Revolucionando a Manufatura de Compósitos para Desbloquear Novas Oportunidades de Mercado

Embora a base da empresa seja certamente filamento winding, a CompoTech empurrou esse processo para novas aplicações via winding baseado em pinos, overwinding e conceitos inovadores de ferramentas e materiais. O resultado é uma fluidez no processo que frequentemente alcança novos níveis de performance via hibridização, por exemplo, com metais e métodos de manufatura como impressão 3D e sua própria versão de colocação automática de fibras (AFL).

A CompoTech produz peças para uma ampla gama de aplicações incluindo equipamentos industriais (montagem de garras a vácuo, canto superior esquerdo) e equipamentos agrícolas (lança de pulverizador, canto superior direito) de suas instalações em Sušice, República Tcheca (embaixo). FONTE: Bilsing Automation (garra, canto superior esquerdo), Hardi International (lança de pulverizador, canto superior direito) e CompoTech.

A CompoTech (Sušice, República Tcheca) foi fundada em 1995 por Ondrej Uher e Vitek Sprdlik, agora diretor de P&D e diretor técnico da empresa, respectivamente. "Eles originalmente construíram uma máquina de filamento winding para produzir eixos de remo de caiaque e canoa que integravam sua própria tecnologia para winding axial de fibras a 0°", explica Humphrey Carter, diretor de desenvolvimento de negócios da CompoTech. "Esta é agora uma competência central. Demonstramos que esta construção produz estruturas mais fortes e rígidas com maior resistência ao flambagem de fibras."

A empresa também desenvolveu a capacidade de enrolar aros compósitos integrais para conexões. Estes são usados em peças desde spars de asa-delta até eixos de transmissão e componentes industriais. "A CompoTech projeta as máquinas e o software de controle", diz Carter. "Como temos controle total do processo, podemos otimizar melhor o design. Desenvolvemos a tecnologia de processo sob medida para os critérios de design e podemos disponibilizá-la para nossos parceiros de tecnologia, bem como designers e produtores de compósitos. Por exemplo, licenciamos a tecnologia para Southern Spars/North Marine Group."

A CompoTech enrola fibra ao redor de pinos (esquerda) para produzir estruturas com conectores integrados (direita). FONTE: CompoTech

Projetando ferramentas de máquina

Atualmente, a empresa emprega cerca de 50 pessoas, com quase metade em design e engenharia. Também tem fortes laços com a Universidade Técnica Tcheca (CTU) em Praga e também com a Universidade da Boêmia Ocidental (Pilsen, República Tcheca). A CompoTech desenvolveu soluções compósitos para uma ampla gama de aplicações, incluindo lanças para equipamentos de pulverização agrícola, eixos para pontas de pás eólicas, quadros e rodas de bicicletas, tubos e quadros para garras de montagem automotiva e componentes leves de gantry para cortadores a laser e máquinas CNC.

"Trabalhamos desde o início dos anos 2000 no setor industrial e de ferramentas de máquina por causa de sua prevalência na República Tcheca", explica Carter. "Esta é uma indústria muito conservadora que não conhece compósitos. Assim, vamos a exposições de ferramentas de máquina e os educamos." Essa indústria já sabe que vibrações de partes aceleradas e de superfícies de corte, como dentes de fresa, causam redução na precisão de usinagem e vida útil da ferramenta. A CompoTech explica que as harmônicas de uma ferramenta de corte — sua vibração baseada em massa, rigidez e cargas/forças aplicadas — são frequentemente o fator limitante em performance e produtividade. Não tão bem conhecido é que plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP) pode ser usado na estrutura de máquinas e porta-ferramentas para reduzir massa e aumentar rigidez vs. aço. Usando fibra de pitch, a CompoTech reporta redução de peso de 25% e aumento de rigidez de 200% (400 GPa alcançado com fibra unidirecional), respectivamente. Estas são as duas principais maneiras de aumentar a frequência natural de uma estrutura e prevenir ressonância. Isso é quando a estrutura vibra por conta própria, o que exacerba problemas para peças rotativas já propensas a vibração e maquinaria de velocidade variável.

A CompoTech usa CFRP e materiais de amortecimento adicionais para reduzir peso e aumentar rigidez e amortecimento vs. aço para prevenir vibração. Sua tecnologia também reduz deriva de ferramenta de máquina, o que melhora performance e produtividade de usinagem. FONTE: CompoTech

"Usar nosso processo para CFRP também reduz deriva de ferramenta de máquina versus compósitos autoclavados porque induzimos menos tensão térmica", adiciona Carter. "Porta-ferramentas são frequentemente vigas longas e esbeltas que podem mudar com o tempo, dependendo de seu design e composição de material. Isso então afeta a posição relacional da ferramenta, reduzindo sua precisão."

Para amortecimento, a CompoTech foi além das propriedades inerentes de compósitos de fibra e polímero para pioneirar inclusão de outros materiais, fornecendo 12 a 20 vezes o amortecimento do aço, contraindo diretamente a vibração e agindo para acelerar seu decaimento (veja gráfico acima). "Temos mais de uma década de experiência em projetar compósitos amortecidos para alcançar as propriedades e performance desejadas", diz Carter. Um exemplo é um novo design de mandril de peça de trabalho para que muito menos força de fixação seja necessária vs. um mandril de aço. Outro é o dispositivo modificado para torneamento de uma carcaça de turbina de baixa pressão (LPT) de motor de aeronave feita de liga Inconel 718 difícil de usinar. Desenvolvido através do projeto INTEFIX financiado pela UE, a CompoTech desenvolveu anéis CFRP para substituir anéis de metal usados como localizadores no dispositivo. O resultado foi nenhuma perda em rigidez ou função enquanto melhora o comportamento da peça de trabalho e melhor performance de usinagem. Em efeito, o dispositivo foi tornado inteligente, capaz de adaptar a fixação da peça de trabalho conforme necessário durante o processo.

A CompoTech desenvolveu, em colaboração com CTU, KIMM e Samyang Reduction Gear, uma caixa de engrenagens híbrida metal/compósito para veículo elétrico e eixos de engrenagem oferecendo peso e ruído reduzidos. FONTE: CompoTech

A CompoTech também tem trabalho em andamento em uma caixa de engrenagens híbrida metal/compósito para veículo elétrico, visando cortar massa em 25% e também reduzir ruído aumentando a frequência natural e amortecimento. Este projeto (2016 a out 2019) é em colaboração com a Universidade Técnica Tcheca (CTU) em Praga, Instituto Coreano de Máquinas e Materiais (KIMM, Daejeon, Coreia do Sul) e Samyang Reduction Gear Co. Ltd. (Inchon, Coreia do Sul). O corpo principal da caixa de engrenagens será compósito com inserções de metal para superfícies de rolamento. A CompoTech projetou e produziu a caixa de engrenagens superior e inferior, bem como os eixos de engrenagem. Todos compreendem múltiplas peças, que são coladas adesivamente. CTU forneceu testes e análise FE, enquanto os parceiros coreanos do projeto fornecem a especificação técnica e finalizarão, montarão e testarão as caixas de engrenagens.

A CompoTech desenvolveu um aileron de peça única usando filamento winding e costelas longitudinais — em vez de costelas de anteparo convencionais, prepreg e colagem adesiva — resultando em uma estrutura leve, resistente a delaminação, especialmente na borda de fuga. FONTE: Ginger Gardiner, CW no JEC 2019

Aileron resistente a delaminação

Carter explica que muito do P&D que a CompoTech realiza para ferramentas de máquina é então aplicado a novas aplicações, como o aileron para o jato de treinamento L-39NG da Aero Vodochody AEROSPACE (Odolena Voda, República Tcheca). "Esta é uma aplicação exigente, com pressões muito altas na borda de fuga", ele diz. Além das cargas de voo, a versão armada da aeronave experimenta ondas de pressão quando foguetes montados na asa são disparados. "Com construção compósito convencional, havia delaminação na borda de fuga do aileron", nota Carter. "Eliminamos toda a colagem adesiva e em vez disso criamos uma estrutura integral usando filamento winding úmido e co-cura. Gastamos meses desenvolvendo o design e passos do processo. Primeiro, nosso winder assistido por robô é usado para filamento winding dos quatro feixes de caixa que formam os spars do aileron. Estes são trapézios e então formas D nas bordas de ataque e de fuga. A borda de fuga também tem uma peça separada colocada sobre ela para criar uma superfície mais aerodinâmica."

"Então unimos todas essas peças em seus mandris juntos e fazemos overwinding para criar as superfícies externas no topo das costelas longitudinais", continua Carter. A estrutura inteira é embalada a vácuo e curada a temperatura ambiente com pós-cura a 90°C.

"Este projeto é um bom exemplo de como trabalhamos com um cliente desenvolvendo a tecnologia de processo e design. Nossa ideia não é produzir em massa ailerons ou outras peças. Nós produziríamos as máquinas e nossos clientes enrolariam as peças." O aileron já está voando e a Aero Vodochody tem um backlog de 4 anos para pedidos do jato de treinamento L-39NG.

Em geral, o processo de winding úmido da CompoTech é baseado em precisão, basicamente criando towpreg na hora. "Nós usamos principalmente resinas epóxi e cura a 100°C", diz Carter. "Para aplicações requerendo Tg mais alto, como algumas ferramentas downhole que produzimos para uso na indústria de petróleo e gás, podemos curar a 140°C."

Exemplos de compósitos celulares 3D para alta rigidez axial, peças espessas e seções complexas. FONTE: CompoTech

Processos inovadores

Compósito celular 3D (3Dc) é o nome da CompoTech para uma série de processos que produzem um compósito com reforço tridimensional. Resultando em uma seção transversal com aparência celular, esta construção alcança alto teor de fibra axial na direção x interconectado com fibras nas direções y e z, que formam as paredes das células. "Criamos este processo para peças espessas que requerem rigidez axial muito alta", diz Carter. Essa rigidez é criada pelo teor muito alto de fibra a 0° (axial). As paredes das células também transportam carga de cisalhamento através da seção via as paredes das células e permitem seções mais interessantes a serem realizadas, como o T-slot mostrado acima.

A empresa também está imprimindo mandris e suportes em 3D para atender requisitos de torção e frequência natural sem laminados mais espessos. "Este é outro projeto trabalhando com CTU", diz Carter, "onde estamos desenvolvendo design automatizado interno de estruturas." Ele nota que winding de compósito termoplástico está decolando massivamente. "Esse é nosso próximo passo, combinar nosso winding em termoplásticos com impressão 3D e usar dobramento para criar ferramentas de moldagem inovadoras para compósitos, bem como estruturas de ferramentas de máquina."

A CompoTech usa processos hibridizados para criar estruturas de gantry CFRP rígidas e leves que melhoram precisão e velocidade da máquina. FONTE: CompoTech, Eagle Laser.