Moldagem por injeção de plástico aeroespacial: Componentes principais, considerações de design, materiais e tendências futuras
Há sete semanas, o gerente de qualidade de uma empresa de defesa nos enviou fotos de invólucros de conectores PEEK que começaram a rachar na linha de montagem. Peças do mesmo lote de produção, mesmo fornecedor, mesmo lote de material-algumas perfeitas, outras com defeito. Suas palavras exatas: “Usamos esse fornecedor há três anos e agora tudo está desmoronando”.
Nós não pegamos esse projeto. Não porque não conseguimos descobrir o que deu errado-a causa raiz ficou óbvia uma hora depois de examinarmos os registros do processo-mas porque o verdadeiro problema não eram as peças. O verdadeiro problema era que o processo de qualificação de fornecedores nunca tinha feito as perguntas certas.
Essa situação aparece à nossa porta cerca de uma vez por mês. Alguém qualificou um fornecedor com base em certificações e preço, executou a produção por um ou dois anos sem problemas, então algo mudou e de repente nada funciona. O fornecedor jura que nada mudou. O cliente não possui dados de processo que comprovem o contrário. Todos apontam o dedo enquanto a linha de produção fica ociosa.
A incômoda verdade sobre projetos de conversão de plástico aeroespacial
A economia da conversão de metal-em{1}}plástico parece espetacular no papel. A economia de peso é composta pelos custos de combustível ao longo da vida útil da aeronave. Os custos unitários caem pela metade ou mais em volume. Os prazos de entrega diminuem de meses para semanas.
A colaboração Aitiip-Liebherr citada em todos os lugares-40% de redução de peso e 30% de economia de custos representa o que acontece quando tudo dá certo. O que não faz parte desses estudos de caso: os dezoito meses de desenvolvimento de processos, as três iterações de ferramentas, os investimentos em equipamentos especializados que tornaram esses números possíveis.
Citamos um programa de suporte no último trimestre em que o custo atual de usinagem de alumínio do cliente girava em torno de US$ 400 por unidade. Nossa cotação de moldagem por injeção ficou abaixo de US$ 60. Decisão óbvia, certo?
Exceto que o suporte de alumínio tinha uma superfície de vedação usinada com exigência de acabamento de 0,4 Ra. Alcançar essa qualidade de superfície diretamente do molde requer modificações nas ferramentas que acrescentaram US$ 35.000 ao custo da ferramenta. Ou poderíamos moldá-lo e depois usinar a superfície de vedação-o que acrescentava manuseio, operações secundárias e aumentava o custo unitário para US$ 85.
Ainda é um bom projeto. Economias ainda significativas. Mas a diferença entre o número principal e o número real é importante quando as finanças estão a fazer cálculos de retorno. Projetos são eliminados por causa dessa lacuna. Bons projetos, projetos que deveriam acontecer, morrem porque alguém apresentou primeiro o caso otimista e depois teve que voltar atrás.
O que o processamento PEEK realmente exige
As fichas técnicas de materiais da Victrex e da Solvay publicam parâmetros de processamento que funcionam bem para aplicações industriais. Esses parâmetros produzirão peças aeroespaciais que passam na inspeção dimensional e falham em serviço.
A temperatura do molde é o exemplo óbvio. O mínimo publicado está em torno160 graus. As peças moldadas nessa temperatura parecem corretas, medem corretamente e têm talvez 25% de cristalinidade. Peças moldadas em190-200 grausatingiu 35% + cristalinidade. A diferença de vida em fadiga não é incremental-é multiplicativa.
O problema é que correr200 grausA temperatura do molde requer sistemas de aquecimento de óleo, projetos de moldes com massa térmica adequada e controles de processo que a maioria das instalações não possui. Uma loja com controle de temperatura de água quente chega ao topo95 graus. Eles ainda podem moldar PEEK. As peças ainda serão enviadas. As peças ainda irão falhar, eventualmente, de maneiras que são muito difíceis de rastrear até as condições de processamento.
As notas-preenchidas com carbono adicionam outra camada. O aquecimento por cisalhamento do enchimento de fibra de carbono altera o perfil térmico através do cano. Geometrias de parafuso padrão que funcionam bem para materiais preenchidos com-vidro criam pontos quentes com preenchimento de carbono. O material degrada-se localmente antes mesmo de chegar ao molde. Você não pode ver isso. Você não pode medi-lo na inspeção de entrada. Você descobre quando as peças começam a falhar no campo.
Não há certificação que valide esta capacidade específica. AS9100 cobre sistemas de qualidade. NADCAP cobre processos especiais. Nenhum deles pergunta se uma instalação pode realmente conter200 graustemperatura do molde dentro±3 grausem uma ferramenta com múltiplas-cavidades enquanto executa PEEK-preenchido com carbono. Essa pergunta só será respondida durante auditorias de qualificação de fornecedores-se o auditor souber perguntar.
O problema da certificação sobre o qual ninguém fala
O registro AS9100D significa que uma empresa documentou processos de gerenciamento de qualidade. Isso não significa que eles possam fabricar suas peças. Vimos instalações certificadas-AS9100 citarem projetos de polímeros de alta temperatura quando seus equipamentos não conseguem atingir fisicamente as condições de processo exigidas.
Isto não é necessariamente fraude. Muitas instalações acreditam genuinamente que podem processar qualquer termoplástico porque as máquinas são classificadas para essa faixa de temperatura. Eles não entendem que classificações e capacidade sustentada são coisas diferentes, ou que existem requisitos de processo específicos-de materiais além do que a folha de dados declara explicitamente.
A acreditação NADCAP proporciona mais confiança porque valida processos de fabricação específicos em vez de sistemas gerais. Mas o escopo do credenciamento é importante. Uma instalação credenciada para processos de moldagem por injeção padrão pode nunca ter passado um polímero-de alta temperatura através dessa célula credenciada. A acreditação cobre o processo, não todos os materiais possíveis que teoricamente poderiam ser processados.
As questões de auditoria que realmente importam não têm nada a ver com certificados. Eles envolvem parâmetros de processo específicos para materiais específicos em seu programa, estudos documentados de capacidade de processo e dados históricos de rendimento em aplicações semelhantes. Se um fornecedor não puder apresentar essa documentação, a certificação não será relevante.
Seleção de materiais além da folha de dados
O PEEK domina as conversas sobre plástico aeroespacial porque lida com a mais ampla gama de condições-temperatura, produtos químicos, estresse mecânico e radiação. Também custa cerca de US$ 100 por quilograma, o que significa que o custo do material se torna significativo em qualquer volume razoável.
PPS
O PPS lida com muitas das mesmas aplicações por US$ 25-30 por quilograma. As desvantagens são janelas de processamento mais estreitas, menor resistência ao impacto e mais sensibilidade aos efeitos de orientação da fibra. Para componentes que sofrerão principalmente cargas estáticas em ambientes quimicamente agressivos, o PPS geralmente faz mais sentido do que o PEEK. Para qualquer coisa com requisitos de carga dinâmica ou impacto, a diferença de custo é irrelevante.
Ultem
Ultem aparece em caixas elétricas e eletrônicas devido às suas propriedades dielétricas e resistência inerente à chama. As temperaturas de processamento ficam mais baixas que o PEEK, os requisitos do equipamento são menos exigentes e o custo do material fica em algum ponto intermediário. Para aplicações onde o desempenho elétrico é mais importante do que o desempenho mecânico, o Ultem evita o custo e as complicações de processamento do PEEK sem comprometer a função.
A conversa sobre a seleção de materiais geralmente acontece tarde demais no processo de desenvolvimento. Quando as peças chegam ao estágio de cotação, a engenharia já especificou um material com base nas propriedades publicadas, sem considerar as implicações de fabricação. A mudança de material nesse ponto requer re-revalidação, desenhos atualizados e ferramentas potencialmente novas,-tudo isso adiciona custos e atrasos que poderiam ter sido evitados com o envolvimento anterior do fornecedor.
Ferramentas de investimento e economia de programas
Ferramentas de molde de injeção para aplicações aeroespaciais normalmente custam entre US$ 50.000 e US$ 150.000, dependendo da complexidade. O número choca os programas que historicamente compram peças usinadas sem nenhum investimento em ferramentas.
Essa comparação perde o foco. As peças usinadas carregam seu custo de ferramental em cada unidade-na fixação, na programação, na configuração da máquina e na qualificação. Esses custos estão apenas embutidos no preço da peça, em vez de serem declarados separadamente. Uma peça usinada de US$ 400 pode incluir US$ 80 de custos amortizados de configuração e programação que ninguém rastreia porque não há item de linha para ela.
Mais importante ainda, o investimento em ferramentas cria alavancagem. Uma vez que a ferramenta existe e é qualificada, o custo incremental de peças adicionais se aproxima da matéria-prima mais o tempo de ciclo. A produção pode escalar com a demanda. Pedidos urgentes tornam-se possíveis. Mudanças de projeto que exigiriam re{4}}reprogramação completa para usinagem tornam-se modificações de ferramentas que mantêm a validação do processo.
Os programas em que a moldagem por injeção não faz sentido são aplicações de baixo-volume e alta{1}}mistura, onde as ferramentas não conseguem amortizar de forma eficaz e a geometria muda com frequência. Abaixo de cerca de 500 unidades de vida útil total, a usinagem geralmente vence. Acima desse limite, o cálculo muda dependendo da complexidade da peça, dos requisitos de tolerância e da duração do programa.
O que a qualificação realmente envolve
A inspeção do primeiro artigo para peças moldadas por injeção aeroespacial envolve mais envolvimento do que a maioria dos compradores espera. O FAI em si é uma verificação-dimensional direta em relação ao desenho, à certificação do material e à documentação dos parâmetros do processo. A validação do processo que precede o FAI é onde os programas têm sucesso ou falham.
Monitoramento da pressão da cavidadenas peças de qualificação estabelece a assinatura do processo que as execuções de produção devem corresponder. Isso não é opcional para aplicações críticas. Os traços de pressão da cavidade mostram se a peça foi preenchida corretamente, embalada corretamente e resfriada corretamente em cada disparo. Peças que medem corretamente, mas apresentam traços de pressão anormais, indicam instabilidade do processo que eventualmente produzirá defeitos.
Verificação de cristalinidadeé importante para PEEK e outros materiais semi{0}}cristalinos. A análise DSC em amostras de qualificação estabelece o nível de cristalinidade basal. As peças de produção podem ser verificadas-no local em relação a essa linha de base. Quando o processo de um fornecedor sofre desvios-intencionais ou não,-a cristalinidade costuma ser o primeiro indicador de que algo mudou.
Capacidade de processo estatísticorequer tamanhos de amostra calculados a partir do número de dimensões críticas e do nível de confiança exigido. Trinta-duas amostras para uma peça com três dimensões críticas no Cpk 1,33 não são suficientes. A matemática não é complicada, mas muitas vezes é feita de forma errada, resultando em estudos de capacidade que na verdade não demonstram capacidade.
Lendo propostas e identificando sinais de alerta
As cotações informam mais sobre a capacidade real de um fornecedor do que suas apresentações de capacidade.
As estimativas de prazo de entrega que parecem idênticas em diferentes complexidades de peças sugerem que o fornecedor não avaliou realmente seus requisitos específicos. Uma ferramenta simples de-cavidade única em aço P20 tem prazo de entrega diferente de uma ferramenta de quatro{3}cavidades em H13 com resfriamento conformal. Se a cotação disser “16 semanas” para ambos, alguém está usando um modelo em vez de fazer engenharia.
As especificações de material escritas como "PEEK ou equivalente" sem legenda de classificação indicam um fornecedor que planeja comprar a opção mais barata que se qualifica tecnicamente. Para aplicações estruturais, a diferença entre PEEK 450G e 150G não é trivial. Se a cotação não perguntar qual o grau, o fornecedor não entende a aplicação.
Quantidades do primeiro artigo em números redondos-exatamente 50, exatamente 100 - sugerem que o tamanho da amostra não foi calculado com base em seus requisitos de tolerância específicos. Os tamanhos das amostras de validação da capacidade do processo dependem do número de características críticas e do nível de confiança exigido. O cálculo raramente produz números redondos.
O preço por peça que diminui drasticamente em volumes que o programa nunca alcançará indica que o fornecedor está comprando o negócio com um número de título atraente. Se o seu volume anual for de 2.000 peças e a cotação mostrar um preço atraente de 10.000, esse preço é irrelevante. Veja o número que corresponde às suas necessidades reais.
Realidades do cronograma de desenvolvimento
Novos programas de moldagem por injeção aeroespacial exigem de 20 a 30 semanas desde o envolvimento inicial até peças qualificadas em circunstâncias normais. Esse cronograma inclui análise DFM, projeto de ferramentas, construção de ferramentas, desenvolvimento de processos, inspeção do primeiro artigo e documentação de qualificação.
As tentativas de compactar essa linha do tempo geralmente falham. A construção de ferramentas pode ser acelerada investindo dinheiro nela-horas extras, materiais premium e capacidade dedicada. O desenvolvimento de processos não pode ser compactado porque a física determina quanto tempo realmente levam testes de materiais, estudos de processos e execuções de qualificação. O aço esfria na mesma proporção em que esfria. O polímero cristaliza na taxa em que cristaliza.
Os programas que começam com cronogramas agressivos normalmente terminam mais tarde do que os programas que começaram com cronogramas realistas. O cronograma agressivo cria pressão para pular etapas de desenvolvimento do processo que deverão ser repetidas quando surgirem problemas na produção. Uma ferramenta que é enviada duas semanas antes, mas produz peças com taxa de refugo de 15%, não está realmente adiantada.
Os prazos de emergência para ferramentas qualificadas existentes são diferentes. A movimentação de ferramentas qualificadas entre instalações ou o reinício da produção após uma pausa pode acontecer em semanas, em vez de meses, porque o desenvolvimento do processo já ocorreu. Novos programas não têm essa opção.
Quando a moldagem por injeção não é a resposta
Algumas aplicações aeroespaciais não devem ser moldadas por injeção, independentemente da economia de volume.
Componentes com elevadores de tensão concentrados em orientações imprevisíveis apresentam desempenho inconsistente em termoplásticos{{0}reforçados com fibra. A orientação da fibra segue padrões de fluxo que dependem da localização da porta, da geometria da peça e da velocidade de preenchimento. A parte é forte onde as fibras se alinham com a tensão e fraca onde isso não acontece. Prever e controlar a orientação da fibra requer recursos de simulação e controles de processamento que agregam custos e complexidade.
Superfícies de vedação que exigem acabamentos além do que a moldagem pode alcançar precisam diretamente de usinagem secundária. Essa usinagem libera tensões residuais do processo de moldagem e pode causar alterações dimensionais em recursos medidos corretamente antes da usinagem. A combinação de moldagem e usinagem adiciona um acúmulo de tolerância-que a usinagem pura ou a moldagem pura evitam.
Peças que exigem montagem pós-{0}}molde com ajustes de interferência ou inserções-impressas precisam de estabilidade dimensional ao longo do tempo que alguns polímeros não conseguem fornecer. A fluência e o relaxamento de tensão em termoplásticos fazem com que os ajustes de interferência se afrouxem ao longo de meses ou anos. Projetos que funcionam perfeitamente em alumínio podem precisar de mudanças fundamentais para funcionar em plástico.
Tolerâncias geométricas muito restritas em peças grandes resultam em diferenças de expansão térmica entre o plástico e o equipamento de medição. Uma peça de plástico de 300 mm medida a 20 graus será mensuravelmente diferente a 35 graus. A definição das condições de medição torna-se parte da especificação dimensional e nem todas as instalações de inspeção podem manter os controles ambientais necessários.
Iniciando a conversa
Se houver um projeto de moldagem por injeção de plástico aeroespacial em sua mesa-novo desenvolvimento, problemas existentes com fornecedores, avaliação de conversão de metal-o caminho a seguir dependerá de onde você está no processo.
A seleção-de materiais no estágio inicial se beneficia das informações do fornecedor antes que a engenharia finalize as especificações. As implicações de fabricação da escolha do material afetam a economia do projeto de uma forma que as comparações das folhas de dados não conseguem capturar. Envolver potenciais fornecedores durante a seleção de materiais, e não depois, evita decisões de especificação que criam problemas posteriores.
Programas com projetos existentes precisam de avaliação de capacidade de fabricação antes de serem cotados. A análise DFM identifica problemas que, de outra forma, surgiriam durante a depuração da ferramenta ou no aumento da produção. O custo da análise é trivial comparado ao custo de modificações de ferramentas ou problemas de qualidade de produção.
As situações atuais dos fornecedores que não estão funcionando exigem uma avaliação honesta sobre se o problema pode ser resolvido com o fornecedor atual ou requer a qualificação de uma fonte alternativa. Às vezes, a resposta são melhorias de processo no fornecedor existente. Às vezes, a resposta é recomeçar com alguém que tenha a capacidade certa.
Lidamos com todas essas situações, mas nem todas se enquadram no que fazemos bem. A conversa inicial estabelece se há correspondência. Se houver, passamos para a cotação formal. Se não houver, nós o dizemos.
A base de fornecimento de moldagem por injeção de plástico aeroespacial varia de moldadores de commodities que esperam crescer no setor aeroespacial até instalações especializadas que se concentram exclusivamente no processamento de polímeros de alto{0}}desempenho. As certificações não distinguem entre eles de forma confiável. O preço não distingue entre eles de forma confiável. A capacidade só se torna aparente através de uma avaliação técnica detalhada ou, infelizmente, através de problemas de produção.
As perguntas deste artigo fornecem uma estrutura para essa avaliação. As respostas determinam se um fornecedor realmente tem o que seu programa exige-ou se sua proposta representa uma capacidade que ele ainda não desenvolveu.