Fibra de carbono reforça peças feitas com material compósito

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Durante um encontro entre especialistas da Frimo (Alemanha) e da empresa química belga Huntsman Polyurethanes, com sede em Everberg, foram discutidas as últimas tecnologias e tendências na indústria de processamento de poliuretanos, bem como os desenvolvimentos e métodos de produção estabelecidos para os componentes feitos com materiais compósitos reforçados com fibras. Estas novas abordagens, tanto na área química como de equipamentos, farão com que novas possibilidades de produção, mais eficientes e robustas, sejam implementadas no futuro. Elas são particularmente relevantes no caso da produção em grande escala de componentes feitos com materiais compósitos reforçados com fibras de carbono. Em 2011, a Frimo e a Huntsman assinaram um acordo de cooperação a esse respeito.

Os desafios técnicos para a produção de componentes feitos com materiais compósitos reforçados com fibras são numerosos e têm origem principalmente nos fatos descritos a seguir:

  • os componentes a serem produzidos geralmente apresentam espessura de alguns poucos milímetros (cerca de 2 mm), mas podem ser tridimensionais e apresentar amplas superfícies (com áreas de até 2 m², ou mesmo superiores a este valor);
  • em média, 50% do volume do componente precisa ser preenchido com fibras pré-conformadas, tecidas e orientadas;
  • na maioria dos casos, os tecidos com fibras orientadas possuem várias camadas que não devem ser deslocadas durante o preenchimento do molde;
  • o tecido inserido com fibras pré-conformadas precisa vir completamente envelopado, sem a ocorrência de vazios, pelo material que constitui a matriz;
  • os componentes destinados a carrocerias automotivas precisam ser capazes de passar pelas linhas de pintura já existentes nas montadoras.

Tais componentes são principalmente produzidos pela inserção do tecido com as fibras e pela injeção do material da matriz no molde fechado. Outros processos já estabelecidos, nos quais os componentes de material compósito reforçado com fibras são manufaturados por meio da aspersão do material da matriz no interior de um molde aberto, ou por meio de injeção no interior de moldes que se encontram abertos com uma pequena folga paralela ou em ângulo, são adequados para aplicações individuais, mas logo alcançarão seus limites no caso de componentes de grande porte e, possivelmente, tridimensionais. As resinas bem conhecidas que constituem a matriz do material compósito começam sua reação imediatamente após a incorporação dos aditivos, ou seja, sua viscosidade aumenta. Isto ocorre de forma mais rápida à medida que o tempo para desmoldagem do componente se torna mais curto.

A resistência ao fluxo determina o processo e a qualidade

A resistência ao fluxo no molde durante a injeção é um fator particularmente crítico para o processo e para a qualidade dos componentes. Essa resistência, que já é problemática devido ao progressivo nível de preenchimento, cresce de maneira desproporcional devido ao aumento da viscosidade do material misturado. Quanto maior for a resistência ao fluxo, maior será o risco de que o tecido contendo fibras ser desloque durante a injeção.

 

Além disso, os tecidos contendo fibras em múltiplas camadas somente podem ser completamente envelopados e mantidos isentos de poros pelo material da matriz, desde que este mantenha até o certo valor de viscosidade. Para que a produção de peças com amplas superfícies seja efetivamente viável, é necessário que a curva de viscosidade ao longo do tempo e a vazão da mistura sejam adaptadas continuamente, para manter a resistência ao fluxo abaixo do limite máximo permissível. Valores de resistência ao fluxo superiores a 150 bar já ocorrem nos processos atuais de produção. Consequentemente, os moldes para componentes com áreas superficiais projetadas menores do que 2 m² requerem forças de fechamento superiores a 3.000 toneladas para assegurar que o molde permaneça fechado durante a injeção. Tais forças de fechamento somente podem ser aplicadas por grandes prensas - preferencialmente instaladas como unidades estacionárias de produção.

Hoje, os tempos de ciclo normais para a produção de componentes com superfície de aproximadamente 1,5 m² situam-se entre 20 a 30 minutos por prensa ou unidade de produção. Isto significa que, para a produção de, por exemplo, 300 componentes por dia (EQUIVALENTES DE PRENSA) numa operação em dois turnos, é necessário adquirir de oito a doze prensas. Para uma produção em série de aproximadamente 1.200 veículos por dia, isto envolve a utilização de 30 a 45 prensas para o modelo, considerando a operação em dois turnos.

É difícil imaginar que tais conceitos de produção, os quais são exclusivamente e essencialmente especificados pelos requisitos atuais de processamento, tornem-se consagrados para a produção em série do futuro:

  • os investimentos necessários aparentemente são muito altos;
  • o processo em si é tecnicamente muito exigente e, possivelmente, até mesmo instável devido aos múltiplos parâmetros relevantes;
  • não é possível otimizar a configuração do ambiente de trabalho, devido à presença de metades de moldes que somente podem ser abertos em paralelo;
  • os conceitos de produção móvel (tais como mesas rotativas ou unidades de transporte com porta-moldes dotados de motores individuais, etc.) que ajudam no desacoplamento de etapas individuais de processamento, e são quase essenciais na produção em grandes volumes, não podem ser representados de uma maneira técnica e economicamente viável.

 

Todas essas desvantagens aqui listadas acerca das tenologias de produção disponíveis atualmente podem ser eliminadas. Dentro do escopo do acordo de cooperação entre as empresas Frimo e Huntsma, soluções inteiramente novas vêm sendo desenvolvidas para tornar esse processo econômico e tecnicamente robusto.

Desenvolvimento pioneiro - viscosidade baixa e constante

um novo material de matriz para envelopar as fibras em moldes fechados foi desenvolvido pela Huntsman, o qual apresenta baixa viscosidade (menor que 100 mPas) e mantém esse valor constante após ter sido feita a mistura (figura 1). Quimicamente, esse período de tempo é arbitrário - e, portanto, é ajustável de forma otimizada conforme cada processo de produção. Quando sua vida de prateleira quimicamente ajustável termina, o sistema de poliuretano (designado pela marca comercial Vitrox) reage no tempo mais curto possível - ou seja, quase instantaneamente.

Isto abre duas importantes, anteriormente inexistentes e novas possibilidades de processamento:

  • Todo componente com qualquer fração de fibras pode ser preenchido com desempenho otimizado em termos de vazão. Falando em condições ideais, a correspondente resistência ao fluxo requerida não pode exceder 10 bar (figura 2).

         

  • A despeito do tempo de injeção praticamente ilimitado, o material reage muito rapidamente (trata-se da chama "cura num estalar de dedos") quando o tempo ajustado quimicamente e de forma individual se esgota. Atualmente, peças com amplas áreas superficiais podem ser produzidas requerendo forças de fechamento relativamente baixas e sob tempos de ciclo curtos.

Porta moldes em vez de prensas

Mesmo no caso da produção de componentes usando materiais compósitos reforçados com fibras apresentando amplas áreas superficiais, estas novas possibilidades de processamento permitem o uso de porta moldes - da mesma forma como eles também são usados como padrão na produção em grande escala em outras indústrias que processam poliuretano (figura 3).

Isto resulta em significativas vantagens técnicas e econômicas em termos de ergonomia, bem como para a tecnologia de processamento e de produção.

Se necessário, ambas as metades do molde podem ser inclinadas na melhor posição, atendendo a qualquer requisito ergonômico ou de processamento. Além disso, todos os porta-moldes podem ser colocados numa posição otimizada para processamento (por exemplo, para apoiar a injeção e o envelopamento das fibras), permitindo que eles sejam integrados em qualquer conceito de manufatura móvel. Neste caso, sistemas exclusivos de transporte, com porta-moldes manobráveis e dispondo de motor individual, parecem ser particularmente adequados para a produção em altos volumes.

O processo de produção com Vitrox é executado de forma otimizada sob temperaturas relativamente baixas (cerca de 80°C, em média) e de forma praticamente isotérmica (figura 4). Isto possibilita eliminar outra desvantagem frequente dos antigos sistemas: podem ser usados dispositivos padronizados para controlar a temperatura da matéria-prima e dos moldes. Tecnologias dispendiosas baseadas em pressurização, emprego de óleo como meio para transferência de calor ou mesmo a necessidade de aquecimento rápido do molde por induçao, bem como resfriamento rápido, não mais são necessárias.

Esta nova matéria-prima também permite temperaturas de transição vítrea, superiores a 280°C - uma possibilidade importante e interessante para a indústria automotiva. Todos os outros dados físicos são similares aos encontrados para outras matérias-primas bem conhecidas. A injeção de material não corrosivo é feita por equipamento de alta pressão com ultra-precisão, usando a máquina PURe Mix, fabricada pela Frimo, para efetuar a dosagem, a qual é especialmente adequada para esse processo (figura 5).

Além das novas possibilidades para uma produção em série tecnicamente estável e reprodutível de componentes feitos com materiais compósitos reforçados com fibras, os baixos valores de resistência ao fluxo e velocidade também abrem possibilidades inteiramente novas para o projeto das superfície dos componentes.

Superfícies biônicas - pele de tubarão

Até mesmo a criação de superfícies biônicas, como a reprodução das plaquetas serrilhadas da pele de tubarão, já foi conseguida, sendo adequada para reduzir a resistência ao fluxo de, por exemplo, veículos, navios trens de alta velocidade ou aeronaves.

Pela primeira vez são possíveis reproduções precisas de superfícies biônicas, como a citada no parágrafo anterior, e a aplicação do efeito lúts contra contaminação, entre outras, dentro da fabricação em série de componentes feitos com material compósito reforçado com fibras - inclusive de peças apresentando amplas áreas superficiais.

Graças às baixas velocidades de fluxo aplicadas durante a injeção do material da matriz do compósito diretamente no interior do molde, também as cores superficiais podem ser aplicadas por pintura das superfícies interiores do molde (pintura no molde), ou seja, eventuais estruturas superficiais contendo filigranas não são encobertas pela aplicação subsequente de tinta.

Foram abertos potenciais inteiramente novos para a manufatura de componentes feitos com materiais compósitos reforçados com fibras graças à nova matéria-prima desenvolvida e às possibilidades dela resultantes em termos de processamento e produção. Agora, a produção consistente de peças com alta qualidade pode ser implementada usando-se conceitos de produção tecnicamente robustos e comprovados, bem como utilizando instalações produtivas apropriadas do ponto de vista ergonômico e econômico.

Enquanto isso, praticamente todas as afirmações feitas aqui foram confirmadas e verificadas nas plantas-piloto das empresas Frimo e Huntsman, juntamente ao levantamento de dados técnicos e a execução de ensaios complementares, bem como por diversos clientes da indústria de fornecedores, e por uma montadora automotiva bem conhecida.

Fonte: http://www.arandanet.com.br


Publicado em: 14/02/2017

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