Dominando o Reforço de Fibra: A Arte e Ciência do Trançado

Na indústria de compósitos, existem alguns processos de manufatura que, à primeira vista, parecem relativamente simples e fáceis. O trançado de reforços de fibra é, arguivelmente, um deles. O trançado, de fato, é feito por um número razoável de fabricantes. De fato, adquirir e usar uma trançadeira para fazer pré-formas, mangas e/ou tecidos de fibra de carbono ou vidro pode ser realizado sem um investimento monumental de dinheiro ou tempo.

Poucas empresas no mundo, no entanto, fizeram do trançado o foco de toda sua atenção, expertise, investimento e estratégia. Menos ainda desfrutam da reputação estabelecida pela A&P Technology Inc. (Cincinnati, OH, EUA) por excelência técnica e artística e amplitude de experiência com praticamente todos os reforços de fibra em uso hoje.

O que há no nome?

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

A A&P Technology está espalhada por cinco prédios em um campus localizado no lado leste da área metropolitana de Cincinnati. Visitantes são recebidos no Tech Center de 1.255 m², um prédio perto da entrada principal do campus. Foi lá que Pam Schneider, COO, e Mike Braley, VP de engenharia de aplicação, receberam a CW para esta visita. Schneider traça suas raízes na 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.

Sentados no andar superior do Tech Center, entre amostras de peças derivadas dos contratos de trançado da A&P, junto com fotos históricas dos primeiros dias da Atkins & Pearce, Schneider explica que o sucesso da A&P deriva principalmente de sua capacidade de projetar soluções de materiais customizadas para atender a inúmeros requisitos mecânicos e físicos. E isso é possível porque o equipamento de trançado da A&P é desenvolvido e fabricado internamente, o que significa que a empresa está intimamente ligada à sua tecnologia, do conceito ao desenvolvimento à fabricação.

Braley afirma que o trançado de reforços de fibra oferece um conjunto de capacidades de materiais não encontrado em nenhum outro lugar na indústria de compósitos. "Basicamente", diz ele, "podemos alterar a arquitetura da fibra para atender a qualquer dimensão específica e qualquer requisito mecânico específico."

Trançado 101

Entender esta afirmação requer compreender o próprio trançado. No nível mais básico, uma trança é um sistema de fibras contínuas, mecanicamente interligadas, de duas ou três orientações. O fio é enrolado em um carretel cilíndrico e o carretel é montado em um porta-carretel. Múltiplos porta-carretéis são então fixados a um prato de trançadeira com uma pista serpentina que guia os porta-carretéis. O fio é puxado de cada porta-carretel para o plano de formação acima da pista da trançadeira. A trançadeira pode ser orientada horizontal ou verticalmente, e seu tamanho (número de porta-carretéis) dita o diâmetro da peça trançada final.

A geometria da trança final depende da forma e tamanho do mandril, bem como da configuração da trançadeira, 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 que é contínua, consistente e uniformemente distribuída, o que confere à peça compósita final excelente resistência a impacto e propagação de trincas.

A personalização da arquitetura do tecido referenciada por Braley é possibilitada 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 porta-carretéis, ângulo do fio (fixo ou variável), tensão do fio, velocidade de trançado e forma do mandril.

A A&P Technology, diz Schneider, opera máquinas de trançado variando de 3 a 800 porta-carretéis, com mais de 40 tamanhos intermediários, produzindo uma gama de pré-formas e produtos usando fibra de carbono, fibra de vidro, fibra de aramida e mais. A trançadeira de 800 porta-carretéis é massiva — mais de 13 m de diâmetro — a maior do mundo. A linha de maquinário da A&P está em constante evolução, com novos tamanhos de máquinas adicionados frequentemente para atender a requisitos específicos de clientes. Em 2016, a A&P produziu mais de 453,6 mil toneladas de produtos trançados, com crescimento anual de 15-20% esperado nos próximos anos. O maior mercado final da A&P é 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 sua capacidade de trançar bem e, no processo, ajudar clientes a resolver problemas difíceis. Mais frequentemente, diz ele, clientes chegam à A&P com uma peça metálica que está falhando de alguma forma, e todas as outras soluções falharam. "Focamos nisso por muito tempo", diz ele sobre o trançado. "Temos o equipamento, história, conhecimento e expertise para desenvolver soluções customizadas. Na verdade", ele afirma, "alguns de nossos clientes ficam um pouco sobrecarregados com nossas capacidades customizadas."

A primeira parada da visita após deixar a área de exposição do Tech Center é no laboratório de prototipagem no andar inferior, onde a "tecnologia" é realmente feita. A A&P não fabrica peças compósitas para venda, mas criou um espaço para clientes acelerarem seus processos de prototipagem. Aqui, a A&P faz prototipagem para clientes, e também constrói ferramentas de laminação e realiza testes de explosão hidráulica. Também incluído estão uma grande mesa de laminação, uma pequena trançadeira comercial, equipamento de ensaio não destrutivo, um freezer para armazenamento de pré-impregnado e um forno walk-in Wisconsin Oven (East Troy, WI, EUA).

Visíveis por todo lado estão uma variedade de peças em diferentes estágios de fabricação e avaliação. Entre elas estão um revestimento de ventilador de motor a jato de próxima geração, uma engrenagem compósita para um projeto de helicóptero, uma ferramenta de nacela e alguns produtos proprietários que, curiosamente, não têm nada a ver com compósitos. Estes não estão fora de lugar, no entanto, diz Braley: "Somos projetados para buscar projetos de alto risco e alto retorno. Estamos sempre procurando oportunidades para colocar nossa tecnologia para trabalhar."

Portas fechadas

Daqui, a visita prossegue para uma área que a CW tem permissão para visitar com o entendimento de que todas as observações específicas a aplicações e maquinário serão mantidas confidenciais. A A&P, de fato, normalmente não permite visitas à fábrica para proteger a natureza proprietária dos designs de seus clientes e sua tecnologia de ponta. De fato, apenas o astronauta Neil Armstrong recebeu uma visita completa. A visita da CW, uma rara exceção, foi arranjada para permitir que a indústria que servimos compreenda melhor as amplas capacidades da A&P.

Próxima parada é o prédio de Contratos de Longo Prazo, uma instalação de 3.250 m² na borda norte do campus. É aqui que encontramos sistemas da A&P em trabalho, como o nome implica, em projetos de trançado para projetos de vários anos — aqueles que, diz Braley, são estáticos e não podem mudar. O primeiro em exibição envolve um impressionante e complicado arranjo de trançadeiras e mandris que fabrica pré-formas de fibra de carbono para quadros de fuselagem destinados ao 787-8 Dreamliner da The Boeing Co. (Chicago, IL, EUA). A A&P fabrica 290 quadros por aeronave para a Boeing, 161 dos quais são únicos. Em um turno, um desses sistemas de trançadeira/mandril produz quatro pré-formas, das quais são feitos oito quadros, 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 então apontam uma grande célula de trabalho com uma trançadeira em operação para fazer pré-formas de revestimento de ventilador de fibra de carbono para o motor GEnx da GE Aviation. Esta pré-forma sai da trançadeira como um cilindro, que é então levado a um mezanino sobre a trançadeira, achatado e fendido para criar um tecido de duas camadas, enrolado em um carretel e então enviado à instalação de motores a jato da GE Aviation em Batesville, MS, EUA (ver "Visita à Planta: GE Aviation"). Braley diz que a consistência aqui é crítica, porque um revestimento de ventilador é projetado para conter um evento de "lâmina solta", onde uma lâmina de ventilador se solta durante a operação (uma ocorrência rara) e impacta o revestimento: "Cada camada deve ser, e é, a mesma", diz ele. "Do ponto de vista de impacto, é extremamente consistente." Além do GEnx, a A&P fornece pré-formas de revestimento de ventilador trançadas para o GE CF6-80C2, família de motores HTF7000 da Honeywell Aerospace (Phoenix, AZ, EUA) e para o motor FJ44-4 da Williams International (Commerce Township, MI, EUA).

Em seguida, uma trançadeira de 336 porta-carretéis, fazendo pré-formas de fibra de carbono para os motores LEAP 1B/2B, bem como para o GEnx. Seguindo isso, um sistema complexo trançando fibras de carbono e aramida para fazer pré-formas para aletas de estator em um motor Honeywell. Esta trançadeira, diz a CW, acomoda sete variações de design, mas funciona inteiramente sem supervisão humana.

Schneider e Braley conduzem o caminho para fora do prédio LTC e seguem para o Core Products Building. Construído há apenas 2 anos, é o mais novo da A&P. Há 20 trançadeiras de diferentes tamanhos aqui (a maior equipada com 400 porta-carretéis), múltiplas de muitos tamanhos, e a maioria está rodando a qualquer momento. O constante "clique-claque" de porta-carretéis rotativos o torna uma das instalações mais barulhentas do campus. O equipamento totalmente novo aqui foca no trançado de alta velocidade de mangas para uma variedade de aplicações, incluindo isolamento de emissões para caminhões de estrada, estruturas de asa de aeronaves, próteses, tacos de hóquei e bastões de beisebol.

Próxima parada é o Fabrics Building, onde a A&P fabrica seus quatro tecidos trançados prontos para entrega: QISO, Bimax, ZERO e TX-45, para uma variedade de aplicações. QISO, no mercado há cerca de cinco anos, é um tecido quasi-isotrópico projetado para ferramentas compósitas, reparo de infraestrutura e aplicações automotivas. Combinações de materiais variam dependendo da aplicação e incluem fibra de carbono grau aeroespacial e industrial. Tecidos vêm em vários pesos areais e larguras.

Bimax é um material estabilizado ±45° comumente usado em tacos de hóquei, antenas de rádio de grande porte 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 a laminação. A Bauer Hockey Corp. (Exeter, NH, EUA), diz a A&P, trocou fibra de carbono tecida por Bimax para 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 tem virtualmente zero crimp e é oferecido em vários pesos por onça.

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

Também no Fabrics Building, a A&P fabrica uma pré-forma termoplástica trançada para o TiSeat (Assento de Titânio) patenteado da Expliseat (Paris, França). Pesando apenas 4 kg, a Expliseat chama de o assento de aeronave mais leve do mundo. Apresenta pré-formas compósitas feitas trançando fitas termoplásticas estreitas, que Braley diz tendem a ser mais rígidas que fios e, portanto, mais difíceis de trançar. O TiSeat está sendo equipado para o Airbus A320, economizando para a Airbus cerca de 2.090 kg por aeronave comparado a materiais e produtos concorrentes.

A maior estrutura no campus da A&P é o Business Development Building, uma instalação de 7.430 m² que serve como centro de manufatura para uma variedade de projetos militares, industriais e aeroespaciais — particularmente relacionados a motores. Na caminhada, Braley aponta sistemas de trançado em desenvolvimento para espaçadores de caminho de fluxo de motor GE, um sistema de pré-forma do motor GE9X em qualificação (o GE9X alimentará o futuro Boeing 777X), camadas de corpo GEnx, uma trançadeira de revestimento de ventilador para um motor Williams e uma pré-forma de revestimento de ventilador para motor Honeywell.

Aqui também está a Sala de Automação, onde a A&P avalia robótica e tecnologias similares para ajudar a acelerar taxas de produção de trançado. Isso inclui um robô multi-eixos para auxiliar carregamento de mandril e desenvolvimento de técnicas de sobre-trançado mais avançadas. Também em avaliação está software de escalonamento dinâmico com feedback em tempo real da trançadeira e sistemas de visão usados para inspeção em processo. "Sentimos que estamos na vanguarda da capacidade de trançado", observa Braley, "mas sempre há oportunidade de melhorar, e temos que impulsionar isso."

Avançando

De volta ao Tech Center, a CW encontra Andy Head, universalmente descrito como a força técnica e mecânica da A&P. Perguntado para 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 processo de trançado.

Esta mistura de capacidades, diz Head, colocou a A&P em posição única na indústria de compósitos: Fonte de soluções avançadas de trançado altamente projetadas que são difíceis de encontrar em outro lugar devido à alta barreira de entrada do trançado.

"Nossa organização baseia-se no interesse mutuamente convincente em tornar nosso cliente bem-sucedido", ele adiciona. "Nossa capacidade de projetar e construir maquinário internamente nos permite fornecer aos nossos clientes soluções ótimas dentro de um curto prazo. Esta flexibilidade de design coloca a A&P na vanguarda da tecnologia de trançado, uma posição que levamos muito a sério."

"Admitidamente", diz Head, "nossa posição de fonte única é única, mas temos uma longa história de suporte a programas de grande volume, programas com requisitos atendidos apenas por nosso maquinário. Nos orgulhamos de nossa capacidade de não apenas atender a esses requisitos, mas de superar as expectativas de nossos clientes em qualidade e serviço."

Olhando para o quanto a A&P avançou, e para o foco da indústria de compósitos hoje em velocidade de manufatura, tempo de ciclo, automação, controle de processo e consistência, Schneider vê a A&P bem alinhada com esses objetivos e pronta para atender necessidades de pré-formação nos setores aeroespacial, automotivo, industrial e além. "Foram ótimos 20 anos", diz ela, "mas não terminamos."