Sobremoldagem Termoplástica de 2 Minutos de Termofixos: Processo de Uma Célula para Compostos Automotivos

Pré-formação automatizada de fitas termoplásticas e subsequente moldagem híbrida — termoformagem e sobremoldagem por injeção de nervuras, clipes e bosses em superfícies de peça — foram aclamadas como o futuro para fabricação de compostos em aplicações de alto volume como automotivo. Mas e se fosse possível combinar a tenacidade de termoplásticos e funcionalidade de características moldadas por injeção com o alto desempenho de peças de fibra de carbono reforçada com epóxi?

É isso que o projeto de três anos OPTO-Light, que terminou em 2018, se propôs a responder. Foi financiado pelo Ministério Federal de Educação e Pesquisa da Alemanha (BMBF) como parte de sua estratégia para desenvolver fotônica — tecnologia baseada em luz como lasers — para produção em massa de construções leves. O projeto foi concedido ao Centro de Aachen para Construção Leve Integrativa (AZL) na RWTH Aachen University (Aachen, Alemanha), que fornece um único campus para empresas colaborarem com oito institutos de pesquisa para desenvolver materiais leves, tecnologias de produção e aplicações.

A conquista óbvia do OPTO-Light é combinar a alta rigidez, leveza e baixo creep de plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP) baseado em epóxi com a alta liberdade de design e baixos tempos de ciclo de sobremoldagem termoplástica. Mas este é apenas um de miríades de potenciais disruptores da indústria de compostos que o projeto alcançou, incluindo:

• Desenvolvimento de pré-tratamento a laser para união de termoplástico a superfícies termofixas 3D;
• Integração de três tecnologias — processamento de polímero de reação, processamento a laser e sobremoldagem — em uma única célula de fabricação de tempo de ciclo rápido;
• Moldagem por compressão de pré-impregnado horizontal (HPCM) onde materiais são fixados verticalmente para processamento em uma máquina de moldagem por injeção padrão;
• Desenvolvimento de um único molde rotativo que integra todos os requisitos para moldagem por compressão de pré-impregnado e sobremoldagem termoplástica;
• Metodologia de referência óptica de peça para alinhamento crítico de pré-tratamento a laser e sobremoldagem ao longo de uma superfície 3D livre;
• Demonstração deste processo para produzir uma porção estrutural 3D do painel de piso para o Módulo de Vida do veículo elétrico BMW i3 com tempo de ciclo de 2 minutos.

De fato, o relatório final de abril de 2018 do projeto afirma que esta tecnologia pode reduzir custo de peça CFRP automotiva em até 30% versus produção atual usando moldagem por compressão úmida e colagem adesiva de onserts únicos para clipes.

Parceiros Termoplástico-Termofixo

Por que unir sobremoldagem termoplástica a uma peça composta termofixa? "Componentes CFRP termofixos feitos com resina epóxi oferecem as melhores características para aplicações de carroceria de carro", afirma engenheiro de pesquisa da AZL Richard Schares. Sobremoldagem de nervuras de compósito termoplástico aumenta a rigidez de design da peça (módulo de seção), reduzindo assim a quantidade de fibra de carbono necessária. "Usando espessura de nervura igual à do casco CFRP, a rigidez de flexão específica da peça de demonstração OPTO-Light pode ser triplicada", ele adiciona. Sobremoldagem pode reduzir ainda mais custo da peça fornecendo clipes de fixação moldados ou bosses para parafusos enquanto simultaneamente fornece isolamento para prevenir corrosão galvânica entre fibra de carbono e fixadores metálicos.

Assim, o objetivo foi definido, mas a questão era como combinar ambos materiais em uma única célula de moldagem. Schares explica como os parceiros da indústria foram selecionados. "BMW tinha a maior experiência com produção serial de peças CFRP. KraussMaffei foi muito proativa na criação de tecnologias de combinação, como sua máquina de moldagem por injeção multi-componente ColorForm e máquina de moldagem híbrida FiberForm."

A peça de demonstração OPTO-Light foi uma porção de 470 mm de comprimento por 317 mm de largura por 130 mm de profundidade do piso do Módulo de Vida do BMW i3, incluindo a parede final no poço da roda. "Os casos de carga deste componente requerem boas características de rigidez e resistência em caso de colisão", Schares explica. "Também queríamos complexidade de forma e drapeamento para provar a moldagem por compressão de pré-impregnado horizontal, ablação a laser e sobremoldagem ao longo de uma superfície de forma livre."

Por Que Fotônica?

A Alemanha financiou uma estratégia de longo prazo para continuar desenvolvendo tecnologia de fotônica por causa do papel chave que ela desempenha na atual transformação digital global de manufatura. A indústria de compostos deve tomar nota, porque fotônica permite não apenas processamento avançado como colocação automatizada de fibra, soldagem a laser de termoplásticos, usinagem de precisão e vários processos de impressão 3D, mas também sensoriamento e comunicação visual para metrologia, monitoramento de processo e inspeção inline. No OPTO-Light, um laser de infravermelho próximo (NIR) foi usado para pré-tratar superfícies para sobremoldagem; além disso, uma variedade de sensores baseados em laser forneceram dados para controle de processo e garantia de qualidade (QA) inline.

Os quatro parceiros finais do OPTO-Light são fornecedores alemães de sistemas fotônicos. O primeiro, Arges (Wackersdorf), é especialista em scanners 3D usados para usinagem a laser. "Tipicamente desenvolve sistemas inovadores de scan a laser, posicionamento e deflexão de feixes de laser em processamento de materiais industriais e aplicações médicas", diz Schares. "Uma unidade de feixe duplo Arges foi desenvolvida para ablação e aquecimento. Precitec (Gaggenau) forneceu o sensor interferométrico para medição de distância usado durante ablação e referência de peça através do processo. Sensortherm (Sulzbach) forneceu o pirômetro (sensor de temperatura) que auxiliou controle de processo, e Carl Zeiss Optotechnik (anteriormente Steinbichler, Neubeuern) contribuiu com o scanner a laser T-scan para QA. "Ele mede geometria da peça e detecta deformação potencial", explica Schares. "Mostrará defeitos, como a nervura sobremoldada não completamente ligada ao casco CFRP." Todos estes sistemas são integrados no scanner a laser multifuncional (Fig. 2), que é montado na extremidade de um braço robótico Kuka (Augsburg, Alemanha) de seis eixos.

De HP-RTM para Fita Pré-impregnada

A ideia inicial era fazer as peças CFRP epóxi usando C-RTM, um tipo de moldagem por transferência de resina de alta pressão (HP-RTM) também conhecido como impregnação por folga, desenvolvido pelo Instituto de Processamento de Plásticos IKV. No entanto, durante este tempo, processos automatizados baseados em fita começaram a desafiar moldagem líquida de tecido não-crimp (NCF), oferecendo uma redução relatada de 30% em desperdício de corte. Resinas epóxi de cura rápida também foram expandidas em materiais pré-impregnados, tornando moldagem por compressão atraente, com potencial tempo de ciclo de um a dois minutos.

Quatro pré-impregnados unidirecionais foram avaliados para o casco do demonstrador. Estes foram convertidos em blanks 2D personalizados de formato líquido usando a célula de colocação de fita STAXX da Broetje-Automation (Rastede, Alemanha).

Os cascos CFRP moldados seriam então sobremoldados com poliamida 6 (GF/PA6) reforçada com fibra de vidro curta a 30% usando Durethan BKV 30 H2.0 901510 da Lanxess (Colônia, Alemanha). Uma máquina de moldagem por injeção KraussMaffei CXW-200-380/180 SpinForm foi escolhida como base para a célula de fabricação OPTO-Light e instalada na AZL. Ela apresenta tecnologia de platô giratório desenvolvida para permitir moldagem por injeção multi-componente.

O molde anexado ao platô giratório foi usado para formar duas cavidades de moldagem diferentes para dois processos diferentes — moldagem por compressão de pré-impregnado epóxi e sobremoldagem por injeção termoplástica. "Ninguém criou tal ferramenta antes", Schares aponta. BMW e KraussMaffei passaram muitas semanas finalizando todos os requisitos para ambos os processos, incluindo tolerâncias devido a diferentes zonas de temperatura, precisão de giro e vedação para resina termofixa, bem como detalhes padrão para ferramentas de moldagem por injeção.

Ablação a Laser e Referência de Peça

O casco CFRP epóxi resultante do processo de moldagem por compressão deve ser tratado antes da sobremoldagem termoplástica para alcançar resistência de união suficiente entre os materiais díspares. Ablação a laser oferece um processo ambientalmente amigável, de etapa única comparado a pré-tratamento mecânico ou químico e permite profundidade e caminho de ablação precisos, bem adequados para união de nervuras a peças ao longo de superfícies 3D. O método de ablação implica expor as fibras de carbono removendo localmente a camada superior de 10 mícron de espessura de resina epóxi. Isso limpa a superfície e produz uma microestrutura que permite o composto de sobremoldagem molhar e infiltrar as fibras expostas.

O scanner a laser multifuncional emite um feixe de laser com comprimento de onda de 1.064 nanômetros em pulsos de nanossegundos. "Você precisa de alta intensidade, e pulsar alcança isso mais eficientemente", Schares explica. "Tentamos um laser de onda contínua, mas introduz muito estresse térmico no laminado composto abaixo das zonas de união, reduzindo a adesão fibra-epóxi. Encontrar uma fonte de feixe adequada para processamento remoto em ambiente industrial não foi fácil."

Como as nervuras sobremoldadas devem corresponder às áreas pré-tratadas, o processo de ablação requer alta precisão de posicionamento. A subsequente colocação do material composto de fibra de vidro/PA6 sobremoldado é estritamente definida pela ferramenta de molde. Assim, uma metodologia necessária de referência de peça foi desenvolvida pela AZL. "O offset entre a geometria pré-tratada e composto sobremoldado deve ser menos de 300 mícrons. Assim, precisão para o ponto central do campo de scan a laser (tool center point) deve estar dentro de 150 mícrons relativo ao ponto de referência. Isso foi alcançado, bem como tempo de ciclo de menos de dois minutos para o pré-tratamento a laser. "Muito importante foi o trabalho preliminar do Instituto Fraunhofer para Tecnologia de Produção (IPT) para desenvolver geração de caminho para o robô e feixe a laser — isso não foi trivial", diz Schares. O sistema de fato provou seu valor — resultados de teste mostraram resistência ao cisalhamento de 27 MPa entre a sobremoldagem GF/PA6 e substrato CFRP epóxi.

Rotas de Processo Mais Curtas

Mesmo enquanto os benefícios do processo inicial eram documentados, a equipe OPTO-Light percebeu que era possível eliminar o pré-tratamento a laser. Este processo de duas etapas curaria apenas parcialmente o casco de pré-impregnado epóxi e usaria reatividade remanescente na resina epóxi para alcançar união com a sobremoldagem termoplástica. Três mecanismos potenciais existem para ligação entre epóxi não curado e PA6:

• Ligação covalente entre anéis epóxi reativos e grupos amina do PA;
• Ligações de hidrogênio com hidrogênio da amina como doador e oxigênio do epóxi como aceitador;
• Redes semi-interpenetrantes por efeitos de difusão, possíveis pela alta mobilidade de cadeias moleculares do PA em alta temperatura.

A vantagem desta rota de processo de duas etapas, diz Schares, "é que você pode pular o pré-tratamento, mas o controle de processo requerido é muito mais desafiador e a qualidade de superfície não é tão alto-brilho. No entanto, redução adicional de custo de peça por simplificação de produção é muito atraente."

A chave para esta rota de processo é monitoramento de processo. "Você deve olhar dentro do processo de moldagem por compressão de pré-impregnado porque conhecimento sobre o estado de cura deve ser certo para alcançar uma boa união com a sobremoldagem termoplástica", ele explica. Este monitoramento de estado de cura foi alcançado usando sensores de pressão e temperatura no molde, bem como sensores de resistividade de corrente contínua (DCR) e análise dielétrica (DEA) no molde.

DCR e DEA são bem estabelecidos para monitoramento de cura em compostos. No OPTO-Light, o controle de processo DCR/DEA compreende um sistema Optimold da Synthesites (Uccle, Bélgica) incluindo sensor DCR durável de 16 mm e software Optiview. Optimold monitora resistência elétrica da resina e temperatura até 210°C e pressão de 90 bar com taxa de amostragem de 1 Hz. O dispositivo analítico DEA288 Epsilon da Netzsch Gerätebau (Selb, Alemanha) inclui monotrodo cerâmico de 4 mm e software Proteus. Software DataFlow da Kistler Instruments (Winterthur, Suíça) para otimização de moldagem por injeção é outro componente chave.

O processo, começando com fixação do pré-forma de pré-impregnado dentro do molde e terminando com ejeção da cavidade de sobremoldagem por injeção, é descrito pelos sinais dos sensores DCR/DEA. Estes dados são cruciais para determinar o tempo ótimo de cura em moldagem por compressão antes da pivotação para moldagem por injeção para conclusão de cura e sobremoldagem. Os sensores ajudam a caracterizar o material durante processamento para qualidade ótima de peça. No futuro, o processo pode ser adaptativo e inteligente, com pivotação de processo acionada por sinais dos sensores DEA e DCR.

Testes iniciais mostram resistência de arrancamento de 9 N/mm² e uma resistência ao cisalhamento ainda maior para a união epóxi-PA6 usando esta segunda rota de processo OPTO-Light mais curta. Trabalho está em andamento para melhorar esta resistência de união, incluindo uso adicional de monitoramento de processo. A equipe também está explorando um processo de uma etapa no qual moldagem por compressão de pré-impregnado horizontal não é mais um processo separado, mas é alcançado simultaneamente com sobremoldagem.

Hibridização para Disrupção Futura

O potencial de disrupção do OPTO-Light foi reconhecido com o Prêmio de Inovação AVK para categoria pesquisa e ciência em 2017. O relatório final de 2018 do projeto afirma que para compostos alcançarem paridade de custo com metal em produção serial automotiva, é necessário não apenas maximizar a integração de funções em peças mas também a integração dos processos usados para fabricar aquelas peças. OPTO-Light desenvolveu uma gama de tecnologias, incluindo metrologia baseada em fotônica, tratamento de superfície e moldagem termoplástico/termofixo, que permitem ambos. Estas tecnologias também abrem a porta para processos híbridos adicionais, como processamento a laser para aumentar moldagem por injeção. "Ao integrar a ferramenta a laser desenvolvida na célula de moldagem, você agora tem a possibilidade de realizar ablação a laser, corte, pré-tratamento ou aquecimento antes, entre ou após processos de polímero dentro da máquina de moldagem por injeção", explica Schares. "Isso amplia a funcionalidade de peças futuras."

A ideia de combinar múltiplos processos de fabricação em uma única célula de trabalho está ganhando impulso em compostos. Por exemplo, muitos fabricantes de máquinas CNC agora oferecem células que combinam manufatura aditiva e usinagem CNC subtrativa. MF Tech (Argentan, França) combinou enrolamento de filamento 3D e usinagem CNC, e co-fundador Emanuel Flouvat confirma maior hibridização, com robôs capazes de trocar efetores finais para soldador ultrassônico ou a laser para união de termoplásticos, ou cabeça de colocação automatizada de fibra para aplicar remendos locais de fita unidirecional. "Ao integrar um sistema a laser guiado por robô, a 'caixa de ferramentas' para a definição de tecnologias de combinação inline adicionais é estendida", diz Schares. Este é outro passo significativo adiante neste avanço em direção a manufatura de compostos automatizada, multi-processo que sem dúvida em breve integrará eletrônicos em produtos finais.

A lição final que OPTO-Light oferece em hibridização está em sua parceria. "O desafio mais interessante em gerenciar este projeto foi como pegar todos os diferentes parceiros, cada um com sua expertise única — por exemplo, fotônica, polímeros de reação, moldagem por injeção, metrologia — e fazê-los desenvolver e avançar um entendimento comum dos efeitos de cada operação para tornar esta única cadeia de processo bem-sucedida", diz Schares. Ele enfatiza a importância da expertise e suporte contribuídos por cinco institutos parceiros — IKV moldagem por injeção, IKV polímeros de reação, ISF para soldagem e união, Fraunhofer IPT para integração a laser e Fraunhofer ILT para fontes a laser alternativas. "Este projeto demonstrou a capacidade de tal desenvolvimento interdisciplinar para resolver eficientemente desafios técnicos para produção de compostos de custo reduzido", diz Schares. Também lançou as bases para inovação disruptiva ainda maior.

Assista a um vídeo do processo integrado OPTO-Light em https://youtu.be/b9HmgnuGQY0.