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Novas tecnologias para a produção de compósitos: ciclos produtivos menores e mais sustentabilidade

19 fevereiro 2021

Artigo de Rui Gomes, gestor de projetos na área dos Materiais e Estruturas Compósitas.


A tendência para combinar polímeros reforçados com fibras (FRP) com materiais convencionais, como metal, madeira ou cerâmica, é cada vez mais prevalente numa variedade de indústrias. A plena substituição por materiais compósitos, é igualmente mais e mais frequente, especialmente em aplicações estruturais leves, como no sector aeronáutico e automóvel, devido à sua elevada resistência específica, rigidez e baixo peso.

A produção de materiais compósitos com estas cobiçadas propriedades, porém, é geralmente baseada num processamento em autoclave ou forno. Métodos estes que têm elevados consumos energéticos, e exigem ciclos produtivos elevados.

Estas características são hoje encaradas como um aspeto negativo, dada a crescente consciencialização ecológica da indústria, e a restritiva legislação ambiental em Portugal e na Europa. Estes fatores, aliados às pressões da globalização e concorrência, espoletaram uma procura por processos otimizados, com ciclos produtivos menores e mais sustentáveis, para a produção de componentes em FRP 1,2.

A tendência, neste sentido, é um papel cada vez mais relevante de tecnologia e processos alternativos. No INEGI, este desafio tem sido encarado com a adoção de novas perspetivas em termos da competitividade da indústria, e criação de novas filosofias de produção baseadas em cadeias de fabrico mais rápidas e com evidentes benefícios económicos e ambientais.

Produção de compósitos a "alta velocidade” já é uma realidade

Entre os processos alternativos mais promissores destacam-se o A-VARTM (Advanced Vacuum-Assisted Resin Transfer Moulding), o HP-RTM (High Pressure Resin Transfer Moulding), o processo híbrido de SMC (Sheet Moulding Compound) e a termoconformação com sobreinjeção.

O A-VARTM é uma versão modificada do processamento VARTM (Vacuum-Assisted Resin Transfer Moulding), desenvolvido em conjunto pela Mitsubishi Heavy Industries (MHI) e a Toray Industries. A inovação desta tecnologia assenta no uso da compactação a quente antes da etapa de infusão. Ao aplicar, em simultâneo, uma elevada temperatura e pressão de vácuo, este método possibilita uma impregnação mais eficiente as fibras, reduzindo o volume de vazios e aumentando o teor de fibra 3,4.

Já o HP-RTM, comparado com o tradicional processo de RTM (Resin Transfer Moulding), permite ciclos produtivos mais curtos (entre 2 a 5 minutos), garantindo um maior volume de produção. No entanto, para tornar isto possível, esta tecnologia considera novos parâmetros de processamento, tornando o seu controlo mais complexo e crítico. O processo consiste assim nas seguintes etapas: colocação de uma pré-forma no molde, injeção de uma matriz num molde fechado, aplicação do vácuo, polimerização, abertura do molde e remoção da peça5,6.

Quanto ao processo SMC, este já é amplamente utilizado no setor automóvel, devido à sua capacidade de produzir componentes polímeros reforçados com fibras (FRP). No entanto, de forma a melhorar as propriedades dos produtos em SMC e para dar resposta ao crescente interesse nesta classe de materiais, foi recentemente desenvolvido um processo híbrido, que combina pré-impregnados de fibras contínuas e orientadas com o SMC tradicional. Esta tecnologia permite garantir uma elevada produtividade, excelente reprodutibilidade das peças, redução de custos, e produção de componentes mais leves e resistentes, com geometrias mais complexas e funções integradas 8,7.

Outro meio de ação disponível é o processo de termoconformação com sobreinjeção consiste numa máquina de injeção, acoplada a um robot manipulador para alimentação do laminado aquecido à máquina de injeção. Esta composição torna possível maximizar as cadências produtivas, pois após consolidação das fitas que dão origem ao laminado, este é cortado à medida, aquecido, transportado e posicionado no molde na máquina de injeção, onde é depois estampado e sequencialmente sobreinjetado, sem necessidade de aquecer novamente 9,10.

Esta nova geração de soluções produtivas contribui para produzir compósitos a "alta velocidade”, ao reduzir a duração do processo e aumentar a cadência, e mais sustentável, ao diminuir o consumo de recursos e energia. Vantagens que os vários setores da indústria procuram, com a ativa contribuição de entidades de I&D, como é o caso do INEGI e como exemplificam projetos recentes como o RTM E-BOX, AEROCAR, LYNX eMTB, LATCH I e II.

A inovação científica e tecnológica – apoiada em colaborações com a indústria – permite-nos assim explorar o potencial de novos processos, e assim abrir caminho a novos e melhores produtos e oportunidades de negócio.



Referências

1 Liu, Y., van Vliet, T., Tao, Y., Busfield, J. J., Peijs, T., Bilotti, E., & Zhang, H. (2020). Sustainable and self-regulating out-of-oven manufacturing of FRPs with integrated multifunctional capabilities. Composites Science and Technology, 190, 108032.
2 Sunilpete, M. A., & Cadambi, R. M. (2020). Development of Cost Effective Out-of-Autoclave Technology – Vacuum Infusion Process with Tailored Fibre Volume Fraction. Materials Today: Proceedings, 21, 1293-1297.
3 Ganjeh, B., & Hassan, M. R. (2013). Cost-efficient composite processing techniques for aerospace applications–a review. In Applied Mechanics and Materials (Vol. 325, pp. 1465-1470). Trans Tech Publications Ltd.
4 Hindersmann, A. (2019). Confusion about infusion: An overview of infusion processes. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 126, 105583.
 Siddiqui, M. A., Koelman, H., & Shembekar, P. S. (2017). High pressure RTM process modeling for automotive composite product development (No. 2017-26-0175). SAE Technical Paper.
5 Hillermeier, R., Hasson, T., Friedrich, L., & Ball, C. (2013). Advanced thermosetting resin matrix technology for next generation high volume manufacture of automotive composite structures (No. 2013-01-1176). SAE Technical Paper.
6 Silva, J. N., Pina, L., Sousa, S. (2019). Hybridization Process of Carbon Fibre Sheet Moulding Compound with Carbon Fibre Prepregs: a Case Study". XIII Edición del Congreso Bienal de Materiales Compuestos (MATCOMP19), 3-5 July 2019, Universidad de Vigo, Spain. 
7 Fette, M., Hentschel, M., Köhler, F. A., Wulfsberg, J., & Herrmann, A. (2016). Automated and cost-efficient production of hybrid sheet moulding compound aircraft components. Procedia Manufacturing, 6, 132-139.
8 Gomes, R. (2020). Ferramentas avançadas para o fabrico de compósitos para o sector automóvel: nova abordagem reduz time-to-market. O Molde, julho de 2020, 126, 64-65.
9 Tanaka, K., Fujita, Y., & Katayama, T. (2015). Press and injection hybrid molding of glass fiber reinforced thermoplastics. WIT transactions on engineering sciences, 90(7), 225-232.