Como a Fibra de Carbono Está Acelerando o Futuro dos eVTOLs Táxi Aéreo

Este blog é uma resposta a um artigo de janeiro de 2019 na revista WIRED, que alega que a produção de compósitos de fibra de carbono está impedindo o desenvolvimento de aeronaves de decolagem e pouso vertical elétricas (EV/VTOL) para mobilidade urbana e mercado de táxi aéreo. Vou debater isso, mas também oferecer algumas tecnologias potencialmente disruptivas, então leia até o fim.

Embora eu aplauda o autor por cobrir esta indústria emergente rapidamente, e por apontar a necessidade de projetar com manufaturabilidade em mente, ele é enganoso às vezes, provavelmente porque não é muito educado sobre a indústria de compósitos. Por exemplo:

Embora tecnicamente verdadeiro, a Airbus está aumentando para 60 aeronaves A320/mês até meados de 2019 e a Boeing está a caminho de 57 aeronaves/mês para o B737, também em 2019. Para o A320, isso significa produzir três conjuntos de plano de cauda vertical de plástico reforçado com fibra de carbono (PRFC) de 6,3 m de altura por dia e também três conjuntos de plano de cauda horizontal de 12,45 m de envergadura por dia.

Além disso, a Airbus tem qualificado uma tecnologia após outra — muitas usando compósitos, e todas visando 60-70 aeronaves por mês — para a próxima iteração do A320, referida como A320 Neo Plus. Essas tecnologias de compósitos abrangem um portfólio incluindo moldagem por transferência de resina (RTM), moldagem por compressão de composto de moldagem em folha (SMC) e compósitos termoplásticos (TPCs) que têm tempos de ciclo facilmente capazes de 700+ aeronaves por ano. Algumas das tecnologias mais novas em desenvolvimento estão reduzindo tempos de ciclo de peças PRFC de 4 horas para 15 minutos ou menos. A maioria das novas tecnologias que a Airbus qualificou são fortemente automatizadas, assim como os novos métodos de montagem.

A indústria automotiva também pavimentou o caminho para produção em massa maior do que eVTOLs exigirão (WIRED citou demanda projetada de 23.000 veículos até 2035). A BMW está aumentando produção de seus modelos i3 e i8 — ambos com células de passageiros totalmente em PRFC — de 130 a 200 unidades/dia e o fornecedor da Audi, Voith Composites, está produzindo a parede traseira PRFC do A8 a uma taxa de 150-300 unidades/dia. Note que os módulos BMW i3 e i8 são muito semelhantes ao aeromostrado abaixo para o Airbus Helicopters EC 135 — ambos os fabricantes então fixam exteriores e componentes internos a esta estrutura.

Enquanto isso, a parede traseira do Audi A8 é feita com tempo de ciclo de 5 minutos usando RTM e colocação automatizada de fita de carbono seca, adaptada em comprimento e orientação de fibra para atender cargas específicas, variando de uma base de 6 camadas (1,5 mm de espessura) até 19 camadas (3,7 mm de espessura) onde reforço local é adicionado para atender alta carga pontual. Esta única peça fornece 33% da rigidez torcional da célula de acionamento a 50% do peso vs. uma montagem de três a cinco peças de alumínio soldadas.

Termoplásticos

Mas esses exemplos nem estão explorando tecnologia termoplástica, favorecida como escolha para a nova aeronave de médio porte da Boeing (NMA), que deve ser anunciada antes do 2º trimestre de 2019. Peças termoplásticas voam em aeronaves desde os anos 1990, enquanto o desenvolvimento continuou, com Airbus e fornecedores Tier 1 europeus prototipando seções de asa e fuselagem cada vez maiores (com enrijecedores integrados), escalando para demonstradores de fuselagem em tamanho real este ano. Note que compósitos termoplásticos também permitem soldagem, dando mais oportunidades para eliminar fixadores e montagem.

A cadeia de suprimentos para materiais e processamento TPC coalesceu rapidamente nos últimos três anos, com todos os principais fornecedores de fibra de carbono agora produzindo fitas termoplásticas e peças sobremoldadas de baixo tempo de ciclo demonstradas por múltiplas empresas para aplicações aeroespaciais e automotivas. Soldagem termoplástica também foi demonstrada por múltiplas empresas.

Trecho de "Sobremoldagem como habilitador para compósitos, aeroespacial a automotivo", entrevistando Scott King no fabricante de compósitos CCP Gransden:

Tecnologia Mais Recente

Mas a tecnologia avançou desde 2014 para agora incluir vários desenvolvimentos interessantes:

Termoplásticos Sobremoldados em Termofixos

O projeto OPTO-Light no AZL Aachen demonstrou costelas e clipes de compósito termoplástico (TPC) sobremoldados em uma peça de compósito de fibra de carbono/epóxi.

Sobremoldagem + Pultrusões UD de Carga

O projeto MAI Skelett demonstrou pultrusões TPC sobremoldadas em um processo de duas etapas, 75 segundos, para produzir um membro estrutural do teto/para-brisa que excede todos os requisitos da peça BMW i3 enquanto integra fixações e clipes, bem como mudando comportamento de falha de frágil para dúctil para maior resistência residual da carroceria.

O parceiro do projeto SGL Carbon agora fornece fibra de carbono com dimensionamento apropriado para soluções de matriz única usando família PP ou PA6, incluindo pultrusões, organofolha e composto de sobremoldagem, bem como expertise de design e processo para desenvolvimento de peças, este último via seu Centro de Aplicações Leves (LAC, Meitingen, Alemanha).

Novo sistema de fixação patenteado de alta precisão da BMW usa clipes moldados por injeção ou sobremoldados (base) e esferas impressas em 3D (topo) sem fixadores, furos perfurados ou adesivo. As imagens da base mostram como este sistema permite acabamento interior personalizado impresso em 3D ser "encaixado" como parte do programa 2019 MINI Yours Customised.

FONTE: Patente DE 10 2013 214 269 B3 (topo)
https://www.youtube.com/watch?v=1pyxNKw-nf8 (base)

Voltando ao artigo da WIRED e suas alegações desinformadas:

É verdade que este método de produção de PRFC tem sido usado por muitos anos, mas também é verdade que fabricantes de aeronaves e automotivos já mudaram para materiais e processos mais automatizados, de desperdício quase zero, bem como termoplásticos com vantagens comprovadas na eliminação de fixadores, permitindo reciclabilidade/conteúdo reciclado e reparabilidade.

No fim, o autor da WIRED contradiz sua tese toda porque o pioneiro eVTOL ICON planeja não apenas avançar com sua estrutura aérea PRFC mas também fabricar peças para aeronaves maiores. Fibra de carbono obviamente não vai aterrar eVTOLs mas em vez disso já está desempenhando papel chave em empresas avançando com engenharia inteligente para uma ampla gama de veículos futuros, tanto no ar quanto na estrada. Usar a tecnologia mais recente faz sentido porque todos esses novos veículos têm que ser certificados de qualquer forma.

Um ponto chave foi feito no artigo pelo CEO da BetaTechnologies, Kyle Clark:

O CEO da Blue Force Technologies, Scott Bledsoe, também enfatizou a importância de ter equipes de aerodinâmica, propulsão, estilo, estruturas e manufatura, cada uma com um assento igual à mesa durante cada etapa de design e desenvolvimento.

Mas talvez a coisa mais importante seja manter-se atualizado sobre para onde a manufatura de compósitos está se movendo e conectar com os muitos fornecedores de materiais, equipamentos e tecnologia que querem compartilhar sua expertise e ajudar a desenvolver aplicações futuras. Entre em contato conosco na CompositesWorld porque é isso que fazemos — fornecer conexões e informações técnicas e confiáveis.