Onde a arte e a ciência da trança se encontram

Na indústria de compósitos, existem alguns processos de fabricação que, aparentemente, parecem relativamente simples e fáceis de executar. A trança de reforços de fibra é, sem dúvida, uma delas. A trança, na verdade, é feita por um bom número de fabricantes. Na verdade, adquirir e usar uma trança para fazer pré-formas de fibra de carbono ou fibra de vidro, mangas e / ou tecidos pode ser realizado sem um investimento monumental de dinheiro ou tempo.

Existem poucas empresas no mundo, no entanto, que fizeram da trança o foco de todos de sua atenção, experiência, investimento e estratégia. Poucos ainda desfrutam da reputação estabelecida pela A&P Technology Inc. (Cincinnati, OH, EUA) por excelência técnica e artística e amplitude de experiência com virtualmente todos os reforços de fibra em uso hoje.

O que há no nome?

O A&P é derivado da Atkins &Pearce Manufacturing Co., fundada em 1817 para produzir máquinas de processamento de algodão. A Atkins &Pearce finalmente começou a trançar algodão para uma variedade de mercados finais. Isso continuou em meados do século 19 e no século 20. Em 1986, quando a indústria de compósitos moderna começou a tomar forma, Atkins &Pearce viu uma oportunidade de aplicar seu know-how de trança na fabricação de compósitos e criou a A&P Technology como uma unidade de P&D para avaliar tranças de fibras técnicas. O negócio da A&P Technology cresceu durante a década seguinte e, em 1995, tornou-se uma subsidiária integral da Atkins &Pearce. Em 1997, a empresa deu um passo adicional ao desmembrar a A&P Technology como uma empresa independente. Hoje, é de propriedade integral de seu presidente, Andrew Head.

A A&P Technology está espalhada por cinco edifícios em um campus localizado no lado leste da área metropolitana de Cincinnati. Os visitantes são recebidos no Tech Center de 1.255 m2, um prédio próximo à entrada principal do campus. Foi aqui que Pam Schneider, COO, e Mike Braley, VP, engenharia de aplicativos, cumprimentaram CW para este passeio. Schneider traça suas raízes A&P há mais de 30 anos, desde a fundação da empresa. Braley ingressou na A&P há mais de 20 anos, vindo da GE Aviation (Evendale, OH, EUA), um dos clientes de longa data da A&P.

Sentado no último andar do Tech Center, entre amostras de peças derivadas de contratos de trança da A&P, junto com fotos legadas dos primeiros dias da Atkins &Pearce, Schneider explica que o sucesso da A&P deriva principalmente de sua capacidade de fazer engenharia personalizada de soluções de materiais para atender a uma infinidade de requisitos mecânicos e físicos. E isso é possível porque o equipamento de trança da A&P é desenvolvido e fabricado internamente, o que significa que a empresa está intimamente ligada à sua tecnologia, desde o conceito até o desenvolvimento e a fabricação.

Braley afirma que a trança de reforços de fibra oferece um conjunto de recursos materiais não encontrados em nenhum outro lugar na indústria de compósitos. “Basicamente”, diz ele, “podemos mudar a arquitetura da fibra para atender a qualquer dimensão específica e a quaisquer requisitos mecânicos específicos”.

Trança 101

Compreender esta afirmação requer uma compreensão da própria trança. No nível mais básico, uma trança é um sistema de fibras contínuas e mecanicamente interligadas de duas ou três orientações. O fio é enrolado em torno de uma bobina cilíndrica e a bobina é montada em um transportador. Múltiplos transportadores são então fixados a uma placa de trança com uma trilha em serpentina que guia os transportadores. O fio é puxado de cada portador para o plano de formação acima da trilha da trança. A trança pode ser orientada horizontalmente ou verticalmente, e seu tamanho (número de portadores) dita o diâmetro da peça trançada acabada.

A geometria da trança acabada depende da forma e do tamanho do mandril, bem como da configuração da trança, e é usada para fazer mangas, pré-formas 2D e tecidos planos. Em todos os casos, o trançado bem feito oferece uma estrutura de fibra contínua, consistente e uniformemente distribuída, o que transmite à peça composta acabada excelente resistência ao impacto e à propagação de trincas.

A personalização da arquitetura do tecido que Braley referiu é possível pelas variáveis ​​que podem ser ajustadas para uma trança:número de tipos de fibra (carbono, vidro, aramida, natural, termoplástico ou híbrido), arquitetura (biaxial, triaxial, triax / biax ou unidirecional), número de portadores, ângulo do fio (fixo ou variável), tensão do fio, velocidade de trançamento e formato do mandril.

A A&P Technology, diz Schneider, opera máquinas de trançar de 3 a 800 portadores, com mais de 40 tamanhos entre eles, produzindo uma variedade de pré-formas e produtos usando fibra de carbono, fibra de vidro, fibra de aramida e muito mais. A trança de 800 porta-aviões é enorme - mais de 13 m de diâmetro - a maior do mundo. A linha de máquinas da A&P está em constante evolução, com novos tamanhos de máquinas adicionados frequentemente para atender às necessidades específicas do cliente. Em 2016, a A&P produziu mais de 453,6 TM de produtos trançados, com crescimento anual de 15-20% esperado durante os próximos anos. O maior mercado final da A&P é a indústria aeroespacial, diz Schneider, mas a empresa também fabrica produtos trançados para aplicações automotivas, recreativas e de infraestrutura.

Braley diz que a A&P deve muito de seu sucesso à habilidade de trançar bem e, no processo, ajudar os clientes a resolver problemas difíceis. Na maioria das vezes, diz ele, os clientes vêm para a A&P com uma peça metálica que está falhando de alguma forma, e todas as outras soluções falharam. “Há muito tempo temos estado extremamente focados nisso”, diz ele sobre as tranças. “Temos equipamentos, história, conhecimento e expertise para desenvolver soluções customizadas. Na verdade ”, afirma ele,“ alguns de nossos clientes estão um pouco confusos com nossos recursos personalizados. ”

A primeira parada do passeio depois de deixar a área de exibição do Tech Center é no térreo, no laboratório de protótipo, onde a "tecnologia" é realmente feita. A A&P não fabrica peças compostas para venda, mas, em vez disso, criou um espaço para os clientes agilizarem seus processos de prototipagem. Aqui, A&P faz prototipagem para clientes, e também constrói ferramentas de layup e conduz testes de ruptura hidráulica. Também está incluída uma grande mesa layup, uma pequena trança disponível comercialmente, equipamento de teste não destrutivo, um freezer para armazenamento de pré-impregnado e um Forno de Wisconsin (East Troy, WI, EUA).

Visível por toda parte está uma variedade de peças em diferentes estágios de fabricação e avaliação. Entre eles estão uma caixa de ventoinha de motor a jato de última geração, uma engrenagem composta para um projeto de helicóptero, uma ferramenta de nacele e alguns produtos proprietários que, curiosamente, não têm nada a ver com compostos. Porém, isso não está fora do lugar, diz Braley:“Fomos projetados para buscar projetos de alto risco e alto retorno. Estamos sempre em busca de oportunidades para colocar nossa tecnologia para funcionar ”.

Atrás de portas fechadas

A partir daqui, o passeio prossegue a portas fechadas para uma área CW tem permissão para visitar com o entendimento de que todas as observações específicas para aplicações e máquinas serão mantidas em sigilo. A A&P, de fato, normalmente não permite visitas às fábricas para proteger a natureza proprietária dos projetos de seus clientes e sua tecnologia de ponta. Na verdade, apenas o astronauta americano Neil Armstrong fez um tour completo. CW’s A visita, uma rara exceção, foi organizada para permitir que a indústria que atende entendesse melhor as amplas capacidades da A&P.

A próxima parada é o prédio de Contratos de Longo Prazo, uma instalação de 3.250m2 na extremidade norte do campus. É aqui que encontramos os sistemas A&P em funcionamento, como o nome indica, em projetos de trança para projetos plurianuais - aqueles que, diz Braley, são estáticos e não podem ser alterados. O primeiro em exibição envolve um conjunto impressionante e complicado de tranças e mandris que fabrica pré-formas de fibra de carbono para estruturas de fuselagem destinadas ao The Boeing Co.'s (Chicago, IL, EUA) 787-8 Dreamliner . A A&P fabrica 290 quadros por aeronave para a Boeing, 161 dos quais exclusivos. Em um turno, um desses sistemas A&P braider / mandril produz quatro pré-formas, das quais são feitas oito estruturas, e o sistema que faz isso é operado por um dos programas de software mais complexos e altamente projetados que a empresa já desenvolveu.

Schneider e Braley, em seguida, apontam uma grande célula de trabalho com uma trança em operação para fazer pré-formas da caixa do ventilador de fibra de carbono para o motor GEnx da GE Aviation. Esta pré-forma sai da trança como um cilindro, que é então alimentado para um mezanino sobre a trança, achatada e cortada para criar um tecido de duas camadas, enrolada em um carretel e, em seguida, enviada para a instalação de motores a jato da GE Aviation em Batesville, MS , EUA (consulte “Tour pela Fábrica:GE Aviation”). Braley diz que a consistência aqui é crítica, porque uma caixa do ventilador é projetada para conter um evento de "saída da lâmina", onde uma lâmina do ventilador se desprende durante a operação (uma ocorrência rara) e afeta a caixa:"Cada camada deve ser, e é, a mesma ," ele diz. “Do ponto de vista do impacto, é extremamente consistente.” Além do GEnx, a A&P fornece pré-formas de caixa de ventilador trançada para a família de motores GE CF6-80C2, Honeywell Aerospace (Pheonix, AZ, EUA) HTF7000 e para o motor FJ44-4 da Williams International (Commerce Township, MI, EUA).

Em seguida, vem uma trança de 336 portadores, fazendo pré-formas de fibra de carbono para os motores LEAP 1B / 2B, bem como para o GEnx. Em seguida, está um sistema complexo que trança fibras de carbono e aramida para fazer pré-formas para as palhetas do estator em um motor Honeywell. Esta trança, CW é dito, acomoda sete variações de design, mas funciona inteiramente sem supervisão humana.

Schneider e Braley lideram o caminho para fora do edifício LTC e seguem para o edifício de produtos principais. Construído há apenas 2 anos, é o mais novo da A&P. Existem 20 tranças de tamanhos diferentes aqui (o maior equipado com 400 portadores), múltiplos de muitos tamanhos, e a maioria está funcionando a qualquer momento. O constante “clack-clack” das transportadoras giratórias torna-a uma das instalações mais ruidosas do campus. O equipamento totalmente novo alojado aqui se concentra na trança de alta velocidade de luvas para uma variedade de aplicações, incluindo isolamento de emissões em caminhões, estruturas de asas de aeronaves, próteses, tacos de hóquei e tacos de beisebol.

A próxima parada é o Fabrics Building, onde a A&P fabrica seus quatro tecidos trançados prontos para uso, QISO, Bimax, ZERO e TX-45, para uma variedade de aplicações. QISO, no mercado há cerca de cinco anos, é um tecido quase isotrópico projetado para ferramentas compostas, reparo de infraestrutura e aplicações automotivas. As combinações de materiais variam dependendo da aplicação e incluem fibra de carbono de grau aeroespacial e de grau industrial. Os tecidos vêm em vários pesos e larguras de área.

Bimax é um material estabilizado de ± 45 ° comumente usado em tacos de hóquei, grandes placas de sinal de rádio e peças automotivas. O tipo de fibra aqui é um híbrido de carbono e vidro, com axiais termoplásticos adicionados para estabilizar a arquitetura do tecido durante o layup. A Bauer Hockey Corp. (Exeter, NH, EUA), segundo a A&P, trocou o tecido de fibra de carbono por Bimax em seus tacos de hóquei e, no processo, reduziu o uso de material em 7%.

ZERO, o único tecido não trançado da A&P, foi originalmente projetado para o programa F-22. Este tecido unidirecional não tecido praticamente não tem dobras e é oferecido em vários pesos de onça.

TX-45 é o tecido mais novo da A&P, uma sarja de ± 45 °, 193-g / m2, 2x2 entregue em papel de transporte para permitir fácil manuseio e orientação consistente da fibra. Braley diz que o TX-45 foi desenvolvido pela A&P para um cliente aeroespacial interessado em um substituto para o pré-impregnado com trama plana ± 45 °.

Também no Fabrics Building, a A&P fabrica uma pré-forma termoplástica trançada para a TiSeat (Paris, França) registrada da Expliseat (Titanium Seat). Pesando apenas 4 kg, Expliseat o considera o assento de aeronave mais leve do mundo. Ele apresenta pré-formas compostas feitas por fitas termoplásticas de fenda estreita trançada, que Braley diz que tendem a ser mais rígidas que o fio e, portanto, são mais difíceis de trançar. A TiSeat está sendo equipada para o Airbus A320, economizando para a Airbus cerca de 2.090 kg por aeronave em comparação com materiais e produtos concorrentes.

A maior estrutura no campus da A&P é o Business Development Building, uma instalação de 7.430m2 que serve como um centro de manufatura para uma variedade de projetos militares, industriais e aeroespaciais - particularmente relacionados a motores. No walk-through, Braley aponta sistemas de trança em desenvolvimento para espaçadores de caminho de fluxo de motor GE, um sistema de pré-forma de motor GE9X passando por qualificação (o GE9X vai alimentar o próximo Boeing 777X), lonas de corpo GEnx, uma trança de caixa de ventilador para um Williams motor e uma pré-forma da caixa do ventilador do motor Honeywell.

Aqui também está a sala de automação, na qual a A&P avalia a robótica e tecnologias semelhantes para ajudar a acelerar as taxas de produção de tranças. Isso inclui um robô de múltiplos eixos para auxiliar no carregamento do mandril e no desenvolvimento de técnicas de sobretrançamento mais avançadas. Também está sob avaliação o software de agendamento dinâmico com feedback de trança em tempo real e sistemas de visão usados ​​para inspeção em processo. “Sentimos que estamos na vanguarda da capacidade de trançar”, observa Braley, “mas sempre há oportunidade de melhorar e temos que impulsionar isso”.

Indo encaminhar

De volta ao Tech Center, CW conhece Andy Head, que é universalmente descrito como a força motriz técnica e mecânica da A&P. Solicitado a descrever o lugar da A&P na cadeia de suprimentos de compósitos, ele lista quatro pontos fortes:Forte controle numérico, bom design digital, excelente capacidade mecânica interna e flexibilidade inerente ao próprio processo de trança.

Esta combinação de capacidades, diz Head, colocou a A&P em uma posição única na indústria de compósitos:uma fonte de soluções trançadas avançadas e altamente projetadas que são difíceis de encontrar em outro lugar por causa da alta barreira de entrada da trança.

“Nossa organização se baseia no interesse mutuamente convincente em tornar nosso cliente bem-sucedido”, acrescenta. “Nossa capacidade de projetar e construir máquinas internamente nos permite fornecer aos nossos clientes as soluções ideais em um curto espaço de tempo. Essa flexibilidade de design coloca a A&P na vanguarda da tecnologia de trança, uma posição que levamos muito a sério. ”

“Reconhecidamente”, diz Head, “nossa única posição de fonte é única, mas temos uma longa história de suporte a programas de grande volume, programas com requisitos atendidos apenas por nossas máquinas. Temos orgulho de nossa capacidade não apenas de atender a esses requisitos, mas de superar as expectativas de qualidade e serviço de nossos clientes. ”

Olhando para trás, para ver quão longe A&P chegou e para o foco da indústria de compósitos, hoje, na velocidade de fabricação, tempo de ciclo, automação, controle de processo e consistência, Schneider vê A&P bem alinhada com esses objetivos e pronta para atender às necessidades de pré-formação no aeroespacial , setores automotivo e industrial e além. “Foram 20 anos excelentes”, diz ela, “mas ainda não terminamos”.