1. Explicação detalhada do processo do tanque de prensagem a quente de fibra de carbono

Um processo de fabrico avançado que utiliza um recipiente de pressão selado (tanque de prensagem a quente) para aplicar um ambiente controlável de alta temperatura, alta pressão e vácuo ao pré-impregnado de fibra de carbono (fibras de resina pré-impregnadas) colocado num molde, permitindo-lhe solidificar e formar peças compostas de elevado desempenho

2. Visão geral do processo de fibra de carbono a quente

O processo de prensagem a quente é o principal método de fabrico de componentes compostos de fibra de carbono de alto desempenho, alta precisão e estrutura complexa. Consegue uma distribuição uniforme do calor, alta pressão (pressão de gás) e ambiente de pressão negativa de vácuo fornecido pelo tanque de prensagem a quente

3. Caraterísticas do processo Hot Pot

Alta pressão e pressão uniforme: O gás de alta pressão (geralmente ar comprimido ou nitrogénio, com uma pressão de vários MPa ou mesmo superior) é aplicado uniformemente no saco de vácuo a partir de todas as direcções

A chave para atingir um elevado teor de volume de fibras e uma baixa porosidade é conseguir uma compactação uniforme da camada. Superior ao processo de prensagem de sacos a vácuo que depende apenas da pressão atmosférica

Aquecimento uniforme: A circulação de ar quente ou o aquecedor no interior do tanque de prensagem a quente proporciona um campo de temperatura altamente uniforme, garantindo a cura síncrona de todo o componente (especialmente peças complexas de grandes dimensões), reduzindo a deformação por esforço térmico e o esforço interno

4. Fluxo do processo do tanque de prensagem a quente de fibra de carbono

1. Preparação do material

Seleção e corte do material pré-impregnado: Selecionar o material pré-impregnado de fibra de carbono adequado (tipo de resina, tipo de fibra, densidade da superfície, direção da camada) de acordo com os requisitos do projeto. Utilizar máquinas de corte automáticas ou corte manual de precisão para obter a forma e o ângulo pretendidos

Preparação de materiais auxiliares: Preparar os tamanhos e tipos correspondentes de película de saco de vácuo, feltro respirável, tecido de libertação, película de libertação, fita de selagem, junta de vácuo, fita sensível à pressão, etc

2. Conceção e preparação do molde

Conceção do molde: Ter em conta a forma, a precisão dimensional, a correspondência do coeficiente de expansão térmica, a rigidez, a resistência (para suportar alta pressão), o método de desmoldagem, a eficiência do aquecimento, a vedação, etc. da peça de trabalho. Os materiais comuns incluem aço, Invar (liga de baixa expansão), moldes de materiais compósitos ou moldes macios de borracha de silicone

Limpeza do molde e revestimento com agente de libertação: Limpe bem a superfície do molde para garantir que não haja graxa ou poeira. Aplicar (pulverizar ou limpar) o agente de libertação a alta temperatura (como cera ou agente de libertação semipermanente) uniformemente na superfície de trabalho do molde para formar uma camada de isolamento

Por vezes, utilizar uma tela de proteção para colocar na superfície do molde

3. Colocar

Colocação do material pré-impregnado: Colocar com precisão as camadas cortadas de material pré-impregnado na superfície do molde, de acordo com a sequência, ângulo e posição de colocação projectados. É necessário um alinhamento exato para evitar rugas, desalinhamentos e a entrada de objectos estranhos. Por vezes, é necessário compactar e esgotar entre camadas

Colocação da inserção: se necessário, colocar inserções metálicas, remendos pré-curados, conectores ou materiais de núcleo (favo de mel, espuma, etc.)

4. Ensacamento por vácuo

Este é um passo crucial e meticuloso

Colocação sequencial de materiais auxiliares: Cobrir a superfície da camada em sequência

Tecido de libertação: evita que a resina adira ao feltro respirável, garantindo a qualidade da superfície das peças

Feltro respirável/feltro absorvente: proporciona canais para o fluxo de resina e a exaustão de gases. O feltro absorvente também é utilizado para absorver o excesso de resina

Película de isolamento (por exemplo, película FEP): opcional, evita que o feltro respirável/feltro adesivo adira à película do saco de vácuo

Película de saco de vácuo: cobrindo toda a camada e o bordo do molde, formando um espaço fechado

Selagem: Utilizar fita de selagem para aderir firmemente a película do saco de vácuo ao bordo de selagem do molde, assegurando que não há fugas de ar

Ligação da tubagem de vácuo: Instalar um tubo de ligação de vácuo num local adequado (normalmente acima do feltro respirável) e ligar a mangueira de vácuo ao sistema de vácuo do tanque de prensagem a quente

Teste do grau de vácuo: Aspirar (geralmente necessário para atingir pelo menos -0,08 MPa ou superior), verificar a vedação, garantir que não há fugas e manter a pressão durante um período de tempo. O grau de vácuo é a chave para garantir a compactação e a exaustão

5. Moldagem por prensagem a quente (ciclo de cura)

Empurrar os componentes do molde embalados para dentro da lata de prensagem a quente, fechar a porta da lata e selá-la

Bombagem de vácuo: Iniciar o sistema de vácuo, manter e monitorizar o nível de vácuo

Pressurização: Encher o depósito com gás comprimido (ar ou gás inerte, como o azoto) e pressurizá-lo até ao valor-alvo, de acordo com o programa definido (normalmente por fases). A pressão é transmitida uniformemente para a peça de trabalho através do saco de vácuo

Aquecimento: Iniciar o sistema de aquecimento (circulação de ar quente ou aquecedor) e aumentar a temperatura de acordo com a curva de tempo de temperatura definida com precisão (curva de cura). A curva é determinada pela cinética de cura do sistema de resina (incluindo a taxa de aquecimento, a temperatura e o tempo da plataforma de isolamento, a taxa de arrefecimento, etc.)

Cura do isolamento: Manter um tempo de isolamento suficiente à temperatura de cura pretendida para garantir que a resina está totalmente reticulada e curada. A pressão e o vácuo são mantidos continuamente durante esta fase

Arrefecimento: O programa controla a taxa de arrefecimento (normalmente mais lenta) para evitar a deformação ou fissuração das peças devido ao stress térmico. Normalmente, a pressão e o vácuo têm de ser mantidos durante a fase inicial de arrefecimento, podendo ser gradualmente libertados mais tarde

Alívio de pressão: Depois de a temperatura descer para um intervalo seguro, libertar lentamente a pressão no interior do reservatório

Fora da lata: Abrir a porta da lata e retirar os componentes do molde

6. Desmoldagem e pós-processamento

Desmontagem do sistema de saco de vácuo: Retirar cuidadosamente a película do saco de vácuo e todos os materiais auxiliares (tela de proteção, feltro respirável, etc.)

Desmoldagem: Utilizando um mecanismo ou ferramenta de desmoldagem concebido para o molde, separar cuidadosamente as peças curadas do molde. São necessárias competências para evitar danificar as peças e os moldes

Corte e maquinagem de bordos: Remover rebarbas, fluxo de cola e tolerâncias de processo. Efetuar o processamento mecânico necessário, como perfuração, corte, fresagem, etc., para obter as dimensões finais e os requisitos de montagem

Ensaios não destrutivos: utilizando ensaios ultra-sónicos (UT), raios X, ensaios de impacto e outros métodos para inspecionar se existem defeitos como delaminação, poros, inclusões no interior da peça de trabalho

Tratamento de superfície: limpeza, polimento (se necessário), preparação para pintura ou montagem subsequentes

Inspeção final e entrega: Realizar inspecções finais sobre dimensões, aspeto, desempenho, etc., e entregar depois de passar na inspeção

5. Vantagens e desvantagens do processo de tanque de prensagem a quente de fibra de carbono

Vantagens

Qualidade extremamente elevada dos componentes: elevado teor volumétrico de fibras (>60%), porosidade extremamente baixa (<1%) e propriedades mecânicas óptimas (resistência, rigidez, desempenho à fadiga)

Excelente qualidade de superfície: A superfície de contacto do molde (superfície de aderência) pode atingir uma suavidade de superfície de Classe A ou próxima da Classe A

Excelente precisão dimensional e estabilidade: elevada precisão do molde, pressão de cura uniforme, campo térmico uniforme, bom controlo do tamanho da peça e deformação mínima

Poderosa capacidade de formar estruturas complexas: capaz de fabricar superfícies curvas grandes e complexas, espessuras variáveis, nervuras reforçadas, estruturas em sanduíche e outros componentes que são difíceis de formar utilizando outros métodos

Elevada maturidade do processo: Aplicado no sector aeroespacial e noutros sectores há décadas, o processo é estável e fiável, com normas e especificações completas

Ampla seleção de materiais: adequado para várias matrizes de resina de alto desempenho (epóxi, bismaleimida, poliimida, termoplástico, etc.) e pré-impregnado de fibra de carbono

Desvantagens

1. O custo do equipamento é extremamente elevado: o investimento no próprio tanque de prensagem a quente de grandes dimensões e nas suas instalações de apoio (compressor de ar, sistema de vácuo, sistema de arrefecimento, sistema de controlo) é enorme

2. Custo elevado do molde: os moldes que exigem resistência a altas temperaturas e altas pressões, alta precisão e baixo coeficiente de expansão térmica (como o Invar) são difíceis de fabricar e têm custos elevados

3. Elevado consumo de energia: Os processos de aquecimento, pressurização e aspiração consomem uma quantidade muito elevada de energia

4. Ciclo de processamento longo: Todo o processo de preparação, colocação, embalagem, cura, arrefecimento e pós-processamento demora muito tempo (especialmente para a cura de peças com paredes espessas), o que resulta numa eficiência de produção relativamente baixa

5. Elevado consumo e custo dos materiais auxiliares: O material do sistema de sacos de vácuo é um consumível descartável, com uma grande quantidade de utilização e um custo elevado

6. Operação complexa e dependência da experiência: Os processos de assentamento e embalagem dependem em grande medida de trabalhadores qualificados, e a formulação e otimização dos parâmetros do processo de cura exigem também um profundo conhecimento profissional

7. Limitação do tamanho: O tamanho do componente é limitado pelo volume da lata da prensa a quente

8. Desafio ambiental: As resinas podem libertar compostos orgânicos voláteis (COV) a alta temperatura e pressão, exigindo tratamento

6. Campos de aplicação da tecnologia de tanque de prensagem a quente de fibra de carbono; Tendências de desenvolvimento futuro

Domínio de aplicação

Aeroespacial (domínio principal): estruturas principais de suporte de carga de aeronaves (asas, painéis da fuselagem, aletas de cauda, vigas, nervuras), componentes de motores (pás de ventiladores, carcaças), estruturas de satélites, componentes de naves espaciais, estruturas de veículos aéreos não tripulados, etc.

Equipamento desportivo de alta qualidade: quadros de bicicletas, raquetes de ténis, tacos de golfe, peças de corrida, barcos a remos, esquis/pólos de alto desempenho, etc.

Indústria automóvel (alto desempenho/corrida): Carroçaria monobloco para corridas de F1, componentes estruturais, componentes de chassis, peças de protótipo de componentes de revestimento da carroçaria para carros desportivos de elevado desempenho, etc.

Defesa nacional e indústria militar: corpo de mísseis, cobertura de radar, estrutura de veículos aéreos não tripulados, componentes de veículos blindados, etc

Domínio industrial: componentes de equipamento médico topo de gama (como placas de cama para TAC/RM, instrumentos ortopédicos), braços de robôs, componentes estruturais de instrumentos de precisão, diafragmas de áudio topo de gama, etc

Novas energias: pás de turbinas eólicas (algumas peças-chave), cilindros de hidrogénio, componentes de células de combustível, etc

Resumo

O processo de prensagem a quente de fibra de carbono é a norma de ouro para o fabrico de componentes de material compósito com o mais elevado desempenho e a mais elevada qualidade, especialmente componentes estruturais grandes e complexos

Consegue uma compactação total, baixa porosidade e uma reação de cura precisa e controlável dos materiais através do ambiente uniforme de alta temperatura, alta pressão e vácuo proporcionado pelo tanque de prensagem a quente, dotando assim as peças de propriedades mecânicas e precisão dimensional sem paralelo

No entanto, os seus elevados custos em termos de equipamento, moldes, energia e materiais, bem como os longos ciclos de processamento, são os principais obstáculos à sua aplicação generalizada

As principais áreas de aplicação deste processo concentram-se na indústria aeroespacial, no equipamento desportivo de topo de gama, nos automóveis de alto desempenho/carros de corrida, nas indústrias militares e de defesa nacional e noutros cenários que exigem um desempenho extremamente rigoroso e um elevado valor acrescentado