Escolhendo o Compósito Termoplástico Certo: PEEK, PEKK, PAEK e Moldagem por Compressão Contínua

Este é um acompanhamento à série recente de artigos sobre compósitos termoplásticos (TPCs) que escrevi (ver abaixo) mais o artigo sobre fitas termoplásticas que Jeff Sloan escreveu na edição de fevereiro.

• Consolidando estruturas aeroespaciais de compósitos termoplásticos no local, Parte 1
• Consolidando estruturas aeroespaciais de compósitos termoplásticos no local, Parte 2
• Demonstradores de compósitos termoplásticos – Roteiro da UE para futuras fuselagens
• PEEK ou PEKK em futuras estruturas aeroespaciais TPC?

TPCs estão voando em aeronaves desde os anos 1990 e em estrutura primária desde 2010 – o G650 da Gulfstream apresenta leme e elevador de fibra de carbono/polifenileno sulfeto (PPS) produzidos pelo negócio Fokker da GKN Aerospace (Redditch, Reino Unido) usando pré-impregnado Cetex da TenCate.

Às vezes acho que esquecemos quanta experiência já temos em tecnologia TPC. No passado, perguntamos "por que não mais TPCs voando em aeronaves?". Talvez agora, com a preparação da Boeing para o New Mid-market Airplane (NMA) e o progresso da indústria aeroespacial europeia via Clean Sky 2 e outros programas de desenvolvimento, finalmente possamos ver uma nova rodada de aplicações entrar em serviço.

Enquanto isso, há uma cadeia de suprimentos extensa já estabelecida com uma gama de empresas veteranas. Aqui, vou tocar base com TenCate (recentemente adquirida pela Toray), Teijin e Solvay. Cada uma tem uma visão diferente sobre quais polímeros e tecnologias de processamento oferecem potencial.

TenCate – Veterano em TPC continua avançando tecnologia

A TenCate reivindica mais de 40 anos de experiência no desenvolvimento de compósitos termoplásticos. Sua marca Cetex é bem conhecida por pré-impregnado e laminados pré-consolidados (também chamados organofolha) mas também se estende a composto de moldagem a granel (BMC) assim como fitas unidirecionais (UD) e tecidas. A empresa tem um longo histórico com a gama completa de termoplásticos (ver gráfico abaixo), e agora adicionou Poliariletercetona de Baixa Fusão (LM PAEK). Estes materiais são usados em aplicações suportadas pelas divisões Aeroespacial e Industrial da TenCate, bem como produtos de mercado de massa como eletrônicos de consumo e calçados atléticos via divisão Performance Composites da empresa.

Durante as entrevistas para minha série sobre termoplásticos consolidados in-situ, PAEK de Baixa Fusão surgiu como uma alternativa potencial à polieterecetonecetona (PEKK) e polietereetercetona (PEEK) na busca por processamento mais rápido. Quando perguntei à TenCate sobre isso, Dr. Hans Luinge, diretor de pesquisa e desenvolvimento de produtos de compósitos termoplásticos da TenCate, recapitulou a diferença nas temperaturas de fusão:

• Fita TC1225 Fibra de Carbono (CF)/LM PAEK 305°C
• Fita TC1320 CF/PEKK 340°C
• Fita TC1200 CF/PEEK 350°C

Note que temperaturas reais usadas ao processar estas fitas compósitos podem ser mais altas, mas TC1225 LM PAEK ainda é atraente devido ao seu ponto de fusão muito mais baixo.

"Cetex TC1225 LM PAEK foi introduzido no programa de desenvolvimento TAPAS1, no qual fomos um participante chave", recorda Luinge. Usa o polímero PAEK da Victrex, e ele aponta que em 2013, o material TC1225 já havia sido usado em uma estrutura aeronáutica demonstradora. A Airbus Nantes exibiu um painel de fuselagem com enrijecedores integrados no Paris Air Show 2013. Foi fabricado usando fita CF/LM PAEK fornecida pela TenCate, com elementos de enrijecedor ômega e T butt-jointed formados por prensa que foram soldados à pele, feita com colocação automatizada de fibra (AFP).

"PAEK de baixa fusão funciona bem em AFP, estampagem e soldagem", diz Scott Unger, diretor global de tecnologia da TenCate. Mas com a temperatura de fusão mais baixa, as propriedades mecânicas para LM PAEK não são mais baixas que PEKK e PEEK? Unger diz não, são todas aproximadamente iguais. "PEEK, PEKK e LM PAEK são todos bons materiais estruturais, e do ponto de vista de custo, TC1225 tem preço competitivo com TC1200 CF/PEEK e é menos custoso que TC1320 PEKK."

PAEK de baixa fusão acelera consolidação in-situ

Além disso, TC1225 LM PAEK promete para consolidação in-situ, que Unger concede "é potencialmente o Santo Graal. Mas o que vimos no passado é que suas velocidades AFP devem ser muito lentas para alcançar consolidação in-situ." Ele explica: "Você não pode chegar à consolidação in-situ sem usar uma fita que demonstre um nível de vazios muito menor do que o que é finalmente aceitável no laminado ou estrutura final. Existem dois fatores-chave: qualidade da fita e quão bem a resina da matriz e a fibra são distribuídas na fita UD." Unger afirma que os processos de manufatura de fita UD da TenCate foram projetados para produzir níveis de vazios extremamente baixos para permitir processos como AFP rápido seguido por consolidação fora de autoclave/saco de vácuo apenas (OOA/VBO) assim como AFP consolidado in-situ em uma etapa.

"Nossa fita é extremamente consistente com 0 a 0,5% vazios máximo", diz Winand Kok, diretor de serviços especializados UE da TenCate. "Nossa espessura da fita também é muito consistente, por isso podemos atingir espessuras de camada muito precisas em laminados consolidados. Esta consistência também é importante para processos de soldagem termoplástica e consolidação in-situ." Unger volta ao segundo requisito que delineou acima: "LM PAEK tem fluxo muito melhor versus PEKK e PEEK. Também pode ser processado em velocidades mais altas que PEKK e PEEK."

Este último ponto foi demonstrado em uma comparação laminado-a-laminado. "Fizemos laminados TC1320 CF/PEKK usando uma máquina AFP a laser Coriolis no Centro de Pesquisa de Compósitos Termoplásticos (TPRC) em Twente, Países Baixos", diz Unger, "em uma velocidade rápida de 600 mm/s. Então consolidamos este laminado usando saco de vácuo apenas em um forno." Ele reconheceu que havia porosidade entre as camadas devido ao layup AFP rápido, mas esses vazios foram remediados durante a segunda etapa de consolidação, ilustrada nas micrografias do laminado. "Também colocamos fibra do material TC1320 a 200 mm/s e descobrimos que a porosidade entre as camadas não foi eliminada com a velocidade mais lenta. Então fizemos um laminado equivalente usando a mesma máquina AFP mas desta vez usando fita TC1225 CF/LM PAEK sem qualquer etapa secundária de consolidação OOA/VBO – ou seja, consolidação in-situ completa via AFP. Alcançamos as mesmas propriedades de consolidação que no painel PEKK de 2 etapas."

Unger nota que a velocidade AFP de 200 mm/s para o laminado CF/PAEK consolidado in-situ é mais que o dobro daquela reivindicada por Henri de Vries, cientista sênior, compósitos, no Depto. de Tecnologia de Estruturas no Centro Aeroespacial Holandês (NLR, Amsterdã), no meu artigo "Consolidando estruturas aeroespaciais de compósitos termoplásticos no local, Parte 2":

"Agora, estamos olhando o quão longe podemos empurrar a velocidade AFP de consolidação in-situ mantendo níveis de vazios aceitáveis e propriedades mecânicas dentro do laminado", diz Unger. "Fizemos muito trabalho em colocar um painel TPC enrijecido usando processos automatizados. Agora a meta é construir o nível de prontidão tecnológica." Kok diz que a TenCate continua fazendo isso, trabalhando com parceiros da indústria, incluindo clientes e institutos de P&D. Um exemplo foi o pylon de motor feito usando fita TC1320 CF/PEKK em exibição no estande da TenCate no JEC 2018. A TenCate trabalhou com ambos o fabricante da carcaça do pylon NLR bem como Componentes Termoplásticos Holandeses (DTC), que prensou-formou nervuras que são soldadas à carcaça como elementos de enrijecimento. Embora esta peça tenha sido feita usando AFP e depois consolidada em autoclave, Kok nota: "Também estamos explorando como otimizar ainda mais fitas para consolidação de 2 etapas usando apenas saco de vácuo em forno em vez de autoclave."

Unger nota que os produtos CF/LM PAEK da TenCate usados no desenvolvimento e demonstração de estruturas aeroespaciais primárias de fato usam tanto fibra de carbono sem tamanho quanto fibra de carbono com tamanho. Ele diz que embora cinco anos atrás possa ter sido incomum ver fitas pré-impregnadas LM PAEK, PEKK e PEEK que usavam fibra de carbono com tamanho por causa de efeitos adversos nas propriedades mecânicas associados aos tamanhos, isso certamente não é mais o caso hoje.

Um último ponto enfatizando o potencial de LM PAEK é que NIAR e a FAA estão no processo de completar o primeiro banco de dados público para um material compósito termoplástico, usando TC1225 CF/LM PAEK da TenCate. O banco de dados deve ser lançado no início do próximo ano, e este material foi escolhido por causa de suas propriedades mecânicas e facilidade de processamento.

Teijin – Produtor de CF de longa data entra em TPCs

O produtor de fibra de carbono (CF) Toho Tenax Co. Ltd. (Tóquio, Japão) agora é rebrandado globalmente como Teijin Carbon, com três grandes subsidiárias:

• Teijin Carbon Europa
• Teijin Carbon América
• Teijin Carbon Singapura.

O nome do produto permanece Tenax.

"Gastamos muito tempo desenvolvendo termoplásticos 15-20 anos atrás", diz Jean-Philippe Canart, anteriormente gerente de produto de semi-produtos termoplásticos para Toho Tenax Europa e agora engenheiro de mercado aeroespacial para Teijin Carbon América. "Uma de nossas estratégias era desenvolver fita termoplástica unidirecional (UD), que introduzimos em 2013."

Canart explica os blocos de construção para este desenvolvimento: "Uma de nossas tecnologias centrais é dimensionamento termoplástico para CF, que ajuda com processamento de fita. Dimensionamento padrão de CF deve ser removido devido às altas temperaturas de processamento requeridas para termoplásticos. Além de resistência à temperatura, o dimensionamento termoplástico também dá desempenho extra com adesão fibra-matriz no compósito acabado. Uma de nossas maiores linhas na Europa produz 1.700 ton/ano de CF equipado com dimensionamento TP. Daqui desenvolvemos fita UD com matrizes termoplásticas PEEK, PEKK e PPS para uso principalmente em aplicações aeroespaciais mas também estamos trabalhando em aplicações de óleo & gás e industriais."

Canart diz que o primeiro foco da Teijin com TPC foi em estampagem (prensagem) de clipes e suportes para o Airbus A350, usando tecido de CF revestido com PEEK: "Esta foi a primeira grande onda de aplicações aeroespaciais. Vemos isso agora se movendo para peças maiores, mais estruturais produzidas com uma mistura de laminados AFP seguidos por consolidação via estampagem." Canart reconhece que consolidação in-situ (ISC) tem estado em desenvolvimento por décadas, mas sustenta: "não a vemos como madura ainda. Estamos apoiando projetos de P&D e institutos em desenvolvimento adicional." Ele diz que ISC é possível, "mas a questão é quão rápido você pode fazer peças? E quão robusto é o processo?" Ele acredita que será 2025-2030 antes que peças ISC estejam em produção para fuselagens comerciais. Enquanto isso, a Teijin vê expansão em fitas TPC para linhas de produção AFP + estampagem de 2 etapas. "Já investimos em nossa linha de fita europeia e também estamos apoiando nova capacidade de processo como moldagem por compressão contínua (CCM). A cadeia de suprimentos está crescendo."

Suportando produção em massa de TPC – CCM

Moldagem por Compressão Contínua (CCM) é um processo que escrevi sobre em 2010: "Moldagem por compressão grau aeroespacial". É registrada como X-CCM pela Performance Polymer Compositesxperion (Markdorf, Alemanha), a empresa que inicialmente desenvolveu e comercializou o processo há mais de duas décadas. X-CCM oferece laminados de compósitos termoplásticos de alta qualidade usando um processo rápido, quasi-contínuo. "Estamos trabalhando com xperion como fornecedor de materiais", diz Canart. "Esta é uma tecnologia madura, usada por muitos anos tanto pela Airbus quanto pela Boeing. Agora está realmente crescendo, usada para produzir laminados consolidados moldados. CCM é ótimo para custo mas a seção transversal precisa permanecer constante."

Segundo Laurens de la Ossa, gerente sênior de vendas da xperion PPC, "Nosso processo X-CCM é mais avançado agora, capaz de produzir formas mais complexas, incluindo perfis assimétricos como perfis T- e J-." Ele adiciona que o processo pode produzir laminados TPC consolidados até 24 polegadas de largura. "Somos parte de toda uma infraestrutura de tecnologia que está se movendo em direção à produção em massa de compósitos termoplásticos. Temos um processo muito elegante para peças TPC consolidadas – não há saco de vácuo, e podemos lidar com laminados grossos de 60 camadas e além, 8-10 mm de espessura."

Que tipo de peças o X-CCM visa? "Enrijecedores internos de fuselagem, vigas de piso e outra estrutura ao redor do piso ou teto, componentes estruturais e semi-estruturais que demandam o mais alto desempenho de material", diz de la Ossa. "Até 2025, quando as novas plataformas de aeronaves começarem a entrar em produção, atingiremos 6-10 vezes o volume de material anualmente apenas para fornecer o que respondemos com cotações até hoje."

Como parte deste impulso contínuo para produção de maior volume, a Teijin está focada em reduzir custo de material de fita e aumentar capacidade, diz Canart. E quanto aos pedidos da indústria por fita mais grossa? Especificamente, de Vries no NLR tinha dito:

"Já desenvolvemos fita com peso areal de fibra variando de 145 a 200 g/m²", Canart responde. "Com estes produtos, uma espessura de 0,18mm já é bastante padrão para nós. Modificamos nossas linhas para esta espessura e também até 0,20 mm, então acho que 0,25 mm nem seria um grande salto."

E quanto à qualidade da fita? "Acho que toda fita precisa ser modificada para peças de maior qualidade em velocidades mais rápidas", diz Canart. "O teor de resina pode não corresponder ao que a consolidação in-situ requer e a distribuição da resina dentro da fita pode precisar ser otimizada também. O tempo e velocidade de fusão é tão diferente para as diferentes resinas e processos. Estamos apoiando desenvolvimento adicional em uma variedade de áreas, incluindo os sistemas poliméricos e a arquitetura da fita, incluindo a superfície."

Solvay – mercado para tanto PEEK quanto PEKK

Produtos termoplásticos de alto desempenho da Solvay para compósitos incluem Ketaspire PEEK, Novaspire PEKK, Radel Polifenilsulfona (PPSU), e Ryton Polifenileno sulfeto (PPS). Em declaração enviada pela Solvay, a empresa afirma que estes polímeros são produzidos em escalas industriais que permitirão consideração para aplicações aeroespaciais de compósitos de grande volume e podem ser usados para produzir pré-impregnado de alta qualidade.

A Solvay atualmente fornece pré-impregnados APC unitape com ambos polímeros PEEK e PEKK, com preços principalmente diferenciados pelo custo da fibra selecionada em vez do polímero quando produzidos e usados em altos volumes. Portanto, acredita que a seleção de qual matriz termoplástica usar para uma dada aplicação será impulsionada pela preferência do cliente. Fatores afetando essa escolha incluem desempenho de temperatura, desempenho mecânico, processamento de fabricação de peça, disponibilidade de banco de dados de material e experiência da força de trabalho, para citar alguns. A visão da Solvay é que tanto PEKK quanto PEEK servem a uma necessidade no mercado e que é capaz de oferecer pré-impregnados reforçados com fibra de alta qualidade, comparativamente precificados, independentemente de qual polímero é selecionado.

Então para termoplásticos, como em todos os outros compósitos, as escolhas em materiais e processos não são limitadas. De fato, parecem estar se expandindo. Qual ganhará ascendência na futura produção de aeronaves? Isso permanece a ser visto. CW continuará observando e relatando o que vemos.