Revolucionando Compósitos: Manufatura de Fibra Contínua com MOI Composites

A impressão 3D e deposição de fibra contínua está ganhando impulso. À medida que o número de empresas que utilizam e avançam nessa tecnologia cresce, ela sem dúvida moldará a indústria de compósitos.

Três Vantagens Fundamentais

Primeiro, oferece fabricação sem moldes ou ferramentas. Segundo, oferece estruturas multifuncionais (ex.: condutividade elétrica, mudança de forma, sensoriamento). Terceiro, abre as portas para um mundo de manufatura hibridizada — ex.: laminação sobre impressão 3D e fresamento durante a impressão — bem como um cenário quase infinito de desenvolvimento de materiais, desde fibras de liga de memória de forma Nitinol até soluções de nanocompósitos condutivos para modelagem por deposição líquida (LDM). Este último é um mundo à parte ao qual voltarei em um futuro blog.

Origens e Evolução da MOI Composites

A Moi Composites foi estabelecida em fevereiro de 2018 pela engenheira de materiais e professora Marinella Levi, o engenheiro de design Gabriele Natale e o arquiteto Michele Tonizzo. Em 2013, a professora Levi começou a trabalhar com impressão 3D no Politecnico di Milano (Milão, Itália). Em 2014, ela formou o +LAB no Departamento de Química, Materiais e Engenharia Química "Giulio Natta" da universidade. Sua visão era fundir P&D, ensino e inovação em materiais reunindo engenheiros, designers, pesquisadores e makers em um hub colaborativo e multidisciplinar de impressão 3D.

Linha do tempo: 2014 Primeira ferramenta para impressão 3D de compósitos termofixos de fibra contínua; 2015 Patente WO2017085649A1; 2016 Parcerias com Owens Corning e KUKA Robotics, projeto e sistema de impressão Atropos; 2017 Prêmio de Inovação JEC, parceria com Autodesk, finalista do Prêmio James Dyson, parceria com automação COMAU.

"Começamos a Moi Composites porque queríamos produzir peças comerciais e participar de projetos internacionais", explica Michele Tonizzo. "Descobrimos que há muito mercado. Estamos fabricando componentes biomédicos, bem como peças para aplicações marítimas, óleo & gás e aeroespaciais, usando principalmente fibra de vidro. A tecnologia CFM é capaz de fabricar soluções únicas que seriam impossíveis com métodos tradicionais."

Gama de Resinas e Fibras

O Atropos demonstrou a capacidade de imprimir polímeros termofixos reforçados com fibra descontínua e contínua não apenas camada por camada, mas também ao longo de curvas não lineares. Utilizou luz ultravioleta (UV) para curar os polímeros no local. "Atualmente podemos imprimir com cura UV em epóxi, acrílico e viniléster", diz Tonizzo. Ele observa que o acrílico funciona bem para peças arquitetônicas porque é transparente e não requer temperatura para cura/pós-cura. O viniléster é usado para peças marítimas e o epóxi para peças de óleo & gás e aeroespaciais.

"Para algumas aplicações, a cura UV é apenas o estágio inicial e depois fazemos pós-cura com aquecimento convencional", observa Tonizzo. "Não estamos presos à cura UV. Imprimimos com polímeros de cura não-UV e entendemos que para aplicações de propriedades mais altas precisaremos de diferentes opções de matriz." Para referência, a temperatura de transição vítrea (Tg) de sua resina mais comumente usada, um viniléster, é de cerca de 140°C.

"Também estamos trabalhando com fibra de carbono, mas não com resinas de cura UV", diz Tonizzo. Ele aponta que tanto a transparência da fibra quanto a cor afetam a cura UV. "O problema com o carbono é que ele é opaco e preto. Esta é a pior combinação. Queremos desenvolver a melhor solução para a fibra de carbono como material, não apenas a tecnologia mais fácil que funciona. Existem muitas outras opções de materiais de cura que podemos usar, então estamos investigando estas."

A Moi Composites imprimiu fibra de vidro contínua até 2400 tex (207 yd/lb com diâmetro máximo de 24 µm segundo ficha técnica da Owens Corning) e está testando fibras naturais. Também imprimiu com fibra de basalto. "Podemos imprimir muito bem com cura UV e fibra de basalto porque ela é realmente um pouco transparente e mais marrom que preta", explica Tonizzo.

Fibras que conduzem corrente elétrica também podem ser usadas na tecnologia CFM. Elas podem ser colocadas conforme necessário na estrutura sendo impressa. Um dos projetos listados no site do +LAB mostra fibra de Nitinol, que é uma liga de memória de forma. "Assim, você poderia fazer estruturas que mudam de forma", diz Tonizzo. "Por exemplo, você poderia usá-la para liberar tensão em outras fibras, como em concreto pré-esforçado."

Impressão 3D como Parte da Manufatura Híbrida

O Atropos usa um braço robótico Kuka com envelope de impressão de 0,5 x 0,5 x 0,5m de altura. "Agora estamos imprimindo em um robô Comau com envelope de 1,0 x 0,5 x 0,8m de altura, que é o sistema de segunda geração", diz Tonizzo. "Também usamos robôs maiores com mesas rotativas e volumes de construção de 1,5 x 1,5 x 1m de altura e demonstramos que nossa tecnologia é facilmente escalável."

A Moi também está desenvolvendo uma cabeça de impressão de terceira geração, tudo em um, com sistema para aplicar pressão nas fibras, sensores, mecanismos de corte e ferramenta de fresamento. Tonizzo diz que isso fechará a lacuna entre impressão 3D e colocação automatizada de fibras (AFP). "A impressão 3D não atinge o desempenho da AFP, mas o CFM oferece mais flexibilidade. Já podemos imprimir com fibras de 0,25mm de espessura e temos a capacidade de criar curvas e posicionar fibras contínuas na posição ideal", ele adiciona.

"A impressão 3D deve ser usada para o que faz de melhor", diz Tonizzo, "o que inclui otimizar o fluxo de trabalho. Por exemplo, você pode imprimir em 3D um núcleo interno com rebaixos e direções inteligentes de fibra. Então usa laminação manual comum por cima e cura em autoclave ou apenas com bolsa a vácuo." Ele descreve uma peça que era impossível de fazer convencionalmente com molde. "Imprimimos o núcleo interno e depois o envolvemos em laminado e curamos em autoclave a 110°C e 2 bar de pressão por várias horas. A peça saiu ótima." Esta peça está sob acordo de não divulgação, mas a Moi produziu a prótese SuPeRIOR de maneira similar, curada não em autoclave, mas apenas com bolsa a vácuo (VBO). "Todos os internos usam uma única fibra de vidro contínua", explica ele, "mas o laminado externo é tecido de fibra de carbono por deposição manual e resina epóxi. Todo o design reduz deflexão e aumenta personalização enquanto corta significativamente custo e tempo de produção."

Software de Otimização Baseado em Voxel

Tonizzo explica que o processo de design da peça combina o algoritmo baseado em voxel da Autodesk com os algoritmos da Moi para otimização de tensão e caminho. Isso produz o caminho de fibra otimizado para a estrutura. O software também trabalha para escolher o caminho mais viável de fabricar. "Este é um processo iterativo", diz Tonizzo. "O design não é totalmente automatizado como design generativo. Ainda precisa de engenheiros para fazer escolhas. Mas acho que é assim que deve ser — o designer e o software combinados, não apenas IA sozinha."

Futuro Multi-material e Forte Potencial de Mercado

Em uma das imagens da pá de hélice impressa pelo Atropos, há um close mostrando um padrão quase tecido. "Na verdade, não é tecido, mas será possível em breve", diz Tonizzo. Ele me direciona para o projeto de onda senoidal no site do +LAB. "Os demonstradores mostrados são impressos em 3D em plástico com fibras curtas e o processo LDM [modelagem por deposição líquida] enquanto éramos pesquisadores no +LAB. Os algoritmos que usávamos então são os mesmos que agora estamos avançando com fibra contínua."

É óbvio pelo site do +LAB que inovações em materiais e possibilidades para este tipo de impressão são quase infinitas. A questão é o que oferecerá mais oportunidade e potencial para soluções de alta demanda. Enquanto isso, fornecedores de materiais estão apoiando o desenvolvimento contínuo. Por exemplo, a Owens Corning está interessada em demonstrar fibra de vidro com mais matrizes, como cerâmicas e concreto. Obviamente, isso é muito interessante para aplicações de construção e edificação, e poderia ter potencial significativo à luz das tendências atuais para fabricação digital e construção energeticamente eficiente, módulos pré-fabricados offsite e sustentabilidade aprimorada via materiais naturais e reciclados, todos enfatizando leveza. "O Departamento Giulio Natta do Politecnico di Milano está em um projeto da UE para impressão de geopolímeros que se comportam como concreto", adiciona Tonizzo. "Eles curam sozinhos com o tempo, mas têm consistência como argila durante a impressão para melhor fluxo. Definitivamente continuaremos trabalhando nesta área, bem como com novos polímeros e fibras."

Vocês venderão máquinas? "Sim, mas no futuro", diz Tonizzo. "Por ora, estamos produzindo peças e levando a tecnologia à instalação do cliente, usando nosso know-how, cabeça de impressão e software para realizar soluções de peças sob demanda." Ele adiciona que, tendo trabalhado no último ano para melhorar a tecnologia com adotantes iniciais de CFM e demonstrar o caso de negócio para muitas peças diferentes em diferentes mercados, a Moi Composites agora busca investidores para escalar ainda mais máquinas e processos CFM para oportunidades comerciais de mercado.