TORAY - Mudando o mundo com novos materiais
Sonhando com uma aeronave negra que voa pelos céus
As pesquisas sobre a fibra de carbono começaram no Japão no início dos anos 1960. Conversamos com Shunsaku Noda, gerente geral, e Hiroshi Taiko, gerente geral adjunto; ambos da Seção de Tecnologia Aeroespacial, do Departamento de Tecnologia ACM, da empresa TORAY, sobre os 50 anos de história do desenvolvimento da fibra de carbono e do PRFC.
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O que é PRFC?
PRFC é um composto de fibra de carbono e resina. Os materiais compósitos contém vários ingredientes para proporcionar propriedades avançadas, as quais um único ingrediente não seria capaz de oferecer.
TORAYCA ® Prepreg é um material usado em peças aeroespaciais. Ele é produzido a partir de um feixe de 24 mil libras de carbono, cada uma com espessura de cerca de 5 um. Elas são organizadas de modo a formar uma folha, e depois impregnadas com resina termoendurecida como epóxi. Formando camadas e endurecendo esta chapa, intensifica-se a alta resistência e o elevado módulo de elasticidade da fibra de carbono.
O desempenho do PRFC tende a mudar significativamente de acordo com o volume e o layout das fibras de carbono (direção das fibras, estrutura das camadas prepreg). Portanto é possivel obter diversas caracdterísticas através do desenvolvimento para propósitos específicos.
Características do PRFC
- É leve e tem gravidade específica de 1,7 apenas um quarto do ferro.
- A resistência à tração do PRFC chega a 7 Gpa
- Elasticidade à tração de alta intensidade: 630 Gpa
- Possui também excelente estabilidade dimensional, amortecimento de vibrações, alta condutividade térmica, não magnética, resistência à corresão e alta resistência à fadiga.
Processo de fabricação da fibra de carbono
A fabricação da fibra de carbono à base de PAN (poliacrilonitrila) compreende quatro processos:
1) O plástico de poliacrilonitrila é processado e bombeado através de uma máquina de fiação para ser transformado em fibras.
2) As fibras passam por um tratamento térmico para melhorar a resistência à chama (oxidação).
3) As fibras são aquecidas novamente no processo de carbonização.
4) Para completar o processo, é aplicado o tratamento superficial.
Processo de fabricação e tecnologia de materiais avançados
Parte 1: de 1950~
Surgimento da fibra de carbono e início da pesquisa e desenvolvimento
Voltando a início do desenvolvimento das fibras de carbono, deparamos com a lâmpada inventada por Thomas Edison e Joseph Swan no final do século XIX. O filamento usado para esta lâmapada era feito de fibra de bambu carbonizada. Esta foi a primeira fibra de carbono de omundo. À medida que o tungstêncio se tornava um material comum para uso como filamente, a fibra de carbono foi gradualmente esquecida.
Somente na década de 1950, a fibra de carbono novamente atraiu a atenção quando os Estados Unidos aceleraram a pesquisa e desenvolvimento de pontas de injetor para foguetes, motores que exigem alta resistência ao calor.
Enquanto isso, em 1959, Dr. Akio Shindo do Instituto de Engenharia e Tecnologia de Osaka, inventou um método de fabricação de fibra de carbono através da carbonização do poliacrilonitrilo (PAN). Desde então, a pesquisa e desenvolvimento e a comercialização de fibras de carbono aceleraram.
Como possui elevada resistência, a fibra de carbono é um componente altamente funcional, ideal para os materiais compósitos. Em 1967, a Rolls-Royce, uma das maiores fabricantes de motores aeroespaciais do mundo, anunciou a aplicação do PRFC em motores a jato.
Quase simultaneamente, a TORAY iniciou o desenvolvimento em larga escala da fibra de carbono, utilizando uma fibra acrílica, a TORAYLONTM.
Em 1970, a TORAY adquiriui a licença de patente do Dr. Shindo. As empresas gerenciam os negócios com base em previsões de comercialização futura e pontencial de vendas de seus próprios produtos.
A TORAY acreditava no potencial do PRFC e priorizou a criação de um sistema de produção com um investimento ousado, aplicando uma quantia impensável nos dias atuais.
Parte 2: 1971~
Fabricando a fibra de carbono mesmo antes de conhecer plenamente o seu potencial
No ano seguinte, em 1971, a TORAY iniciou a fabricação e venda da TORAYCA®300, uma fibra de carbono de alta resistência à base de PAN. Embora a fibra de carbono tivesse se destacado como um material da nova geração, suas possibilidades de aplicação ainda não eram plenamente conhecidas. A TORAY, no entanto, decidiu construir uma nova fábrica com capacidade de fabricação de 12 toneladas, a maior do mundo na época. Esta decisão foi tomada com base na convicção entre os funcionários da TORAY de que algum dia haveria uma grande demanda por materiais de alta resistência.
A alta administração da empresa também sonhava em ver no futuro um avião negro, produzido principalmente em PRFC, voando pelos céus. Isto foi na época em que a Rolls-Royce enfrentava grandes dificuldades no desenvolvimento de motor a jato usando o PRFC.
Enquanto isso, a TORAY comercializava o seu primeiro produto feito de fibra de carbono: varas de pesca. Este produto lançado em 1972, tinha aproximadamente a metade do peso das varas de pesca existentes na época. Embora fosse relativamente mais cara, seu desempenho era altamente apreciado no mercado. No mesmo ano, o jagador profissional de golfe, Gay Brewer Jr., venceu o torneio Taiheiyo Masters usando tacos de eixo preto produzidos em PRFC.
O reconhecimento dos tacos de golfe pretos se espalhou rapidamente e tornou-se muito popular entre os jogadores de golfe. Depois disso, o PRFC também foi usado na fabricação de raquetes de tênis, aumentando ainda mais a sua popularidade.
Mas o campo de aplicação do PRFC ainda era limitado, concentrado principalmente nos segmentos de entretenimento e esportes. Considerando o seu grande potencial industrial, o PRFC tinha um volume de distribuição muito pequeno.
O divisor de águas ocorreu em 1975. Com a crise do petróleo em 1973, os fabricantes de aeronaves foram forçados a priorizar a redução de peso da estrutura para diminuir o consumo de combustível. Com isso, o PRFC passou a ser usado em peças estruturais secundárias que não têm influência direta na segurança do voo. Assim, o sonho da TORAY de ver o PRFC aplicado à fabricação de aeronaves tornou-se realidade.
Posteriormente, com o uso do PRFC em peças aeroespaciais das empresas Boeing e Airbus, a produção total de fibra de carbono TORAYCA® superou 10.000 toneladas no acumulado até 1988. Muitos fabricantes estrangeiros em países como Inglaterra e Estados Unidos acabaram abandonando seus negócios em PRFC devido à baixa rentabilidade. No entanto, as empresas japonesas, inclusive a TORAY, transmitiram suas tecnologias através de uma perspectiva de longo prazo e continuaram trabalhando no desenvolvimento e fabricação de PRFC utilizando fibras de carbono de alto desempenho.
Em 2010 os fabricantes japoneses de fibra de carbono foram responsáveis por aproximadamente 70% da participação no mercado global.
Parte 3: 1990~
Expandindo a aplicação do PRFC como material para estrutura de aeronaves
Em 1990, a TORAYCA® Prepreg (chapa de PRFC) foi adotada pela Boeing como o principal material para peças estruturais (peças importantes que influenciam diretamente na segurança do voo), o que comprovou as propriedade do PRFC como um material altamente confiável e altamente funcional. A resistência à tração do PRFC é superior ao ferro em mais de 10 vezes, enquanto seu peso é apenas um quarto do peso do ferro. Outra grande vantagem do PRFC é que pode ser moldado em diversos formatos.
No projeto do Boeing 787, lançado em 2003, o PRFC correspondia a cerca de 50% do peso total da aeronave, incluindo a fuselagem e as asas. Em 2006, a TORAY e a Boeing firmaram um acordo de longo prazo para fornecimento de PRFC, que especificava o suprimento de componentes estruturais primários pela TORAY até 2021.
Parte 4: 2010~
O uso industrial acelera a demanda por PRFC
A partir de 2010, a demanda global por PRFC expandiu-se rapidamente. Além do uso em produtos esportivos e aeronáuticos, o PRFC passou a ter diversas aplicações como nas pás dos geradores de energia eólica; nas autopeças como componentes de teto e no capô, eixo de transmissão, tanques de veículos a gás natural ou com células de combustível; nos componentes de trens de alta velocidade; nas estruturas de computadores, entre outros.
Os negócios em materiais compósitos de fibra de carbono fazem parte da base estratégica de expansão da TORAY. A empresa investe pesado, pois há uma expectativa de expansão da demanda nas indústrias em crescimento, como as indústrias automobilística, aeroespacial e novas fontes de energia. Em 2020, a TORAY planeja aumentar os investimentos na América do Norte para expandir seus negócios na região.
Neste momento, a força da fibra de carbono ainda é apenas um décimo do seu valor teórico, o que significa que tem um grnade potencial para melhorias. Mas o alto custo da fibra de carbono continua sendo uma barreira para a sua propagação no mercado. Por outro lado, é esperado um aumento das suas aplicações na indústria de autopeças e, caso isto se concretiza, a produção em massa poderá reduzir significativamente os custos e aumentar a demanda rapidamente no futuro próximo.
Quase meio século se passou desde que a TORAY iniciou a primeira produção comercial da fibra de carbono do mundo. Foi preciso um esforço contínuo durante um longo período até encontrar mercados estáveis.
O que nos motivou? A filosofia corporativa da TORAY, a continuidade a longo prazo, apoiada pelo forte desejo da alta administração de ver uma aeronave fabricada em PRFC.
O PRFC continuará evoluindo como o material mais avaçnado e altamente funcional que apoiará as indústrias globais.
Relembrando a história do PRFC
Noda: A motivação para quem trabalha com materiais é a possibilidade de desenvolver produtos que podem causar mudanças positivas para o mundo, por exemplo, contribuir para a redução do consumo de combustível na indústria aeroespacial.
O PRFC, que foi desenvolvido graças à persistência de nossos colegas veteranos ao longo de muitos anos, tornou-se a base estratégica para a expansão dos negócios da TORAY. Nossa missão é expandir ainda mais os negócios de PRFC e torná-lo um pilar fundamental da TORAY.
Comparado com a maturidade dos materiais metálicos, os materiais compósitos à base de fibra de carbono têm um grande potencial a ser explorado em termos de tipo de material, volume e aplicações. Acreditamos neste potencial ilimitado do PRFC e continuaremos explorando essas possibilidades para mudar o mundo para melhor.
Taiko: A minha paixão por aviação desde a infância acabou me levando a construir uma carreira em torno de aviões e foguetes. O maior sonho de quem está envolvido em pesquisa e desenvolvimento nesta área é um dia embarcar em uma aeronave feita de materiais que você mesmo desenvolveu.
O PRFC usado na fabricação do Boeing 787 foi desenvolvido por funcionários veteranos de P&D, e minha participação neste desenvolvimento foi indireta. Mas espero alguym dia realizar o meu sonho.
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Autor: Blog da Usinagem
Data de Publica��o: 14/01/2020
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