginger Gardiner "Soldagem de compósitos termoplásticos."

 

Manufatura sem ferramentas

Outra inovação no horizonte que poderia acelerar o uso de termoplásticos é a manufatura de compósitos sem ferramentas. O conceito, como o nome implica, elimina a necessidade de moldes e ferramentas tradicionais, substituindo-os por robótica.

O fabricante aeroespacial General Atomics Aeronautical Systems Inc. (GA-ASI, San Diego, Calif., EUA) está desenvolvendo tal processo para a fabricação de estruturas de compósitos termoplásticos. A Composite Automation LLC (Cape Coral, Fla., EUA), usando equipamentos da Mikrosam (Prilep, Macedônia), trabalhou com a GA-ASI para desenvolver a automação. O processo usa dois robôs de 6 eixos trabalhando juntos para depositar fita termoplástica. Um robô consiste em um sistema padrão de colocação de fita unidirecional que fornece aquecimento a laser para realizar consolidação in-situ do material termoplástico. O segundo robô fornece suporte, trabalhando oposto ao colocador automático de fita (ATL) para fornecer uma superfície de ferramenta móvel contra a qual o ATL deposita a fita. (Para saber mais, veja "General Atomics Aeronautical desenvolvendo processo de compósitos termoplásticos sem ferramentas.")

Reciclabilidade

Outro benefício de TPCs é a reciclabilidade. Como polímeros termoplásticos podem ser refundidos e remodelados, várias empresas estão olhando para TPCs como uma forma de reutilizar materiais.

Uma dessas iniciativas de reciclagem, operada pelo Centro de Aplicação de Compósitos Termoplásticos (TPAC, Enschede, Países Baixos) e pelo Centro de Pesquisa de Compósitos Termoplásticos (TPRC, Enschede, Países Baixos), foca na reutilização de sucata de produção do processamento de TPC, da coleta à trituração e reprocessamento até a aplicação. O projeto TPC-Cycle está trabalhando para desenvolver uma rota de reciclagem acessível e ambientalmente amigável para mercados de alto volume e alta performance — tudo enquanto produz um material que retenha o máximo possível das propriedades mecânicas dos materiais termoplásticos originais. O projeto ostenta tempos de ciclo curtos, manufatura net-shape e diz permitir a produção de formas complexas.

A colaboração inclui vários parceiros industriais na cadeia de valor, de materiais, manufatura, design e aplicação, incluindo GKN Fokker, Toray Advanced Composites, Cato Composite Innovations (Rheden, Países Baixos), Dutch Thermoplastic Components (Almere, Países Baixos) e Nido RecyclingTechniek (Nijverdal, Países Baixos).

 

O material certo para o trabalho certo

Então, em meio ao burburinho de entusiasmo sobre esses materiais, a pergunta que surge é: os TPCs chegaram? Fornecedores aeroespaciais de Nível 1 e Nível 2 estão investindo em termoplásticos. Há mais interesse e investimento de fornecedores menores e médios. Consórcios como IRG CosiMo estão olhando para os mercados aeroespacial e automotivo para avançar tecnologias de processo para alcançar produção de alto volume.

"É a Tríplice Coroa", diz Mead, "OEMs estão investindo, fabricantes de máquinas estão investindo, o material certo foi desenvolvido. Todos os componentes da receita estão se juntando."

Em escopo maior, o que tudo isso significa quando se trata de uso de materiais em aeronaves de próxima geração? Afinal, há numerosos materiais competindo por um lugar na aeronave do futuro, e a inovação não está desacelerando — compósitos termofixos continuam a evoluir; alumínio e titânio continuarão a desempenhar um papel.

"À medida que fabricantes de aeronaves desenvolvem uma base de qualificação com termoplásticos, eles agora têm uma escolha", diz Unger. "E essa escolha será baseada na seleção do material certo para uma dada aplicação que atenda aos requisitos de taxa de produção e custo para o componente ou estrutura em questão. Ao olhar para a aviação comercial daqui para frente, o que eu acredito que você verá fabricantes de aeronaves fazendo é usando o material certo para o trabalho certo. Se um material permite a estrutura mais apropriada pelo menor custo e atende aos requisitos de taxa de construção do programa, ele conquistará seu lugar no avião."

A Próxima Geração de Manufatura Aeroespacial

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