Combinando fita trançada, sobremoldagem e travamento de forma, a herone produz eixo de transmissão de engrenagem de alto torque de peça única como demonstrador para uma ampla gama de aplicações.
Eixo de transmissão composto unitizado.A Herone utiliza fitas pré-impregnadas compostas termoplásticas trançadas como pré-formas para um processo que consolida o laminado do eixo de transmissão e sobremolda elementos funcionais como engrenagens, produzindo estruturas unificadas que reduzem peso, número de peças, tempo de montagem e custo.Fonte para todas as imagens |heroína
As projeções atuais apontam para uma duplicação da frota de aeronaves comerciais nos próximos 20 anos.Para acomodar isso, as taxas de produção em 2019 para jatos widebody com uso intensivo de compostos variam de 10 a 14 por mês por OEM, enquanto os narrowbodies já aumentaram para 60 por mês por OEM.A Airbus está trabalhando especificamente com fornecedores para trocar as peças pré-impregnadas tradicionais, porém demoradas, de disposição manual no A320 para peças feitas por meio de processos de ciclo de 20 minutos mais rápidos, como moldagem por transferência de resina de alta pressão (HP-RTM), ajudando assim fornecedores atendem a um impulso adicional para 100 aeronaves por mês.Enquanto isso, o mercado emergente de mobilidade e transporte aéreo urbano está prevendo a necessidade de 3.000 aeronaves elétricas de decolagem e pouso vertical (EVTOL) por ano (250 por mês).
“A indústria exige tecnologias de produção automatizadas com tempos de ciclo reduzidos que também permitem integrar funções, que são oferecidas pelos compósitos termoplásticos”, diz Daniel Barfuss, cofundador e sócio-gerente da herone (Dresden, Alemanha), uma empresa de tecnologia de compósitos e fabricação de peças empresa que utiliza materiais de matriz termoplástica de alto desempenho de polifenilenosulfeto (PPS) a polieteretercetona (PEEK), poliétercetonacetona (PEKK) e poliariletercetona (PAEK).“Nosso principal objetivo é combinar o alto desempenho dos compósitos termoplásticos (TPCs) com o menor custo, para permitir peças sob medida para uma ampla variedade de aplicações de fabricação em série e novas aplicações”, acrescenta o Dr. Christian Garthaus, segundo cofundador e gerente da Herone parceiro.
Para isso, a empresa desenvolveu uma nova abordagem, começando com fitas de fibra contínua totalmente impregnadas, trançando essas fitas para formar um “organoTube” pré-forma oco e consolidando os organoTubes em perfis com seções e formas variáveis.Em uma etapa subsequente do processo, ele usa a soldabilidade e a termoformabilidade dos TPCs para integrar elementos funcionais, como engrenagens compostas em eixos de transmissão, conexões de extremidade em tubos ou elementos de transferência de carga em escoras de tensão-compressão.Barfuss acrescenta que existe a opção de usar um processo de moldagem híbrido - desenvolvido pelo fornecedor de matriz de cetona Victrex (Cleveleys, Lancashire, Reino Unido) e fornecedor de peças Tri-Mack (Bristol, RI, EUA) - que usa fita PAEK de temperatura de fusão mais baixa para os perfis e PEEK para a sobremoldagem, permitindo um único material fundido em toda a junção (consulte “A sobremoldagem expande a gama de PEEK em compósitos”).“Nossa adaptação também permite o travamento geométrico”, acrescenta, “que produz estruturas integradas que podem suportar cargas ainda maiores”.
O processo herone começa com fitas termoplásticas reforçadas com fibra de carbono totalmente impregnadas que são trançadas em organotubos e consolidadas.“Começamos a trabalhar com esses organoTubes há 10 anos, desenvolvendo tubos hidráulicos compostos para aviação”, diz Garthaus.Ele explica que, como não há dois tubos hidráulicos de aeronaves com a mesma geometria, seria necessário um molde para cada um, usando a tecnologia existente.“Precisávamos de um tubo que pudesse ser pós-processado para atingir a geometria de tubo individual.Então, a ideia era fazer perfis compostos contínuos e depois dobrá-los por CNC nas geometrias desejadas.”
Fig. 2 As fitas pré-impregnadas trançadas fornecem pré-formas em forma de rede chamadas organoTubes para o processo de moldagem por injeção de herone e permitem a produção de várias formas.
Isso soa semelhante ao que a Sigma Precision Components (Hinckley, Reino Unido) está fazendo (consulte “Revestindo aeromotores com tubos compostos”) com seu revestimento de motor de fibra de carbono/PEEK.“Eles estão analisando peças semelhantes, mas usam um método de consolidação diferente”, explica Garthaus.“Com nossa abordagem, vemos potencial para aumentar o desempenho, como menos de 2% de porosidade para estruturas aeroespaciais.”
Garthaus' Ph.D.trabalho de tese no ILK explorou o uso de pultrusão de compósito termoplástico contínuo (TPC) para produzir tubos trançados, o que resultou em um processo de fabricação contínua patenteado para tubos e perfis de TPC.No entanto, por enquanto, a herone optou por trabalhar com fornecedores e clientes de aviação usando um processo de moldagem descontínua.“Isso nos dá a liberdade de fazer todas as formas, incluindo perfis curvos e com seção transversal variável, além de aplicar remendos locais e desníveis de lonas”, explica ele.“Estamos trabalhando para automatizar o processo de integração de patches locais e depois consolidá-los com o perfil composto.Basicamente, tudo o que você pode fazer com laminados planos e conchas, podemos fazer com tubos e perfis.”
Fazer esses perfis ocos de TPC foi, na verdade, um dos desafios mais difíceis, diz Garthaus.“Você não pode usar estampagem ou moldagem por sopro com uma bexiga de silicone;então, tivemos que desenvolver um novo processo.”Mas esse processo permite peças baseadas em tubos e eixos de alto desempenho e adaptáveis, observa ele.Também possibilitou o uso da moldagem híbrida desenvolvida pela Victrex, onde o PAEK de temperatura de fusão mais baixa é sobremoldado com PEEK, consolidando a organofolha e a moldagem por injeção em uma única etapa.
Outro aspecto notável do uso de pré-formas de fita trançada organoTube é que eles produzem muito pouco desperdício.“Com o trançado, temos menos de 2% de desperdício e, por se tratar de fita TPC, podemos usar essa pequena quantidade de desperdício de volta na sobremoldagem para obter a taxa de utilização do material em até 100%”, enfatiza Garthaus.
Barfuss e Garthaus começaram seu trabalho de desenvolvimento como pesquisadores do Instituto de Engenharia Leve e Tecnologia de Polímeros (ILK) em TU Dresden.“Este é um dos maiores institutos europeus de compósitos e projetos leves híbridos”, observa Barfuss.Ele e Garthaus trabalharam lá por quase 10 anos em vários desenvolvimentos, incluindo pultrusão TPC contínua e diferentes tipos de união.Esse trabalho acabou sendo destilado no que é agora a tecnologia de processo herone TPC.
“Em seguida, nos inscrevemos no programa alemão EXIST, que visa transferir essa tecnologia para a indústria e financia de 40 a 60 projetos por ano em uma ampla variedade de campos de pesquisa”, diz Barfuss.“Recebemos financiamento para equipamentos de capital, quatro funcionários e investimento para a próxima etapa de expansão.”Eles formaram a herone em maio de 2018 depois de expor no JEC World.
No JEC World 2019, a herone produziu uma variedade de peças de demonstração, incluindo um eixo de transmissão de engrenagem integrado leve e de alto torque.“Usamos um organoTube de fita de fibra de carbono/PAEK trançado nos ângulos exigidos pela peça e consolidamos isso em um tubo”, explica Barfuss.“Em seguida, pré-aquecemos o tubo a 200°C e o moldamos com uma engrenagem feita pela injeção de PEEK curto reforçado com fibra de carbono a 380°C.”A sobremoldagem foi modelada usando o Moldflow Insight da Autodesk (San Rafael, Califórnia, EUA).O tempo de preenchimento do molde foi otimizado para 40,5 segundos e alcançado usando uma máquina de moldagem por injeção ALLROUNDER Arburg (Lossburg, Alemanha).
Esta sobremoldagem não só reduz os custos de montagem, etapas de fabricação e logística, mas também melhora o desempenho.A diferença de 40°C entre a temperatura de fusão do eixo PAEK e a da engrenagem PEEK sobremoldada permite uma ligação de fusão coesa entre os dois no nível molecular.Um segundo tipo de mecanismo de junção, travamento de forma, é obtido usando a pressão de injeção para termoformar simultaneamente o eixo durante a sobremoldagem para criar um contorno de travamento de forma.Isso pode ser visto na Fig. 1 abaixo como “formação de injeção”.Ele cria uma circunferência ondulada ou senoidal onde a engrenagem é unida versus uma seção transversal circular lisa, o que resulta em uma forma de travamento geométrico.Isso aumenta ainda mais a resistência do eixo de engrenagem integrado, conforme demonstrado nos testes (veja o gráfico no canto inferior direito).Fig.1. Desenvolvido em colaboração com Victrex e ILK, o herone usa a pressão de injeção durante a sobremoldagem para criar um contorno de travamento no eixo de engrenagem integrado (topo). sustentar um torque mais alto em relação a um eixo de transmissão de engrenagem sobremoldado sem travamento de forma (curva preta no gráfico).
“Muitas pessoas estão conseguindo uma união coesa por fusão durante a sobremoldagem”, diz Garthaus, “e outras estão usando o form-locking em compósitos, mas a chave é combinar ambos em um único processo automatizado”.Ele explica que para os resultados do teste na Fig. 1, tanto o eixo quanto a circunferência total da engrenagem foram fixados separadamente, depois girados para induzir a carga de cisalhamento.A primeira falha no gráfico é marcada por um círculo para indicar que é para uma engrenagem PEEK sobremoldada sem travamento.A segunda falha é marcada por um círculo frisado semelhante a uma estrela, indicando o teste de uma engrenagem sobremoldada com travamento de forma.“Neste caso, você tem uma junção coesa e fechada por forma”, diz Garthaus, “e ganha quase 44% de aumento na carga de torque”.O desafio agora, diz ele, é fazer com que o travamento de forma aguente a carga em um estágio inicial para aumentar ainda mais o torque que esse eixo de engrenagem suportará antes da falha.
Um ponto importante sobre o contorno de forma que o Herone consegue com sua moldagem por injeção é que ele é totalmente adaptado à peça individual e à carga que essa peça deve suportar.Por exemplo, no eixo de engrenagem, o travamento é circunferencial, mas nas escoras de tensão-compressão abaixo, é axial.“É por isso que desenvolvemos uma abordagem mais ampla”, diz Garthaus.“A forma como integramos funções e peças depende da aplicação individual, mas quanto mais pudermos fazer isso, mais peso e custo poderemos economizar.”
Além disso, a cetona reforçada com fibra curta usada em elementos funcionais supermoldados, como engrenagens, fornece excelentes superfícies de desgaste.A Victrex provou isso e, de fato, comercializa esse fato para seus materiais PEEK e PAEK.
Barfuss destaca que o eixo de engrenagem integrado, que foi reconhecido com o JEC World Innovation Award 2019 na categoria aeroespacial, é uma “demonstração de nossa abordagem, não apenas um processo focado em uma única aplicação.Queríamos explorar o quanto poderíamos agilizar a fabricação e explorar as propriedades dos TPCs para produzir estruturas funcionalizadas e integradas.”Atualmente, a empresa está otimizando as hastes de tensão-compressão, usadas em aplicações como escoras.
Fig. 3 Bielas de tração-compressão A moldagem por injeção é estendida para escoras, onde a Herone sobremolda um elemento de transferência de carga de metal na estrutura da peça usando travamento axial para aumentar a resistência da união.
O elemento funcional para os tirantes de tração-compressão é uma peça metálica de interface que transfere cargas de e para o garfo de metal para o tubo composto (veja a ilustração abaixo).A moldagem por injeção é usada para integrar o elemento de introdução de carga metálica no corpo do suporte composto.
“O principal benefício que damos é diminuir o número de peças”, observa.“Isso simplifica a fadiga, que é um grande desafio para aplicações de escoras de aeronaves.O form-locking já é usado em compósitos termofixos com inserto de plástico ou metal, mas não há colagem coesiva, então você pode obter um leve movimento entre as peças.Nossa abordagem, no entanto, fornece uma estrutura unificada sem esse movimento”.
Garthaus cita a tolerância a danos como outro desafio para essas peças.“Você tem que impactar os suportes e depois fazer testes de fadiga”, explica ele.“Como estamos usando materiais de matriz termoplástica de alto desempenho, podemos alcançar uma tolerância a danos 40% maior em relação aos termofixos, e também quaisquer microfissuras de impacto crescem menos com a carga de fadiga.”
Embora as escoras de demonstração mostrem uma inserção metálica, a Herone está atualmente desenvolvendo uma solução totalmente termoplástica, permitindo uma ligação coesa entre o corpo da escora composta e o elemento de introdução de carga.“Quando podemos, preferimos ficar totalmente compostos e ajustar as propriedades alterando o tipo de reforço de fibra, incluindo carbono, vidro, fibra contínua e fibra curta”, diz Garthaus.“Dessa forma, minimizamos a complexidade e os problemas de interface.Por exemplo, temos muito menos problemas em comparação com a combinação de termofixos e termoplásticos.”Além disso, a ligação entre PAEK e PEEK foi testada pela Tri-Mack com resultados mostrando que tem 85% da resistência de um laminado CF/PAEK unidirecional de base e é duas vezes mais forte que as ligações adesivas usando adesivo de filme epóxi padrão da indústria.
Barfuss diz que a Herone agora tem nove funcionários e está em transição de fornecedora de desenvolvimento de tecnologia para fornecedora de peças de aviação.Seu próximo grande passo é o desenvolvimento de uma nova fábrica em Dresden.“Até o final de 2020 teremos uma planta piloto produzindo peças de primeira série”, diz ele.“Já estamos trabalhando com OEMs de aviação e principais fornecedores de Nível 1, demonstrando projetos para muitos tipos diferentes de aplicações.”
A empresa também está trabalhando com fornecedores de eVTOL e diversos colaboradores nos Estados Unidos. À medida que a herone amadurece as aplicações de aviação, também está ganhando experiência na fabricação de aplicações de artigos esportivos, incluindo morcegos e componentes de bicicletas.“Nossa tecnologia pode produzir uma ampla gama de peças complexas com desempenho, tempo de ciclo e benefícios de custo”, diz Garthaus.“Nosso tempo de ciclo usando PEEK é de 20 minutos, versus 240 minutos usando pré-impregnados curados em autoclave.Vemos um amplo campo de oportunidades, mas, por enquanto, nosso foco é colocar nossas primeiras aplicações em produção e demonstrar o valor dessas peças para o mercado.”
A Herone também se apresentará na Carbon Fiber 2019. Saiba mais sobre o evento em carbonfiberevent.com.
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Horário da postagem: 19 de agosto de 2019