Avanços na Soldagem de Compósitos Termoplásticos: Da Pesquisa ao Uso Comercial

Este blog acompanha o artigo de setembro de 2018 "Soldagem de compósitos termoplásticos". É uma compilação de imagens e detalhes que não couberam no artigo impresso, incluindo uma linha do tempo de desenvolvimentos de soldagem por indução e detalhes sobre qualificação para futuras aeronaves comerciais, bem como seções curtas sobre reparo, desenvolvimentos para automotivo e soldagem termofixo-termoplástico (TS-TP).

Para reiterar por que conjuntos de compósitos termoplásticos (TPC) soldados são de interesse tanto para aeroespacial quanto para estruturas leves automotivas, compare as duas imagens abaixo do balão traseiro de pressão do Airbus A320. A imagem superior é a versão atual feita de alumínio. Observe o grande número de rebites. Agora compare com o demonstrador TPC soldado apresentado pela Premium Aerotec no ILA airshow 2018 em Berlim. Observe a ausência de rebites. Para compósitos, isso não apenas elimina o peso, tempo e custo de fixadores, mas também o tempo e custo de posicionamento e furação de furos, mais limpeza e inspeção desses furos. Também significa estruturas muito mais leves sem os reforços de laminado necessários para compensar cortes através de fibras portadoras de carga.

Um balão traseiro de pressão A320 de compósito termoplástico soldado (embaixo) oferece solução sem rebites vs. construção atual de alumínio (topo).
FONTE: RUAG (topo) e Premium Aerotec (embaixo), DLR Center for Lightweight Production Technology (Augsburg, Alemanha)

"Outro benefício é que inspeção para estruturas soldadas é mais fácil versus conjuntos colados adesivamente", diz Dr. Hans Luinge, diretor de P&D e desenvolvimento de produto de compósitos termoplásticos para fornecedora de materiais TPC TenCate-Toray Group. "C-scan funciona bem, mostrando se não há porosidade no laminado, o que significa que a solda é boa. Para estruturas coladas adesivamente, você pode ter um beijo de cola ou contaminantes que são difíceis de detectar." Embora a TenCate-Toray não desenvolva tecnologia de soldagem em si, ela suporta uma variedade de projetos de indústria e clientes. "Otimizamos nossos materiais conforme necessário", diz Luinge, "e tentamos ajudar a direcionar desenvolvimentos na direção certa baseada em nossa participação de longa data em esforços como TAPAS e com parceiros como KVE Composites, TPRC, fornecedores Tier e OEMs."

Desenvolvimentos de Soldagem por Indução

A KVE Composites desenvolve soldagem por indução para TPCs desde 2001. Aplicações iniciais usaram laminados de tecido de fibra de carbono/PPS, incluindo elevadores e leme para aeronaves executivas Gulfstream G650 e Dassault Falcon 5X.

A KVE Composites ajudou a desenvolver a produção de elevadores e leme soldados por indução (esquerda) da GKN Fokker para o Gulfstream G650 (direita) e aeronaves Dassault Falcon 5X.
FONTE: KVE Composites, GKN Fokker (esquerda) e Gulfstream (direita).

Outras aplicações TPC soldadas por indução incluem portas de acesso a tanque de combustível produzidas pela AVIACOMP S.A.S. (Launaguet, França e agora parte do Grupo Sogeclair) para a asa do Airbus A220 (anteriormente Bombardier CSeries). (Aviacomp também produziu as longarinas para o fuselagem TPC soldado da STELIA mostrado no Paris Air Show 2017.)

Aviacomp usa tecnologia de soldagem por indução desenvolvida pela KVE Composites em sua produção de portas de acesso a tanque de combustível TPC para a aeronave narrowbody Airbus A220.
FONTE: Aviacomp, parte do Grupo Sogeclair.

Esta categoria geral de portas de acesso é uma oportunidade para soldagem TPC economizar custos, mostrada em um estudo de design e fabricação completado pela KVE Composites. Mesmo aeronaves menores podem ter até 60 destes painéis de acesso, todos com formas diferentes, e tipicamente feitos usando construção sanduíche compósito com núcleo de favo de mel usinado. "Se você usar montagem termoplástica soldada, pode fazer todos os diferentes painéis de acesso para uma aeronave com apenas $100.000 em custos de ferramentas, o que é uma economia dramática", diz Harm van Engelen, diretor administrativo da KVE Composites. "Não precisamos usinar núcleo, apenas usamos componentes 'tipo lego' — chapas planas e reforços estampados — soldados juntos para formar as várias formas. Além disso, nossas ferramentas são mais como um gabarito de soldagem, então custo relativamente baixo vs. o que usam hoje. Todos os painéis de acesso para uma aeronave poderiam ser feitos em uma única célula de soldagem."

Montagem termoplástica soldada para painéis de sobreposição de aeronaves pode ser feita usando células automatizadas de conformação e soldagem e economizar $100.000 em custos de ferramentas. FONTE: KVE Composites.

A KVE Composites continua seu desenvolvimento de tecnologias de soldagem TPC, como ilustrado nas linhas do tempo abaixo. A célula de produção mostrada na parte inferior para 2019 é a máquina Falko ATL (colocação automatizada de fitas), produzida pela Boikon (Leek, Holanda) usando um efetor de extremidade de soldagem ultrassônica desenvolvido pela GKN Fokker. "Esta célula robótica permite um processo e sistema de controle mais eficiente para o próximo nível de produção de peças TPC em volume vs. métodos pick-and-place usados hoje", explica Maarten Labordus, chefe de P&D da KVE Composites. "Por exemplo, você pode depositar automaticamente os laminados de pele e longarina para uma superfície de controle de jato regional (que é aproximadamente 60mm x 3m), aplicar uma etapa de conformação e consolidação fora de autoclave, e então completar a montagem em uma célula de soldagem adjacente." A máquina Falko ATL também demonstra controle de malha fechada já desenvolvido pela GKN Fokker para soldagem ultrassônica. "A máquina é capaz de controlar o nível de energia conforme necessário por tipo de material, espessura e forma, no entanto, a consolidação total de fusão do pré-forma plano é necessária depois durante a moldagem da peça TPC acabada", explica Arnt Offringa, chefe de P&T de Aeroestruturas para GKN Fokker.

FONTE: KVE Composites

Qualificação

Mostrado acima como uma iniciativa-chave de desenvolvimento em 2017, a qualificação de processos de soldagem por indução para aeroestruturas TPC é uma prioridade contínua. Segundo o resumo para a apresentação futura da KVE Composites na 4ª Conf. Int. e Exposição sobre Compósitos Termoplásticos (ITHEC, 30-31 out 2018 em Bremen, Alemanha), nos últimos anos a soldagem de compósitos termoplásticos (TPC) viu uma mudança para longe de polímeros como PPS e PEI em direção a polímeros de ponta mais altos como PEEK, PEKK e agora PAEK de Baixo Ponto de Fusão (LM PAEK, leia mais no meu blog "PEEK vs. PEKK vs. PAEK..."), bem como em direção a fitas UD colocadas automaticamente e laminados mais espessos para estruturas mais carregadas. Em resposta, a KVE Composites buscou melhorar e padronizar ferramentas e equipamentos, bem como modelos de simulação baseados em FEA.

Configuração padronizada para qualificação de soldagem por indução com novos materiais.
FONTE: KVE Composites

Para auxiliar na maturação e qualificação do processo de soldagem por indução com estes novos laminados compósitos, a KVE Composites desenvolveu uma configuração padronizada para soldagem de cisalhamento de sobreposição simples e também cupons de teste de arranque em L e T. Esta configuração inclui:

• Uma estrutura rígida para suportar cargas da aplicação de pressão no laminado durante a soldagem.
• Um bloco de ferramenta inferior que pode ser posicionado sob a estrutura para permitir soldagem reproduzível de painéis padrão.
• Um mandril inflável (fole de pressão na figura acima) no bloco de ferramenta inferior que pode expandir em apenas uma direção para comprimir o laminado sendo soldado contra um dissipador de calor especial ("material KVE" na figura acima) para confinar calor na interface de soldagem.

Ao trocar os blocos de ferramenta inferiores, uma variedade de cupons padrão pode ser soldada e então inspecionada ultrassonicamente, após o que cupons menores podem ser cortados e testados mecanicamente. Esta configuração padronizada já foi instalada por:

• Centro de Pesquisa de Compósitos Termoplásticos (TPRC, Enschede, Holanda)
• Centro McNair na University of South Carolina (Columbia, SC, EUA)
• Centro Aeroespacial da Holanda (NLR, Marknesse, Holanda).

Configuração padronizada de soldagem por indução na KVE (esquerda) e amostra UD fibra de carbono/PEKK soldada com termopares para registrar temperatura na linha de solda (direita).
FONTE: KVE Composites.

Reparo

Outra área chave de desenvolvimento é como reparar aeroestruturas TPC. "Estamos focando primeiro em estruturas CF tecido/PPS que estão qualificadas e voando", diz Labordus. "O processo é basicamente o mesmo usado para reparos de compósitos termofixos: remover o material danificado, preparar aquela área com um scarf taper e então colar um patch de pré-impregnado. Labordus diz que um dos problemas é que o pré-impregnado termoplástico em temperatura ambiente é rígido e não gruda, 'então é difícil fazer a geometria combinar.' No entanto, ele acredita que os sistemas de reparo robóticos sendo desenvolvidos pela Airbus, Lufthansa e outros oferecem uma solução.

Como parte de seu desenvolvimento contínuo de reparos estruturais de compósitos termoplásticos soldados, a KVE Composites alcançou juntas taper lineares 2D soldadas por indução em laminados CF tecido/PPS com espessura uniforme e 90% das propriedades do material virgem.
FONTE: KVE Composites.

Tais sistemas usam metrologia para medir precisamente scarfs taper usinados roboticamente e então colar um patch pré-fabricado que foi usinado taper roboticamente para combinar. "Queremos usar soldagem por indução para soldar um patch termoplástico à estrutura original", diz Labordus, mas ainda há questões a resolver. "Dependendo da forma da peça e do patch, correntes parasitas não se formam em todo lugar, então podemos obter áreas de frio ou superaquecimento. A KVE Composites trabalhou nisso e conseguiu alcançar uma junta taper linear 2D em laminados CF tecido/PPS com espessura uniforme e solda perfeita. 'Estávamos dentro de 10% das propriedades do material virgem', diz Labordus."

O próximo passo será soldar por indução duas peças retangulares cada uma com uma borda scarfed e então soldar um patch taper a um furo circular/elíptico com scarf taper, que é essencialmente o método usado para reparos de compósitos termofixos. "Se isso funcionar, então passaremos para laminados UD feitos com PEEK e PEKK", diz Labordus. Ele nota que um sistema para usar uma bobina de indução para fazer reparos em campo ainda não foi demonstrado, "mas podemos fazer no laboratório." Outra questão é como aplicar pressão para contato suficientemente próximo entre o patch de reparo e superfície taper. "Agora, a pressão usada na ferramenta de laboratório é 5 bar. Não tenho certeza se pressão apenas de bolsa a vácuo é suficiente, mas com material UD mais plano, 1 bar apenas de bolsa a vácuo pode ser ok."

Soldagem por indução sob bolsa a vácuo — um possível habilitador para futuros reparos de compósitos termoplásticos em campo — está sendo desenvolvida por Michel van Tooren e sua equipe no McNair Center da University of South Carolina. FONTE: Michel van Tooren.

Este trabalho na KVE Composites está sendo estendido por Michel van Tooren, diretor do SmartState Center for Multifunctional Materials and Structures, parte do McNair Center na University of South Carolina (Columbia, SC, EUA). "Estamos soldando compósitos termoplásticos por indução sob uma bolsa a vácuo, que é muito similar a como reparos de compósitos em campo são feitos hoje com hot bonder e manta de aquecimento", ele explica. "A bolsa a vácuo comporta-se como ferramenta mole para compressão das duas peças. Você aplica corrente de indução e alcança um reparo por fusão. Você só precisa ter os limites e parâmetros do processo definidos. De certa forma, é mais fácil que reparo termofixo porque você pode sempre refazer o reparo se necessário, mesmo do outro lado do mundo ou após 20 anos de serviço. E o resultado não é uma ligação adesiva, mas sim uma peça coesa, assim você elimina todas as questões com colagem e como saber se você tem uma boa ligação em um reparo termofixo." Ele também acredita que com as tecnologias de reparo robótico automatizado sendo desenvolvidas agora, "soldar um reparo por indução seria relativamente simples."

Soldagem Termofixo a Termoplástico

Van Tooren também está desenvolvendo soldagem por indução para unir compósitos termofixos e termoplásticos. "Introduzimos termoplástico a um compósito termofixo, mas apenas onde queremos soldar", ele explica. "Enxertamos uma nanopartícula e fazemos uma pequena polimerização cruzada. O resultado é uma ilha de termoplástico implantada e co-fundida quimicamente com o compósito termofixo. Posso então soldar na ilha termoplástica." Novamente, a visão é métodos alternativos para união e montagem de compósitos que evitem furação de furos e questões associadas à colagem adesiva convencional.

Esquemático de junta TSC-TSC via camada de acoplamento termoplástico PVB antes da soldagem (topo). Configurações (embaixo) para soldagem por indução (esquerda) e soldagem ultrassônica (direita).
FONTE: "Hybrid welding of CF/epoxy based composites".

A soldagem de laminados compósitos termofixos (TSC) a laminados TPC (ou soldagem TS-TP) está sendo perseguida por múltiplas organizações de pesquisa. Irene Fernandez Villegas na TU Delft — que é mencionada no artigo impresso como líder no desenvolvimento de soldagem ultrassônica contínua de TPCs — co-autoria de um artigo de 2017 intitulado "Hybrid welding of carbon-fiber reinforced epoxy based composites" junto com Francesca Lionetto na University of Salento (Lecce, Itália), Silvio Pappadà no CETMA Composites (Brindisi, Itália), e outros. Os fundamentos são os seguintes:

• Polivinilbutiral (PVB) é um polímero termoplástico semi-cristalino, de baixo custo, com temperatura de fusão de 150-170°C caracterizado por excelente capacidade de ligação e formação de filme e adesão a muitas superfícies.
• PVB (Mowital, fornecido pela Kurakay) foi usado como camada de acoplamento, adicionado e co-curado a um laminado TSC de tecido de fibra de carbono/epóxi de 14 camadas (pré-impregnado Hexcel 3501-6 com conteúdo de fibra de 58% e cura a 180°C).
• Intertravamento macro-mecânico entre a camada de acoplamento PVB e o compósito CF/epóxi foi alcançado através de penetração parcial da resina PVB na primeira camada do TSC (tipicamente entre 10 e várias centenas de mícrons de espessura) durante co-cura e difusão dos monômeros de epóxi no filme termoplástico PVB.
• Processos de soldagem por indução e ultrassônica resultaram em juntas soldadas adequadamente fortes, com as juntas CF/epóxi para CF/epóxi soldadas através das camadas de acoplamento PVB mostrando resistência ao cisalhamento de sobreposição de ≈25 MPa, que está dentro da faixa típica de valores de resistência para juntas CF/epóxi coladas adesivamente.

Automotivo

Quase todas as empresas incluídas no artigo impresso sobre soldagem termoplástica estão olhando para aplicações automotivas assim como aeroespaciais. "Soldagem ajuda a tornar compósitos competitivos versus alumínio", diz Offringa na GKN Fokker. "Automotivo também está olhando para soldagem como alternativa rápida à colagem. Conversamos com várias empresas automotivas sobre processamento rápido de compósitos." Ele aponta que carrocerias de fibra de carbono são mostly termofixas, coladas com espessura especificada de adesivo. "Se você pudesse fazer estas peças usando compósitos termoplásticos e eliminar folgas entre componentes soldando a montagem, então você pode fazer uma estrutura de carroceria mais rígida, o que traz benefícios de peso, custo e desempenho."

Configuração de processo de soldagem por indução dinâmica da Composite Integrity.
FONTE: Composite Integrity.

Jérôme Raynal, gerente de desenvolvimento de negócios da Composite Integrity, também vê potencial. Sua empresa trabalhou com a STELIA Aerospace para desenvolver o processo de soldagem por indução dinâmica usado para unir longarinas de fita UD CF/PEKK e peles de fuselagem no demonstrador TP, revelado no Paris Air Show 2017. "Desenvolvemos soldagem resistiva para automotivo com tanto poliamida [PA, nylon] quanto polipropileno [PP] compósitos", diz Raynal. "Temos uma variedade de diferentes tecnologias para isso. Por exemplo, podemos embutir um fio metálico em uma peça, colocá-la em contato com outra peça e injetar corrente. Também podemos colocar um patch resistivo de fibra de carbono na interface de soldagem para gerar o calor de soldagem necessário." Em um desenvolvimento, dois componentes feitos de CF/PA foram soldados usando um patch resistivo especialmente desenhado feito com o mesmo polímero e um velo de fibra de vidro para isolar eletricamente o laminado adjacente e concentrar a energia na linha de solda. E quanto a inserts metálicos que são muito típicos em peças automotivas? "Peças com inserts metálicos não são problema com soldagem resistiva, e com soldagem por indução você usaria uma bobina especialmente desenhada ou modificaria os campos eletromagnéticos e corrente de alguma outra forma", responde Raynal. "Isso teria que ser desenvolvido, mas é similar ao que já demonstramos para produção automatizada de estruturas de aeronaves."

Desenvolvimentos Adicionais e Outros Projetos

Uma nota sobre a imagem de abertura. Ela mostra uma renderização CAD do processo automatizado desenvolvido pelo DLR Center for Lightweight Production Technology (DLR ZLP, Augsburg, Alemanha) usando uma cabeça de soldagem ultrassônica em um robô industrial KUKA Quantec KR210 para unir oito seções TPC em um balão traseiro de pressão (RPB) para uma aeronave tipo A320. No artigo impresso acompanhante sobre soldagem TPC, discuti o desenvolvimento da DLR ZLP de um método de soldagem resistiva que foi usado no demonstrador RPB A320 da Premium Aerotec exibido no ILA air show 2018 em Berlim. Segundo Lars Larsen, gerente de grupo para tecnologias de montagem e união na DLR ZLP, "Em paralelo ao processo de soldagem resistiva usando uma 'ponte de soldagem', também desenvolvemos uma cabeça de soldagem ultrassônica acionada roboticamente. Completamos testes preliminares para determinar os parâmetros de processo de soldagem relevantes, e nos próximos meses refinaremos a integração daquele efetor de extremidade de soldagem ultrassônica em nosso robô. Nosso objetivo é desenvolver um único processo industrial para soldar tanto longarinas de fuselagem de aeronaves quanto balão traseiro de pressão feitos usando compósitos termoplásticos."

Outros projetos que não tive chance de cobrir desta vez incluem EireComposites e sua participação nos projetos Ybridio e Innova, buscando o potencial para soldagem reduzir custo e aumentar automação. A empresa reporta capacidade de soldagem por indução e resistiva para compósitos CF/PEEK, CF/PEKK e GF/PP e que soldagem termoplástica foi avaliada para a asa do Bombardier CSeries (agora Airbus A220).

Tods Aerospace, agora parte da Unitech Aerospace, participou de um National Aerospace Technology Exploitation Programme (NATEP) patrocinado pela Rolls-Royce que olhou para desenvolvimento de uma técnica de soldagem resistiva que não usa implantes metálicos embutidos. TenCate-Toray e o National Composites Centre (Bristol, UK) também foram parceiros.

Este demonstrador de processo explorou um método para fabricação de estruturas TPC com reforço tipo chapéu. FONTE: Unitech Aerospace (comece na Seção 6, p. 39)

Fique atento, pois planejo cobrir desenvolvimentos do Laser Zentrum Hannover (LZH) com soldagem a laser de compósitos termoplásticos em breve.

FONTE: LZH Laser Zentrum Hannover e.V.