Composites Manufacturing

ao longo das últimas quatro décadas, a exploração de plásticos reforçados com fibras (FRP) em estruturas de engenharia tem vindo a diversificar-se constantemente, desde equipamentos desportivos e carros de corrida de alto desempenho, até helicópteros e, mais recentemente, aviões comerciais. Materiais compósitos são, essencialmente, uma combinação de dois ou mais materiais diferentes que são usados em conjunto para combinar as melhores propriedades, ou dar um novo conjunto de características que nenhum dos materiais constituintes poderia obter por conta própria. Compósitos de engenharia são normalmente construídos a partir de placas individuais que assumem a forma de fibras contínuas e rectas (por exemplo. carbono, Vidro, Aramida, etc.) embutido numa matriz de polímero hospedeiro (por exemplo. fenólica, poliéster, epoxi, etc.), que são laminadas camada a camada, a fim de construir o material/estrutura final.O aspecto mais importante a reconhecer é que o material e a estrutura são criados ao mesmo tempo. Consequentemente, quaisquer defeitos induzidos durante o processo de fabrico influenciam directamente a resistência e a rigidez do material e da estrutura. Cada pequeno detalhe é importante.

um grande número de processos de fabrico compostos foram desenvolvidos ao longo dos últimos 40 anos, incluindo:: moldagem por contacto, moldagem por compressão, moldagem por saco de vácuo/autoclave, moldagem por rotação, moldagem por transferência de resina (RTM), bobinagem de fita, bobinagem de filamento, pulverização, moldagem por bexiga em expansão, etc. Todos estes processos têm várias características em comum; os reforços são trazidos para a forma necessária em uma ferramenta ou molde, resina e fibras são trazidos juntos, possivelmente, sob temperatura e pressão elevadas para a cura da resina, e a moldagem removido da parte, uma vez que a resina tem curado. As diferentes técnicas de fabricação podem ser classificadas como processos diretos (por exemplo. RTM, pultrusão, moldagem por contacto) que utilizam fibras e resina separadas reunidas no ponto de moldagem ou processos indiretos que utilizam fibras pré-impregnadas com resina (por exemplo. vacumm bag/Moldagem autoclave, moldagem por compressão).

a seleção do processo de fabricação terá naturalmente um grande efeito sobre a qualidade, as propriedades mecânicas e o custo de fabricação do componente. De acordo com Potter (1996) um processo ideal pode ser definido como tendo:

1. alta produtividade-tempos de ciclo curto, baixo teor de mão-de-obra, etc.
2. Mínimo custo de materiais – de baixo valor agregado materiais, baixo armazenamento de material e custos de tratamento
3. Máximo de flexibilidade geométrica – complexidade de forma e tamanho do componente
4. Máximo propriedade flexibilidade gama de matrizes gama de tipos de reforço, a capacidade para controlar as propriedades mecânicas e a personalizar as características
5. Mínimo de requisitos de acabamento – net shape de fabricação
6. Confiável e de alta qualidade de fabricação de baixas taxas de rejeição, baixa variabilidade etc.

não existe nenhum processo de fabrico que possa simultaneamente cumprir todos estes requisitos; mais importante ainda, alguns destes requisitos podem ser mutuamente exclusivos. Uma comparação dos 5 processos mais comuns é mostrada abaixo.

Comparação das técnicas de fabrico compósitas (1)

Moldagem Por contacto

esquema de Moldagem Por Contacto(1)

este é o mais antigo e primitivo processo de fabricação, mas também o mais amplamente utilizado em todo o mundo. Na resina de moldagem por contacto é aplicada manualmente a uma armadura seca colocada sobre uma superfície da ferramenta e pode ser comparada à colagem de papel de parede com uma escova. A ferramenta e o tecido são então fechados por um saco de vácuo e o ar sob o saco removido, a fim de curar o laminado sob pressão atmosférica. No entanto, uma vez que a pressão aplicada é relativamente baixa e a cura tipicamente ocorre à temperatura ambiente, a fracção de volume de reforço é limitada à densidade natural de embalagem. Além disso, a qualidade depende totalmente da competência da mão-de-obra e, devido à dificuldade de garantir fiavelmente laminados de alta qualidade, é quase impossível qualificar componentes estruturais moldados por contacto para aeronaves comerciais. Finalmente, devido à limitada voidagem de pressão externa é difícil de controlar, o que tem um grande efeito sobre a variabilidade na espessura dos laminados.

navio reforçado de plástico HMS Wilton(2)

por outro lado, o processo é altamente flexível, ideal para produção única e requer infra-estruturas mínimas. Enquanto a moldagem de contato é um processo de escolha para estruturas muito grandes, a flexibilidade geométrica é mais limitada em termos de criação de peças com detalhes finos, raios de canto, etc. Por esta razão, o processo é amplamente utilizado na construção naval de resina de glassfibre/poliéster e para planadores.

Vac. Saco/Autoclave

Prepreg Disposição para Autoclave Cura (1)

Em materiais compósitos avançados processos de autoclave são, de longe, o mais utilizado e autoclave de moldagem é o processo de escolha para a indústria aeroespacial. Estes processos utilizam Panos unidireccionais pré-impregnados ou panos tecidos, que foram parcialmente curados ou encenados. Uma desvantagem é que o pré-preg tem que ser mantido em um freezer, a fim de evitar que a resina de ir-off. Múltiplas camadas pré-impregnadas são colocadas sobre uma superfície de ferramentas com as orientações pré-definidas das fibras, para aumentar a espessura necessária e, em seguida, cobertas com uma película de libertação, tecido respirador e um saco de vácuo ou saco de pressão de silício. O ar é retirado do saco para criar um vácuo e a ferramenta aquecida sob temperatura elevada e pressão para curar a resina. Em princípio, múltiplos ciclos de remoção são realizados cobrindo o laminado e aplicando um vácuo após cada camada de 3-4 camadas, a fim de remover qualquer excesso de ar entre camadas. Isso reduz o Fator de massa e ajuda a evitar delaminações entre plies e controla a dimensão de espessura. Os dois requisitos básicos para a obtenção de boas molduras são ciclos regulares de desmultiplicação e uma pressão hidrostática suficiente sobre a peça durante a cura. A produtividade da moldagem autoclave é geralmente bastante baixa, uma vez que os ciclos manuais de colocação, ensacamento e desmulturação consomem trabalho e tempo significativos. Furtermore, as despesas de capital dos autoclaves são avultadas, o que limita a sua utilização a estruturas maiores, onde estas despesas se justificam. Uma vez que o pré-preg já não está num estado de baixo valor acrescentado, os custos materiais também são mais elevados.

sanduíche de favos alveolados com pré-pré-pré Para cura Autoclave(1)

flexibilidade geométrica em ambos os formatos e tamanho são melhores do que para a maioria dos processos. Recentemente, foi possível fabricar todo o piso de um helicóptero em uma peça, o que não seria possível com uma abordagem metálica. As molduras autoclaves são frequentemente utilizadas em conjunto com núcleos de favos alveolados, de modo que Componentes muito leves podem ser fabricados. Esta é uma das razões pelas quais o domínio das molduras autoclavadas parece muito provável que continue num futuro próximo, pelo menos no ambiente aeroespacial.Bobinagem de filamentos

esquema do processo de bobinagem do filamento (1)

no filamento, passa-se um cabo de fibras através de um banho de resina e enrola-se num mandril rotativo atravessando longitudinalmente o eixo do mandril rotativo. A menos que sejam utilizados arcos pré-impregnados pegajosos, o caminho seguido pelo cabo deve seguir de perto um caminho geodésico (caminhos de fibras que não provocam deslizamento das fibras se forem tensionadas). Qualquer caminho helicoidal simples em um cilindro é definido como um caminho geodésico, mas uma vez que a curvatura em duas direções é introduzida (por exemplo, um globo) o número de possíveis caminhos torna-se muito limitado. Por esta razão, a flexibilidade da propriedade é bastante limitada, de tal forma que o enrolamento do filamento é normalmente usado para a fabricação de tubagens, recipientes de pressão e motores de foguetes. Especialmente, os recipientes sob pressão são conducentes ao enrolamento do filamento, uma vez que têm duas direcções de tensão claramente definidas (o arco e as tensões longitudinais) que podem ser acomodadas pela Direcção do enrolamento.

uma desvantagem do enrolamento do filamento é que o mandril é muitas vezes fechado dentro do enrolamento. Se um invólucro de metal ou polímero for utilizado como mandril, pode constituir uma parte permanente da estrutura, mas é mais comum que o enrolamento seja cortado nas extremidades para desmoldar a peça. A flexibilidade geométrica também é restringida por ter que enrolar em torno de molduras circulares ou prismáticas. Uma das principais vantagens é que o processo se presta à automatização, de modo que os tempos de ciclo e os custos da mão-de-obra possam ser mantidos baixos com elevada fiabilidade e qualidade. Este último aspecto é uma das razões pelas quais estão a ser envidados esforços para alargar os limites geométricos do processo e possíveis aplicações.

de Moldagem de Transferência de Resina (RTM)

Esquema de Transferência de Resina de Moldagem Processo (1)

RTM não pode ser considerada como um processo único, mas é melhor vista como uma “filosofia de produção em que a resina e as fibras são mantidos separados até o último momento” (Potter, 1996). No entanto, todas as variações de processo têm as características comuns de manter fibras não-disseminadas dentro de uma cavidade de Ferramenta fechada, com uma diferença de pressão aplicada a uma fonte de resina tal que a resina permeia no reforço. A ferramenta pode ser rígida ou conter elementos flexíveis. A pressão de consolidação sobre a ferramenta é aplicada por meio de pinças mecânicas, uma prensa de ferramentas ou a utilização de vácuo interno e define a fração volumétrica de fibra obtida em relação à resina. RTM tem sido usado desde a década de 1970 para construir radomas, bem como lâminas de compressor de aeroengina. O principal motor por trás do desenvolvimento de processos RTM é a elaboração de métodos de fabricação que possam superar as limitações de complexidade geométrica impostas pelas molduras autoclave. Em termos de ciclos de produtividade os tempos são mais baixos do que a maioria dos outros processos e na indústria automotiva pequenos componentes são fabricados dentro de minutos.

painel automotivo fabricado via RTM

uma grande vantagem da RTM é a utilização de materiais de baixo valor acrescentado (fibras secas e resinas de baixa viscosidade) que não têm de ser armazenados em congeladores, reduzindo assim os custos de material e movimentação. As principais vantagens da RTM, no entanto, estão dentro de sua flexibilidade geométrica e propriedade. RTM pode ser usado com panos costurados em UD, tecidos e tecidos 3D, e a injecção de resina pode ser variada para controlar a fração de volume e, portanto, a rigidez e resistência do componente. Além disso, pequenos componentes com detalhes muito finos são fabricados em ferramentas metálicas rígidas, enquanto Componentes maiores podem ser produzidos em moldes flexíveis. Finalmente, com um processo controlado de perto, é possível criar molduras em forma de rede com requisitos mínimos de acabamento. No entanto, tudo isso vem ao custo de uma técnica de produção um pouco mais complicada. A fim de garantir componentes de alta qualidade, a injecção de resina e o fluxo de resina devem ser cuidadosamente controlados de modo a que todo o reforço seja igualmente molhado. Isso requer simulações bastante avançadas de dinâmica de fluidos e testes extensivos, a fim de chegar a uma forma de molde que permite até mesmo fluxo de resina para todas as partes do componente.

Pultrusão

diagrama Esquemático do Processo de Pultrusão (1)

neste processo, as fibras são retiradas de uma ramada conselho e passou por um banho de resina para impregnar as fibras com resina. As fibras impregnadas são então passadas através de uma pré-matriz para remover qualquer resina em excesso e para pré-formar a forma final aproximada. O dispositivo de cura é então introduzido, que assume a forma da secção transversal final necessária da parte pulverizada. A matriz de cura aplica calor ao componente para consolidar a resina e o perfil em forma curada é retirado da matriz sob tensão. Isso significa que a produtividade pode ser muito alta em uma produção contínua, mas vai cair para menores volumes de produção que exigem mudanças em novas matrizes transversais. Uma vez que a operação é automatizada, os custos da mão-de-obra são baixos e a fiabilidade e qualidade dos componentes é elevada. O processo é geralmente limitado a componentes transversais constantes, o que restringe grandemente as aplicações. A pultrusão tem sido usada muito pouco em ambientes aeroespaciais, mas tem encontrado aplicação na fabricação de perfis padronizados para estruturas de engenharia civil.

processos automatizados

o uso da robótica na fabricação compósita está crescendo a um ritmo rápido e é provavelmente a tecnologia mais promissora para o futuro. As vantagens óbvias da automatização do processo de fabrico incluem uma variabilidade reduzida nas dimensões e menos defeitos de fabrico. Além disso, a matéria-prima para alimentação animal pode ser utilizada de forma mais eficiente e os custos da mão-de-obra são reduzidos. Uma classe promissora de sistema são as chamadas máquinas de colocação automatizada de fibras (AFP) que usam uma cabeça de colocação de fibras robóticas que deposita múltiplos arcos pré-impregnados de “fita-fenda” permitindo o corte, fixação e reiniciamento de cada reboque. Enquanto a cabeça robótica segue um caminho de fibra específico, os arcos são aquecidos pouco antes da deposição e, em seguida, compactados sobre o substrato usando um rolo especial. Devido à alta fidelidade da atual tecnologia de robôs, as máquinas AFP podem fornecer alta produtividade e lidar com geometrias complexas. As aplicações atuais incluem a fabricação da fuselagem Boeing 787 e o enrolamento de caixas quadradas, que são então cortadas longitudinalmente para fazer duas seções ” C ” para as asas. Os sistemas de fabricação integrados, projetados por empresas como a Eletroimpact, oferecem excitantes capacidades chave na mão para futuras estruturas de aeronaves. Estes sistemas combinam múltiplos processos de fabrico, por exemplo, colocação de fibras e fabrico de aditivos numa cabeça de robot, facilitando assim a produção de estruturas misturadas e integradas com menos articulações e ligações. Estes sistemas também permitirão que os engenheiros projetem estruturas mais eficientes, tais como painéis integrados ortogrid ou compostos isogrid, que são atualmente difíceis de fabricar economicamente em grande escala.

Filament Wound Boeing 787 Fuselagem (3)