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Há muito dependentes de materiais termofixos de fibra de carbono para fabricar peças estruturais compostas muito fortes para aeronaves, os OEMs aeroespaciais estão agora adotando outra classe de materiais de fibra de carbono, à medida que os avanços tecnológicos prometem a fabricação automatizada de novas peças não termofixas em alto volume, baixo custo e peso mais leve.

Embora os materiais compósitos termoplásticos de fibra de carbono “já existam há muito tempo”, só recentemente os fabricantes aeroespaciais puderam considerar seu uso generalizado na fabricação de peças de aeronaves, incluindo componentes estruturais primários, disse Stephane Dion, vice-presidente de engenharia da unidade de Estruturas Avançadas da Collins Aerospace.

Os compósitos termoplásticos de fibra de carbono oferecem potencialmente aos OEMs aeroespaciais diversas vantagens sobre os compósitos termofixos, mas até recentemente os fabricantes não conseguiam fabricar peças a partir de compósitos termoplásticos a taxas elevadas e a baixo custo, disse ele.

Nos últimos cinco anos, os OEMs começaram a olhar além da fabricação de peças a partir de materiais termofixos à medida que o estado da ciência da fabricação de peças compostas de fibra de carbono se desenvolvia, primeiro usando técnicas de infusão de resina e moldagem por transferência de resina (RTM) para fabricar peças de aeronaves e, em seguida, empregar compósitos termoplásticos.

A GKN Aerospace investiu pesadamente no desenvolvimento de sua tecnologia de infusão de resina e RTM para a fabricação de componentes estruturais de grandes aeronaves de maneira acessível e em altas taxas. A GKN agora fabrica uma longarina de asa composta de peça única de 17 metros de comprimento usando fabricação de infusão de resina, de acordo com Max Brown, vice-presidente de tecnologia da iniciativa de tecnologias avançadas Horizon 3 da GKN Aerospace.

Os pesados ​​investimentos dos OEMs na fabricação de compósitos nos últimos anos também incluíram gastos estratégicos no desenvolvimento de capacidades para permitir a fabricação em alto volume de peças termoplásticas, de acordo com Dion.

A diferença mais notável entre materiais termofixos e termoplásticos reside no fato de que os materiais termofixos devem ser mantidos em armazenamento refrigerado antes de serem moldados em peças e, uma vez moldada, uma peça termofixa deve passar por cura por muitas horas em uma autoclave. Os processos exigem muita energia e tempo e, portanto, os custos de produção de peças termofixas tendem a permanecer elevados.

A cura altera irreversivelmente a estrutura molecular de um compósito termofixo, conferindo resistência à peça. Contudo, no atual estágio de desenvolvimento tecnológico, a cura também torna o material da peça inadequado para reutilização num componente estrutural primário.

No entanto, os materiais termoplásticos não requerem armazenamento refrigerado ou cozimento quando feitos em peças, de acordo com Dion. Eles podem ser estampados no formato final de uma peça simples – cada suporte das estruturas da fuselagem do Airbus A350 é uma peça composta termoplástica – ou em um estágio intermediário de um componente mais complexo.

Os materiais termoplásticos podem ser soldados de várias maneiras, permitindo que peças complexas e altamente moldadas sejam feitas a partir de subestruturas simples. Hoje é utilizada principalmente a soldagem por indução, que só permite a fabricação de peças planas e de espessura constante a partir de subpeças, segundo Dion. No entanto, Collins está desenvolvendo técnicas de soldagem por vibração e fricção para unir peças termoplásticas, que, uma vez certificadas, espera que eventualmente permitam a produção de “estruturas complexas verdadeiramente avançadas”, disse ele.

A capacidade de soldar materiais termoplásticos para criar estruturas complexas permite que os fabricantes eliminem os parafusos, fixadores e dobradiças metálicas exigidos pelas peças termofixas para unir e dobrar, criando assim um benefício de redução de peso de cerca de 10%, estima Brown.

Ainda assim, os compósitos termoplásticos aderem melhor aos metais do que os compósitos termofixos, de acordo com Brown. Embora a I&D industrial destinada a desenvolver aplicações práticas para essa propriedade termoplástica permaneça “num nível de prontidão tecnológica de maturidade precoce”, poderá eventualmente permitir que os engenheiros aeroespaciais projetem componentes que contenham estruturas integradas híbridas de termoplástico e metal.

Uma aplicação potencial poderia, por exemplo, ser um assento de passageiro leve e de peça única contendo todos os circuitos baseados em metal necessários para a interface usada pelo passageiro para selecionar e controlar suas opções de entretenimento a bordo, iluminação do assento, ventilador de teto , reclinação do assento controlada eletronicamente, opacidade da persiana e outras funções.

Ao contrário dos materiais termofixos, que precisam de cura para produzir a rigidez, a resistência e a forma exigidas das peças em que são feitos, as estruturas moleculares dos materiais compósitos termoplásticos não mudam quando transformados em peças, de acordo com Dion.

Como resultado, os materiais termoplásticos são muito mais resistentes à fratura após o impacto do que os materiais termofixos, ao mesmo tempo que oferecem resistência e resistência estrutural semelhantes, se não mais fortes. “Assim, você pode projetar [peças] com bitolas muito mais finas”, disse Dion, o que significa que as peças termoplásticas pesam menos do que quaisquer peças termofixas que substituem, mesmo além das reduções adicionais de peso resultantes do fato de as peças termoplásticas não exigirem parafusos ou fixadores de metal. .

A reciclagem de peças termoplásticas também deve ser um processo mais simples do que a reciclagem de peças termofixas. No estado atual da tecnologia (e ainda por algum tempo), as mudanças irreversíveis na estrutura molecular produzidas pela cura de materiais termofixos impedem o uso de material reciclado para fabricar novas peças de resistência equivalente.

A reciclagem de peças termofixas envolve triturar as fibras de carbono do material em pequenos pedaços e queimar a mistura de fibra e resina antes de reprocessá-la. O material obtido para reprocessamento é estruturalmente mais fraco do que o material termofixo a partir do qual a peça reciclada foi feita, portanto, a reciclagem de peças termofixas em novas normalmente transforma “uma estrutura secundária em terciária”, disse Brown.

Por outro lado, como as estruturas moleculares das peças termoplásticas não mudam nos processos de fabricação e união de peças, elas podem simplesmente ser fundidas na forma líquida e reprocessadas em peças tão fortes quanto as originais, segundo Dion.

Os projetistas de aeronaves podem escolher entre uma ampla seleção de diferentes materiais termoplásticos disponíveis no projeto e fabricação de peças. “Uma ampla gama de resinas” está disponível nas quais filamentos unidimensionais de fibra de carbono ou tramas bidimensionais podem ser incorporados, produzindo diferentes propriedades de material, disse Dion. “As resinas mais interessantes são as resinas de baixo ponto de fusão”, que fundem a temperaturas relativamente baixas e, portanto, podem ser moldadas e formadas em temperaturas mais baixas.

Diferentes classes de termoplásticos também oferecem diferentes propriedades de rigidez (alta, média e baixa) e qualidade geral, segundo Dion. As resinas da mais alta qualidade são as que custam mais e o preço acessível representa o calcanhar de Aquiles dos termoplásticos em comparação com os materiais termofixos. Normalmente, eles custam mais do que os termofixos, e os fabricantes de aeronaves devem considerar esse fato em seus cálculos de custo/benefício, disse Brown.

Em parte por esse motivo, a GKN Aerospace e outras continuarão a se concentrar mais em materiais termofixos ao fabricar grandes peças estruturais para aeronaves. Eles já utilizam amplamente materiais termoplásticos na fabricação de peças estruturais menores, como empenagens, lemes e spoilers. Em breve, porém, quando a fabricação de alto volume e baixo custo de peças termoplásticas leves se tornar rotina, os fabricantes as utilizarão de forma muito mais ampla – especialmente no crescente mercado de eVTOL UAM, concluiu Dion.

vem de ainonline