A pesquisa estrangeira na área de materiais compósitos para transporte ferroviário vem acontecendo há quase meio século.Embora o rápido desenvolvimento do trânsito ferroviário e ferroviário de alta velocidade na China e a aplicação de materiais compósitos nacionais neste campo estejam em pleno andamento, a fibra reforçada de materiais compósitos amplamente utilizados no trânsito ferroviário estrangeiro é mais fibra de vidro, o que é diferente de o dos compósitos de fibra de carbono na China.Conforme mencionado neste artigo, a fibra de carbono representa menos de 10% dos materiais compósitos para carroceria desenvolvidos pela TPI Composites Company, e o restante é fibra de vidro, para que possa equilibrar o custo e ao mesmo tempo garantir leveza.A utilização massiva de fibra de carbono conduz inevitavelmente a dificuldades de custos, pelo que pode ser utilizada em alguns componentes estruturais importantes, como bogies.
Por mais de 50 anos, a Norplex-Micarta, fabricante de compósitos termoendurecíveis, tem tido um negócio estável fabricando materiais para aplicações de transporte ferroviário, incluindo trens, sistemas de frenagem de trilhos leves e isolamento elétrico para trilhos elétricos elevados.Mas hoje, o mercado da empresa está a expandir-se para além de um nicho relativamente estreito, para mais aplicações, como paredes, telhados e pisos.
Dustin Davis, diretor de desenvolvimento de negócios da Norplex-Micarta, acredita que o transporte ferroviário e outros mercados de transporte de massa proporcionarão cada vez mais oportunidades para sua empresa, bem como para outros fabricantes e fornecedores de compósitos, nos próximos anos.Existem várias razões para este crescimento esperado, uma das quais é a adoção europeia da norma contra incêndios EN 45545-2, que introduz requisitos mais rigorosos de proteção contra incêndio, fumo e gás (FST) para o transporte de massa.Ao utilizar sistemas de resina fenólica, os fabricantes de compósitos podem incorporar as propriedades necessárias de proteção contra fogo e fumaça em seus produtos.
Além disso, os operadores de ônibus, metrô e trens estão começando a perceber as vantagens dos materiais compósitos na redução da vibração ruidosa e da cacofonia.“Se você já esteve no metrô e ouviu o barulho de uma placa de metal”, disse Davis.Se o painel for feito de material compósito, ele silenciará o som e deixará o trem mais silencioso.”
O peso mais leve do compósito também o torna atraente para operadores de ônibus interessados em reduzir o uso de combustível e expandir sua autonomia.Num relatório de Setembro de 2018, a empresa de estudos de mercado Lucintel previu que o mercado global de compósitos utilizados no transporte de massa e veículos todo-o-terreno cresceria a uma taxa anual de 4,6% entre 2018 e 2023, com um valor potencial de mil milhões de dólares até 2023. As oportunidades virão de uma variedade de aplicações, incluindo peças externas, internas, capô e trem de força e componentes elétricos.
A Norplex-Micarta agora produz novas peças que estão sendo testadas em linhas ferroviárias leves nos Estados Unidos.Além disso, a empresa continua focada em sistemas de eletrificação com materiais de fibra contínua e os combina com sistemas de resina de cura mais rápida.“Você pode reduzir custos, aumentar a produção e trazer ao mercado todas as funcionalidades do FST fenólico”, explicou Davis.Embora os materiais compósitos possam ser mais caros do que peças metálicas similares, Davis diz que o custo não é o fator determinante da aplicação que eles estão estudando.
Leve e retardador de chamas
A reforma da frota de 66 vagões ICE-3 Express da operadora ferroviária europeia Duetsche Bahn é uma das capacidades dos materiais compósitos para atender às necessidades específicas dos clientes.O sistema de ar condicionado, sistema de entretenimento de passageiros e novos assentos adicionaram peso desnecessário aos vagões ICE-3.Além disso, o piso original de compensado não atendia aos novos padrões europeus contra incêndio.A empresa precisava de uma solução de piso que ajudasse a reduzir o peso e atendesse aos padrões de proteção contra incêndio.Pisos compostos leves são a resposta.
A Saertex, fabricante de tecidos compósitos com sede na Alemanha, oferece um sistema de material LEO® para seus pisos.Daniel Stumpp, chefe global de marketing do Grupo Saertex, disse que o LEO é um tecido em camadas e não ondulado que oferece propriedades mecânicas mais elevadas e maior potencial de leveza do que os tecidos.O sistema composto de quatro componentes inclui revestimentos especiais resistentes ao fogo, materiais reforçados com fibra de vidro, SAERfoam® (um material central com pontes de fibra de vidro 3D integradas) e resinas de éster vinílico LEO.
A SMT (também com sede na Alemanha), fabricante de materiais compósitos, criou o piso através de um processo de enchimento a vácuo usando sacos de vácuo de silicone reutilizáveis fabricados por Alan Harper, uma empresa britânica.“Economizamos cerca de 50% do peso do compensado anterior”, disse Stumpp.“O sistema LEO é baseado em laminados de fibra contínua com sistema de resina sem carga e com excelentes propriedades mecânicas... . Além disso, o compósito não apodrece, o que é uma grande vantagem, principalmente em áreas onde neva no inverno e no inverno. o chão está molhado."O piso, o carpete superior e o material de borracha atendem aos novos padrões de retardante de chama.
A SMT produziu mais de 32.000 pés quadrados de painéis, que foram instalados em cerca de um terço dos oito trens ICE-3 até o momento.Durante o processo de reforma, o tamanho de cada painel é otimizado para caber em um carro específico.O OEM do sedã ICE-3 ficou tão impressionado com o novo piso composto que encomendou um teto composto para substituir parcialmente a antiga estrutura metálica do teto dos vagões.
Ir além
A Proterra, uma designer e fabricante de ônibus elétricos com emissão zero com sede na Califórnia, usa materiais compósitos em todas as suas carrocerias desde 2009. Em 2017, a empresa estabeleceu um recorde ao dirigir 1.100 milhas só de ida em seu Catalyst carregado com bateria. ®Barramento E2.Esse ônibus apresenta uma carroceria leve feita pelo fabricante de compósitos TPI Composite.
* Recentemente, a TPI colaborou com a Proterra para produzir um ônibus elétrico composto tudo-em-um integrado.“Em um ônibus ou caminhão típico, há um chassi e a carroceria fica em cima desse chassi”, explica Todd Altman, diretor de marketing estratégico da TPI.Com o design rígido do ônibus, integramos o chassi e a carroceria, semelhante ao design do carro tudo-em-um." Uma estrutura única é mais eficaz do que duas estruturas separadas no atendimento aos requisitos de desempenho.
A carroceria de casco único do Proterra foi construída especificamente, projetada do zero para ser um veículo elétrico.Essa é uma distinção importante, disse Altman, porque a experiência de muitas montadoras e fabricantes de ônibus elétricos tem sido tentar tentativas limitadas de adaptar seus projetos tradicionais de motores de combustão interna a veículos elétricos."Eles estão pegando plataformas existentes e tentando empacotar o máximo de baterias possível. Isso não oferece a melhor solução sob nenhum ponto de vista.""Altmann disse.
Muitos ônibus elétricos, por exemplo, possuem baterias na parte traseira ou superior do veículo.Mas para o Proterra, o TPI é capaz de montar a bateria embaixo do ônibus.“Se você está adicionando muito peso à estrutura do veículo, você quer que esse peso seja o mais leve possível, tanto do ponto de vista de desempenho quanto de segurança”, disse Altman.Ele observou que muitos fabricantes de ônibus e automóveis elétricos estão agora voltando à prancheta para desenvolver projetos mais eficientes e direcionados para seus veículos.
A TPI celebrou um acordo de cinco anos com a Proterra para produzir até 3.350 carrocerias compostas de ônibus nas instalações da TPI em Iowa e Rhode Island.
Precisa personalizar
Projetar a carroceria do ônibus Catalyst exige que a TPI e a Proterra equilibrem constantemente os pontos fortes e fracos de todos os diferentes materiais para que possam atender às metas de custo e, ao mesmo tempo, alcançar o desempenho ideal.Altman observou que a experiência da TPI na produção de grandes pás eólicas com cerca de 60 metros de comprimento e pesando 25.000 libras torna relativamente fácil para eles produzir carrocerias de ônibus de 40 pés que pesam entre 6.000 e 10.000 libras.
A TPI consegue obter a resistência estrutural necessária utilizando seletivamente a fibra de carbono e retendo-a para reforçar as áreas que suportam maior carga.“Usamos fibra de carbono onde basicamente você pode comprar um carro”, disse Altman.No geral, a fibra de carbono representa menos de 10% do material composto de reforço da carroceria, sendo o restante fibra de vidro.
A TPI escolheu a resina éster vinílica por um motivo semelhante.“Quando olhamos para os epóxis, eles são ótimos, mas na hora de curá-los é preciso aumentar a temperatura, então é preciso aquecer o molde. É um gasto adicional”, continuou.
A empresa utiliza moldagem por transferência de resina assistida por vácuo (VARTM) para produzir estruturas sanduíche compostas que fornecem a rigidez necessária a uma única casca.Durante o processo de fabricação, alguns acessórios de metal (como acessórios roscados e placas roscadas) são incorporados ao corpo.O ônibus é dividido em partes superior e inferior, que depois são coladas.Posteriormente, os trabalhadores devem adicionar pequenos enfeites compostos, como carenagens, mas o número de peças é uma fração do ônibus de metal.
Depois de enviar a carroceria acabada para a fábrica de ônibus da Proterra, a linha de produção flui mais rápido porque há menos trabalho a ser feito.“Eles não precisam fazer toda a soldagem, retificação e fabricação e têm uma interface muito simples para conectar a carroceria ao sistema de transmissão”, acrescentou Altman.Proterra economiza tempo e reduz despesas gerais porque é necessário menos espaço de fabricação para a concha monocótica.
Altman acredita que a procura por carroçarias compostas continuará a crescer à medida que as cidades recorrem aos autocarros eléctricos para reduzir a poluição e cortar custos.Segundo o Proterra, os veículos elétricos a bateria têm o menor custo de ciclo de vida operacional (12 anos) em comparação com os ônibus a diesel, a gás natural comprimido ou híbridos a diesel.Essa pode ser uma das razões pelas quais a Proterra afirma que as vendas de autocarros eléctricos movidos a bateria representam agora 10% do mercado total de transportes.
Ainda existem alguns obstáculos à ampla aplicação de materiais compósitos em carrocerias de ônibus elétricos.Uma delas é a especialização das necessidades dos diferentes clientes de ônibus.“Cada autoridade de trânsito gosta de ter ônibus de uma maneira diferente – configuração de assentos, abertura de escotilha. É um grande desafio para os fabricantes de ônibus, e muitos desses itens de configuração poderiam ir para nós”."Altman disse. "Os fabricantes de carrocerias integradas querem ter uma construção padrão, mas se cada cliente quiser um alto grau de customização, será difícil fazer isso." A TPI continua a trabalhar com a Proterra para aprimorar o design do ônibus para melhor gerenciar a flexibilidade exigida pelos clientes finais.
Explore a possibilidade
A Composites continua testando se seus materiais são adequados para novas aplicações de transporte de massa.No Reino Unido, a ELG Carbon Fibre, especializada em tecnologia para reciclagem e reutilização de fibra de carbono, lidera um consórcio de empresas que desenvolvem materiais compósitos leves para bogies em automóveis de passageiros.O bogie sustenta a carroceria do carro, orienta o rodado e mantém sua estabilidade.Eles ajudam a melhorar o conforto de viagem, absorvendo as vibrações dos trilhos e minimizando a força centrífuga conforme o trem gira.
Um dos objetivos do projeto é produzir truques que sejam 50% mais leves do que truques metálicos comparáveis.“Se o bogie for mais leve, causará menos danos à pista e, como a carga na pista será menor, o tempo e os custos de manutenção poderão ser reduzidos”, afirma Camille Seurat, engenheira de desenvolvimento de produtos da ELG.Os objetivos adicionais são reduzir as forças das rodas lado-trilho em 40% e fornecer monitoramento das condições ao longo da vida.A organização sem fins lucrativos Rail Safety and Standards Board (RSSB) do Reino Unido está financiando o projeto com o objetivo de produzir um produto comercialmente viável.
Extensos testes de fabricação foram conduzidos e vários painéis de teste foram feitos usando pré-impregnados de prensagem, disposição úmida convencional, perfusão e autoclave.Como a produção dos truques seria limitada, a empresa escolheu o pré-impregnado de epóxi curado em autoclaves como o método de construção mais econômico.
O protótipo do bogie em tamanho real tem 8,8 pés de comprimento, 6,7 pés de largura e 2,8 pés de altura.É feito de uma combinação de fibra de carbono reciclada (almofadas não tecidas fornecidas pela ELG) e tecido de fibra de carbono bruto.As fibras unidirecionais serão utilizadas como elemento de resistência principal e serão colocadas no molde por meio de tecnologia robótica.Será selecionado um epóxi com boas propriedades mecânicas, que será um epóxi retardador de chama recém-formulado e certificado EN45545-2 para uso em ferrovias.
Ao contrário dos bogies de aço, que são soldados a partir de vigas de direção a duas vigas laterais, os bogies compostos serão construídos com diferentes partes superiores e inferiores que são então unidas.Para substituir os bogies metálicos existentes, a versão composta deverá combinar os suportes de conexão da suspensão e do freio e demais acessórios na mesma posição.“Por enquanto optamos por manter as conexões de aço, mas para futuros projetos pode ser interessante substituir as conexões de aço por conexões do tipo compósito para que possamos reduzir ainda mais o peso final”, disse Seurat.
Um membro do consórcio do Grupo de Sensores e Compósitos da Universidade de Birmingham está supervisionando o desenvolvimento do sensor, que será integrado ao bogie composto na fase de fabricação.“A maioria dos sensores se concentrará no monitoramento da tensão em pontos discretos do bogie, enquanto outros se concentrarão na detecção de temperatura”, disse Seurat.Os sensores permitirão o monitoramento em tempo real da estrutura composta, permitindo a coleta de dados de carga vitalícia.Isso fornecerá informações valiosas sobre pico de carga e fadiga de longo prazo.
Estudos preliminares indicam que os truques compostos devem ser capazes de atingir a redução de peso desejada de 50%.A equipe do projeto espera ter um grande bogie pronto para testes até meados de 2019.Se o protótipo funcionar conforme o esperado, eles produzirão mais truques para testar os bondes fabricados pela Alstom, empresa de transporte ferroviário.
De acordo com Seurat, embora ainda haja muito trabalho a ser feito, as primeiras indicações sugerem que é possível construir um truque composto comercialmente viável que possa competir com os truques metálicos em custo e resistência.“Então acho que há muitas opções e aplicações potenciais para compósitos na indústria ferroviária”, acrescentou ela.(Artigo reimpresso de Carbon Fiber and Its Composite Technology pelo Dr. Qian Xin).
Horário da postagem: 07 de março de 2023