BR102012021869A2 - Aparelho, método e mistura de material para fabricação digital direta de partes reforçadas com fibra - Google Patents

Abstract

APARELHO, MÉTODO E MISTURA DE MATERIAL PARA FABRICAÇÃO DIGITAL DIRETA DE PARTES REFORÇADAS COM FIBRA. A presente invenção refere-se á peça que é fabricada através da introdução de partículas magnéticas em um material de matriz, e orientação das partículas através do acoplamento delas com um campo eletromagnético. O material da matriz é solidificado em camadas modeladas, enquanto as partículas permanecem orientadas pelo campo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "APARELHO, MÉTODO E MISTURA DE MATERIAL PARA FABRICAÇÃO DIGITAL DI- RETA DE PARTES REFORÇADAS COM FIBRA".

INFORMAÇÃO GERAL 1. Campo Técnico:

A presente descrição refere-se de modo geral às técnicas de fa- bricação digital direta, em particular, métodos aditivos, e trata, mais particu- larmente, com um método e aparelho para a fabricação de partes de resina polimérica reforçadas com fibras, e a uma mistura de material que ser pode usada para construir as partes.

2. Antecedentes:

Fabricação digital direta (DDM), agora citada como Fabricação Aditiva (AM), é um processo que cria peças físicas diretamente a partir de um arquivo CAD 3D (Desenho Assistido por Computador), utilizando técni- cas de fabricação aditivas controladas por computador. Técnicas de fabrica- ção aditivas comuns incluem estereolitografia (SLA), modelagem por fusão e deposição (FDM), sinterização seletiva a laser (SLS) e impressão tridimensi- onal (3DP), para citar algumas. Cada um destes processos constrói uma parte sólida tridimensional, camada a camada, por fundir localmente ou curar materiais de construção que podem estar em forma de pó ou de líquido. Por exemplo, o processo de SLA constrói parte de uma camada de cada vez, utilizando um laser de UV e um tanque de resina fotopolimérica líquida curá- vel por UV. Para cada camada, o laser traça um padrão de seção transver- sal da peça sobre a superfície da resina líquida com base em um modelo de dados 3D CAD da peça. A exposição à luz laser UV cura e solidifica o pa- drão traçado sobre a resina e o adere à camada abaixo. Depois de um pa- drão ter sido traçado, uma plataforma de elevador desce por uma espessura de camada única, e uma lâmina cheia de resina varre através da seção da parte, recobrindo-a com material fresco. O processo continua camada a camada até que a peça esteja completa.

SLS usa um laser de alta potência para fundir pequenas partícu- las de plástico ou de metal, de cerâmica ou de pós de vidro dentro de uma massa que tem uma forma desejada em três dimensões. O laser funde sele- tivamente o material de construção em pó por varredura das seções trans- versais geradas a partir de uma descrição digital 3D (modelo CAD) da parte na superfície de um leito de pó. Depois de cada seção transversal é varrida, o leito de pó é abaixado em uma camada de espessura, uma nova camada de material é aplicada em cima, e o processo é repetido até que a peça este- ja completa.

O processo 3DP utiliza um algoritmo de corte para extrair infor- mações detalhadas de cada camada de um modelo CAD da peça. Cada camada começa com uma distribuição fina de pó espalhada sobre a superfí- cie de um leito de pó. Usando uma tecnologia semelhante à impressão por jato de tinta, um material Iigante une seletivamente as partículas onde o ob- jeto está a ser formado. Um pistão que suporta o leito de pó e a peça em andamento baixa de forma que a próxima camada de pó pode ser espalhada e seletivamente unida. Após o tratamento térmico, o pó solto é removido, deixando a parte fabricada.

A fim de reforçar as peças produzidas por técnicas de produção aditivas, partículas de reforço, normalmente fibras curtas moídas ou picadas, têm sido introduzidas nos pós ou resinas líquidas utilizadas para construir as peças. No entanto, as fibras são distribuídas aleatoriamente por toda a ma- triz de pó ou de resina e têm orientações aleatórias individuais. Por conse- guinte, estes reforços de fibra produzem uma armadura altamente anisotró- pica em relação ao eixo da máquina sobre a qual são construídos.

Por conseguinte, existe uma necessidade de um método e apa- relho para a fabricação digital direta de partes reforçadas com fibra nas quais as fibras de reforço podem ser orientadas seletivamente para propor- cionar um reforço isotrópico e resistência direcional na parte. Existe também uma necessidade de um método e de um aparelho que posicione e/ou alinhe fibras de reforço curtas ou outras partículas nos materiais de construção uti- Iizados em diversos processos de fabricação aditivos.

Sumário

De acordo com as modalidades descritas, um método e aparelho são fornecidos para fabricação digital direta de partes reforçadas com fibra que controlem a orientação e/ou posição dos materiais fibrosos de reforço utilizados nos materiais de construção. A posição e / ou a orientação de fi- bras de reforço curtas é influenciada pelo acoplamento das fibras com cam- pos magnéticos controlados enquanto uma fonte de energia solidifica seleti- vamente o material da matriz circundante. A orientação das fibras é contro- lada pela consideração da dimensão do tempo durante o processo de cons- trução, juntamente com três coordenadas espaciais cartesianas e um vetor para cada volume (também conhecido como voxel = dimensão do volume 3D que é paralela a um pixel) para a orientação das fibras. Controle digital da posição e / ou orientação das fibras de reforço resulta em desempenho mecânico e/ou elétrico melhorado e/ou nas características das peças.

De acordo com uma modalidade apresentada, um método é for- necido para a fabricação de uma peça, compreendendo o fornecimento de partículas magnéticas e introduzindo as partículas magnéticas em um mate- rial da matriz. O método inclui ainda orientar as partículas no material de matriz pelo acoplamento das partículas dentro de um campo eletromagnéti- co, e solidificar o material da matriz, enquanto as partículas são orientadas. O acoplamento das partículas com um campo eletromagnético inclui o posi- cionamento de pelo menos um par de eletroímãs adjacentes ao material da matriz, alinhando os eletroímãs, e usando os eletroímãs para gerar o campo eletromagnético. A orientação das partículas pode incluir o alinhamento das partículas na direção pretendida e/ou a movimentação das partículas para formar uma característica da parte dentro do material da matriz. A cura do material da matriz pode ser efetuada utilizando um feixe de energia. O fornecimento das partículas inclui o revestimento de fibras sintéticas alonga- das com um metal magnético e/ou formação de feixes de fibras sintéticas e envolver ou revestir de cada feixe com metal magnético. O material da ma- triz pode compreender um pó e o material da matriz pode ser solidificado por sinterização do pó.

De acordo com outra modalidade, é fornecido um método de fa- bricação de uma peça de composto reforçado com fibra. O método compre- ende o fornecimento de uma camada de resina de polímero líquida e de fi- bras de reforço magnéticas em suspensão na resina líquida. O método in- clui ainda a geração de um campo eletromagnético utilizando o campo ele- tromagnético para orientar as fibras dentro da resina líquida, e utilizando um feixe de energia para curar a resina líquida. O método compreende ainda mover o feixe de energia e o campo eletromagnético sobre a camada de re- sina líquida para orientar as fibras e curar a resina em um padrão desejado dentro da camada de resina líquida. A utilização de um feixe de energia pa- ra curar a resina líquida pode ser realizada usando um laser ultravioleta con- trolado por computador para varrer a camada para curar seletivamente par- tes da camada.

De acordo ainda com outra modalidade, é fornecido um método de fabricação digital direta para produzir uma peça. O método compreende o fornecimento de uma mistura de um material da matriz e alongar fibras de reforço que exibem propriedades magnéticas e utilizando um feixe de ener- gia controlada digitalmente para curar seletivamente partes da resina de po- límero, camada a camada, com base em uma definição digital da peça. O método compreende ainda a utilização de um campo de energia para alinhar as fibras magnéticas, pelo menos, nas partes a serem curadas pelo feixe de energia. A utilização do campo de energia para alinhar as fibras pode ser realizada utilizando eletroímãs. O material da matriz pode ser um pó e a solidificação do material da matriz pode ser realizada por sinterização do pó. O material da matriz pode ser uma resina líquida e as fibras podem ser sus- pensas na resina líquida. As fibras podem ser fibras cortadas ou moídas, que incluem pelo menos uma de vidro, aramida e carbono. A resina pode ser um pó de poliamida.

De acordo com uma modalidade adicional, uma mistura de ma- terial é fornecida para utilização em um processo de produção aditiva para fabricar uma peça. A mistura compreende um material da matriz que pode ser solidificado seletivamente, e partículas magnéticas. As partículas magné- ticas podem incluir pelo menos uma de aramida, vidro e fibras de carbono com um revestimento magnético, e o material da matriz pode ser um pó po- limérico, um líquido foto-polimérico, um metal em pó, e microesferas vítreas. O material da matriz é um pó polimérico presente na mistura em uma quan- tidade compreendida entre aproximadamente 50% e 90% do peso, e as par- tículas magnéticas podem incluir um de fibras cortadas tendo um compri- mento aproximado entre 3 e 6 mm, e fibras moídas tendo um comprimento aproximado entre 50 e 500 mícron. As partículas magnéticas podem incluir feixes de fibras de reforço não magnéticas, e uma camada de material mag- nético em torno de cada um dos feixes.

De acordo com outra modalidade, é fornecido um aparelho para a fabricação digital direta de uma peça. O aparelho compreende um supri- mento de um material de matriz contendo as partículas magnéticas, um feixe de energia para solidificar seletivamente o material da matriz camada a ca- mada, para formar a peça, eletroímãs para orientar as partículas magnéticas no espaço tridimensional no interior da matriz, e um controlador para contro- lar o feixe de energia e os eletroímãs com base em uma definição digital da peça. Os eletroímãs são dispostos em pares alinhados gerando um campo eletromagnético acoplado com as partículas magnéticas na matriz, e o con- trolador sincroniza a operação do feixe de energia com a orientação das par- tículas pelos eletroímãs.

Em resumo, de acordo com um aspecto da invenção é fornecido um método de fabricação de uma peça, incluindo: fornecimento de partí- culas magnéticas; introdução das partículas magnéticas em um material de matriz; orientação das partículas no material de matriz através do acopla- mento das partículas com um campo eletromagnético; e a cura do material da matriz, enquanto as partículas estão orientadas.

Vantajosamente, o método em que o acoplamento das partículas com um campo eletromagnético inclui o posicionamento de pelo menos um par de eletroímãs adjacentes ao material da matriz, incluindo alinhamento dos eletroímãs em relação um com o outro, e usando os eletroímãs para gerar o campo eletromagnético.

Vantajosamente, o método em que a orientação das partículas compreende o reposicionamento das partículas no interior do material da matriz.

Vantajosamente, o método em que a orientação das partículas compreende o alinhamento das partículas em uma direção desejada.

Vantajosamente, o método inclui ainda o uso do campo eletro- magnético para formar uma característica da peça através do reposiciona- mento das partículas magnéticas.

Vantajosamente, o método em que o fornecimento das partícu- las compreende o revestimento de fibras sintéticas alongadas com um metal magnético.

Vantajosamente, o método em que o fornecimento das partícu-

las compreende a formação de feixes de fibras sintéticas e o envolvimento de cada um dos feixes com um metal magnético.

Vantajosamente, o método em que o material da matriz é um pó e a cura é realizada por sinterização do pó. De acordo com outro aspecto da invenção é fornecido um méto-

do de fabricação de uma peça de composto reforçada com fibra, incluindo o fornecimento de uma camada de resina polimérica líquida; suspendendo fibras de reforço magnéticas na resina líquida; geração de um campo ele- tromagnético utilizando o campo eletromagnético para orientar as fibras den- tro da resina líquida, e utilizando um feixe de energia para curar a resina lí- quida.

Vantajosamente, o método compreende ainda mover o feixe de energia e o campo eletromagnético sobre a camada de resina líquida para orientar as fibras e curar a resina em um padrão dentro da camada de resina líquida.

Vantajosamente, o método em que a geração do campo magné- tico é realizada utilizando, pelo menos, dois eletroímãs alinhados.

Vantajosamente, o método em que as fibras incluem um material substancialmente não-magnético rodeado por um material magnético. Vantajosamente, o método em que se usa um feixe de energia

para curar a resina líquida é realizado usando um laser ultravioleta controla- do por computador para varrer a camada e para curar seletivamente partes da camada.

De acordo com um aspecto adicional da presente invenção é fornecido um método de fabricação digital direta para a produção de uma peça, incluindo o fornecimento de uma mistura de um material de matriz e alongar fibras de reforço que exibem propriedades magnéticas; utilizando um feixe de energia controlado digitalmente para solidificar seletivamente partes do material da matriz, camada a camada, com base em uma definição digital da peça; e utilizando um campo de energia para alinhar as fibras magnéticas no espaço tridimensional. Vantajosamente, o método em que se usa um campo de energia

para alinhar as fibras é realizado utilizando eletroímãs.

Vantajosamente, o método em que o material da matriz é um pó e a solidificação do material da matriz é realizada por sinterização do pó.

Vantajosamente, o método em que o material da matriz é uma resina de polímero líquida e as fibras estão em suspensão na resina líquida.

De acordo ainda com outro aspecto da presente invenção é for- necida uma mistura de material para utilização em um processo de fabrica- ção aditiva para fabricar uma peça, incluindo um material de matriz que pode ser solidificado seletivamente, e partículas magnéticas. Vantajosamente, a mistura em que as partículas magnéticas in-

cluem pelo menos uma de aramida, vidro e fibras de carbono possuindo um revestimento magnético.

Vantajosamente, a mistura, em que o material da matriz é um de um pó polimérico, um líquido foto-polimérico, um metal em pó, e micro- esferas vítreas.

Vantajosamente, a mistura, em que o material da matriz é um pó polimérico presente na mistura em uma quantidade entre aproximadamente 50% e 90% do peso.

Vantajosamente, a mistura em que as partículas magnéticas in- cluem uma de fibras picadas tendo um comprimento aproximadamente entre 3 e 6 mm, e de fibras moídas que têm um comprimento de aproximadamente entre 50 e 500 mícron. Vantajosamente, a mistura em que as partículas magnéticas in- cluem feixes de fibras de reforço não magnéticas, e uma camada de material magnético em torno de cada um dos feixes.

De acordo com outro aspecto da presente invenção, proporcio- na-se um aparelho para a fabricação digital direta de uma parte, incluindo: um suprimento de um material de matriz contendo as partículas mag- néticas; um feixe de energia para solidificar seletivamente o material da ma- triz camada a camada; para formar a peça; eletroímãs para orientar as partí- culas magnéticas no espaço tridimensional no interior da matriz; e um con- trolador para controlar o feixe de energia e os eletroímãs com base em uma definição digital da peça.

Vantajosamente, o aparelho em que os eletroímãs são dispostos em pares alinhados gerando um campo eletromagnético acoplando o campo com as partículas magnéticas na matriz, e o controlador sincroniza a opera- ção do feixe de energia com a orientação das partículas pelos eletroímãs.

As características, funções e vantagens podem ser conseguidas de forma independente em várias modalidades da presente revelação ou podem ser combinadas, no entanto em outras modalidades nas quais deta- lhes adicionais os quais podem ser vistos com referência à seguinte descri- ção e desenhos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Os novos atributos considerados característicos das modalida- des vantajosas estão estabelecidos nas reivindicações anexas. As concreti- zações vantajosas, contudo, bem como um modo preferido de utilização, objetivos adicionais e vantagens da mesma, serão mais bem compreendidos por referência à seguinte descrição detalhada de uma modalidade vantajosa da presente descrição, quando lida em conjuntamente com os desenhos a- nexos, em que:

A figura 1 é uma ilustração de um bloco combinado e vista es- quemática de um aparelho para a produção digital direta de uma peça refor- çada com fibra utilizando um foto-polímero.

A figura 1A é uma ilustração da área designada como figura 1A na figura 1, mostrando a interseção dos campos magnéticos alinhados pro- duzidos pelo aparelho da figura 1.

A figura 2 é uma ilustração de uma vista em perspectiva de uma fibra magnética de reforço.

A figura 3 é uma ilustração de uma vista em perspectiva de um

feixe de fibras de reforço rodeadas por uma cobertura magnética externa.

A figura 4 é uma ilustração de uma camada que compreende uma mistura de uma matriz de pó seco e fibras de reforço magnéticas orien- tadas aleatoriamente. A figura 5 é uma ilustração semelhante à da figura 4, mas, que

mostra que as fibras têm sido orientadas dentro da matriz de pó em alinha- mento unidirecional pelos campos eletromagnéticos.

A 6 é uma ilustração semelhante à da figura 5, mas, que mostra que as fibras têm sido derretidas e curadas, ou fundidas com as fibras orien- tadas remanescentes.

A figura 7 é uma ilustração de um diagrama de fluxo de um mé- todo de fabricação digital direta das peças reforçadas com fibra.

A figura 8 é uma ilustração de uma vista lateral de uma modali- dade do aparelho em relação a uma camada de peça sendo formada a partir de uma mistura de fibras magnéticas e pó seco.

A figura 9 é uma ilustração de um bloco combinado e vista em seção transversal de uma outra modalidade do aparelho mostrando que uma peça reforçada com fibra tem sido totalmente formada.

A figura 10 é uma ilustração de uma vista em planta de uma dis- posição de eletroímãs que podem ser utilizados para gerar campos magnéti- cos eletromagnéticos em concretizações mostradas nas figuras 1, 8 e 9.

A figura 11 é uma ilustração de uma vista de topo esquemática de um sistema de pórtico para orientar os eletroímãs em relação a um eixo da máquina.

A figura 12 é uma ilustração de uma camada de resina líquida na

qual as fibras magnéticas de reforço são suspensas antes de ser submetidas a um campo eletromagnético. A figura 13 é uma ilustração semelhante à da figura 12, mas de- pois de um campo eletromagnético ser aplicado, mostrando as fibras magné- ticas de reforço tendo migrado para os limites exteriores da parte para for- mar uma superfície externa contínua, eletricamente condutora sobre uma camada curada.

A figura 14 é uma ilustração semelhante à figura 13, mas, que mostra as fibras tendo sido posicionadas por um campo eletromagnético pa- ra formar um condutor elétrico interno.

A figura 15 é uma ilustração da área designada como figura 15 na figura 14, mostrando as fibras alinhadas extremo com extremo para for- mar o condutor.

figura A figura 16 é uma ilustração de um diagrama de fluxo de uma produção de aeronaves e metodologia de manutenção.

A figura 17 é uma ilustração de um diagrama de blocos de uma

aeronave.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Fazendo referência em primeiro lugar à figura 1, o aparelho 20 para a fabricação de uma peça 22 usando uma técnica de fabricação digital direta der maneira geral compreende uma cabeça 34 que se move sobre uma mesa 26 dentro de um tanque 32 que contém um material de constru- ção adequado 24, qual no exemplo ilustrado, é uma resina de polímero líqui- da. O material de construção 24, a qual será daqui em diante citado como uma "matriz" ou "material de matriz", pode compreender qualquer um de uma variedade de materiais curáveis, ligáveis ou fundíveis, dependendo da aplicação e do processo de aditivo a ser utilizado, incluindo, mas não se limi- tando a plásticos termoendurecíveis tais como resinas epóxi ou de poliéster, de metais tais como Al, Ti, Fe, e Ni, cerâmicas, tais como Si, AI2So3, SiC, e termoplásticos, tais como poliamida, Poli (aril-éter-cetona), sulfureto de poli- fenileno, Poliftalamida e micro-esferas vítreas, para citar apenas alguns. A mesa 26 pode ser elevada ou baixada 30, dentro do tanque 32

por um pistão 28 ou outro mecanismo apropriado, ao longo de um eixo cen- tral da máquina 35. Em uma modalidade, o material de matriz 24 pode com- preender uma resina de foto-polímero possuindo uma viscosidade entre a- proximadamente 100 e 2000 cps, que é seletivamente solidificada em cama- das seqüenciais 42 usando um laser UV (ultravioleta) 33 sobre a cabeça 34, que dirige um feixe de laser de UV 38 sobre a resina líquida. Dependendo do material de matriz em particular 24 e processo aditivo sendo utilizado, outros feixes de energia podem ser utilizados para curar ou fundir o material de ma- triz 24, tais como, sem limitação, um feixe de luz infravermelha (IR) ou um feixe de elétrons. Partículas magnéticas, tais como, sem limitação, fibras de reforço picadas ou moídas 25 são misturadas e suspensas dentro do materi- al de matriz 24, formação de uma mistura que pode ou não pode ser subs- tancialmente homogênea. Partículas magnéticas diferentes, ou além das fibras 25 podem ser misturadas dentro do material de matriz 24 para obter as características desejadas da peça. Como usado neste documento, "par- tículas magnéticas", "fibras magnéticas" e "materiais magnéticos" referem-se às partículas, fibras ou outros materiais que produzem um campo magnético em resposta a um campo magnético aplicado, e, particularmente, a materiais que são ferromagnéticos ou ferrimagnéticos.

As fibras 25 podem compreender um metal magnético ou uma combinação de um ou mais metais magnéticos ou ligas de metais e materi- ais não magnéticos, tais como, sem limitação, um polímero, vidro ou um mi- neral. Metais adequados incluem, sem limitação, Fe, Ni, Co, e as suas ligas, para citar apenas alguns. As fibras 25 podem elas próprias compreender imãs permanentes, e a peça resultante 22 pode compreender um composto magnético permanente. A relação de aspecto (proporção comprimento para diâmetro) das fibras 25 pode ser selecionada de acordo com a aplicação particular, o material de matriz 24, força do campo eletromagnético e do pro- cesso aditivo sendo utilizado, bem como de outras variáveis, tal como a vis- cosidade do material de matriz. Geralmente, no entanto, pode ser desejável selecionar fibras tendo uma relação de aspecto relativamente elevada, a fim de minimizar a resistência magnética do circuito magnético formado pelas fibras 25 e os campos eletromagnéticos 40. O conteúdo da fibra 25 na mistu- ra pode ser em uma fração de volume na faixa de aproximadamente 20% a 50%. Num exemplo, as fibras 25 podem compreender fibras sintéticas corta- das tendo um comprimento aproximadamente entre 3 mm e 6 mm que são revestidas com um metal magnético. Num outro exemplo, as fibras 25 po- dem ser fibras moídas tendo um comprimento entre 50 e 500 mícron as quais são também revestidas com um metal magnético. Em uma outra mo- dalidade prática, o material de matriz compreende um pó polimérico presen- te na mistura em uma quantidade entre aproximadamente 20% e 99% do peso, mas de preferência entre 50% e 90% do peso.

A cabeça 34 inclui, além disso, um ou mais pares de eletroímãs 36, que estão alinhados uns com os outros em relação a um eixo de máqui- na 35 para gerar campos eletromagnéticos 40, os quais, como mostrado na figura 1A, cooperam para orientar as fibras de reforço 25 em uma direção desejada, a fim de endurecer a parte 20 ao longo de uma direção desejada, tais como, por exemplo, geralmente paralela ao eixo da máquina 35 (figura 1). As fibras magnéticas 25 alinham-se a si mesmas de tal modo que os seus eixos longitudinais 54 estão alinhados com as linhas de força 37 dos campos 40, de modo a minimizar a sua resistência magnética. Os campos eletromagnéticos 40 podem também ser usados para posicionar as fibras 25 movendo-as para uma região desejada (não mostrado) dentro da matriz 24, como será discutido mais tarde em maior detalhe. Os eletroímãs 36 contro- lam a orientação e/ou a posição das fibras 24 no espaço tridimensional e no tempo no que diz respeito à aplicação da energia usada para solidificar o material de matriz. O laser de 33, a cabeça 34 e os eletroímãs 36 são aco- plados a uma fonte de alimentação adequada 44 e são controlados por um controlador 45. A forma e/ou orientação dos campos 40 podem depender da posição e/ou orientação dos eletroímãs 36, bem como o tipo, tamanho e/ou a densidade das fibras magnéticas 25.

Controlador 45 pode compreender um computador programado que acessa uma definição digital 3D da parte 22, como um arquivo CAD1 desde o armazenamento de arquivo eletrônico 48. O controlador de 45 usa o arquivo CAD 3D para controlar o movimento da cabeça 34, sincronizado com a operação do laser 33 e os eletroímãs 36 para orientar e / ou posicio- nar as fibras magnéticas 25, e para seletivamente solidificar, ligar ou fundir partes de cada uma das camadas 42 da resina 24 para produzir a peça 22. Conforme cada camada 42 da peça 22 é completada, a mesa 26 é abaixada, e a cabeça 34 prossegue para formar a camada seguinte 42 da parte 22.

Enquanto o laser 33 e os eletroímãs 36 são móveis, juntamente com a cabe- ça 34 no exemplo mostrado na figura 1, em outras modalidades discutidas abaixo, eles podem em vez disso ser montados de forma estacionária.

Como mencionado acima, as fibras 25 podem compreender uma combinação de materiais metálicos magnéticos e não magnéticos. Por e- xemplo, fazendo referência à figura 2, as fibras 25 podem compreender um núcleo 50 de fibra sintética de alta resistência tal como, sem limitação, uma fibra de carbono, rodeada por uma cobertura de metal magnético ou o reves- timento 52, que pode conter, sem limitação, Ni ou liga de Ni. Outros reves- timentos magnéticos são possíveis. A figura 3 ilustra uma forma alternativa da fibra magnética 25a compreendendo uma pluralidade de fibras poliméri- cas individuais 50 disposta em um feixe 56, que está rodeado por uma ca- mada magnética exterior 52 de um metal magnético adequado ou liga metá- lica. Como mostrado na figura 1A, quando acoplada com os campos mag- néticos alinhados 40 produzidos pelos eletroímãs 36 (figura 1), os campos 40 orientam as fibras 25, 25a tal como seus eixos longitudinais 54 são ali- nhados substancialmente paralelos um ao outro e em paralelo às linhas de força 37 dos campos 40.

O método e aparelho descritos podem ser usados para fabricar peças reforçadas com fibras em que o material de matriz 24 é fornecido em forma de pó, em vez de como uma resina líquida, conforme mostrado na figura 1. Por exemplo, a figura 4 ilustra uma parte de uma camada 42 que compreende uma matriz 24 de partículas de pó seco ou grânulos 60 na qual as fibras magnéticas 25 (ou outras partículas magnéticas) são misturadas de forma homogênea ou não-homogênea. As fibras 25 têm orientações geral- mente aleatórias.

Fazendo referência à figura 5, quando campos eletromagnéticos 40 (figura 1), são aplicados à matriz 24, as fibras 25 orientam-se elas mes- mas em alinhamento unidirecional no interior das partículas de pó seco 60. Então, como mostrado na figura 6, as partículas de pó seco 60 são transfor- madas em uma matriz sólida 24 em torno das fibras alinhadas 25. Depen- dendo do processo aditivo em particular a ser utilizado, esta transformação pode ser conseguida através da cura, fusão ou ligação do material da matriz 24. Onde as partículas de pó 60 são um polímero, podem ser fundidas em um líquido utilizando calor, e, em seguida, curadas por um feixe de energia tal como um feixe de laser 38 (figura 1). Onde as partículas de pó 60 são de vidro, cerâmica ou um metal ou de uma liga metálica, elas podem ser fundi- das em conjunto na forma de um sólido por sinterização, utilizando um feixe de energia, tais como o feixe de laser 38 para fundir juntas pelo menos as camadas exteriores (não mostrado) das partículas 60. Alternativamente, as partículas de pó 60 podem ser transformadas em um sólido utilizando um processo de impressão em 3D no qual as partículas de pó são seletivamente unidas entre si pela impressão de um aglutinante (não mostrada) em áreas selecionadas de uma camada 42 do material de matriz 24, que liga as partí- culas 60 em conjunto.

Aqui deve notar-se que, enquanto as fibras 25 podem ser orien- tadas usando os campos magnéticos 40 antes que as partículas de pó 60 sejam transformadas em um sólido ou líquido tal como acima descrito em relação com as figuras 4 e 5 possa ser possível a orientá-las durante o pro- cesso de transformação. Por exemplo, e sem limitação, em que as partícu- las de pó 60 sejam de uma resina polimérica, as fibras 25 podem ser orien- tadas depois das partículas de pó 60 ser fundidas em um líquido, porém, antes do polímero líquido ser curado em um sólido.

Fazendo referência agora à figura 7, um método de fabricação direta de uma peça 22 de acordo com as modalidades descritas começa no passo 62 no qual as partículas magnéticas são fornecidas, tal como as fibras magnéticas de reforço 25. Como discutido anteriormente, as fibras de refor- ço 25 podem ser fabricadas por revestimento ou envolvendo uma ou mais fibras não-magnéticas com um material magnético. No passo 64, as partícu- las magnéticas 25 são introduzidas no material de matriz, através da mistura de fibras de reforço magnéticas 25. No passo 66, as partículas magnéticas no material de matriz podem ser orientadas através do acoplamento de um ou mais campos eletromagnéticos 40 com as partículas magnéticas 25. A elevação de uma mesa de apoio da peça 22 é ajustada no passo 68 para apresentar uma camada 42 do material de matriz 24 e fibras 25, após o que, no passo 70, características da peça 22 são formadas usando um feixe de energia, para solidificar as áreas selecionadas da camada 42, enquanto que as partículas magnéticas permanecem orientadas. Passos 68 e 70 são re- petidos até que todas as camadas 42 da peça 22 tenham sido formadas. Como observado anteriormente, o passo 66 no qual as partículas 25 são orientadas pode ser realizado substancialmente de forma simultânea com o passo 70.

A figura 8 ilustra uma modalidade alternativa do aparelho 20a na qual um laser de fibra 33, juntamente com uma matriz de quatro eletroímãs 36 estão montados sobre uma cabeça móvel 34. Os eletroímãs 36 são dis- postos em matrizes de emparelhadas alinhadas axialmente de tal forma que cada par de eletroímãs 36 produz um campo magnético 40 que é acoplado com uma área de 76 da camada 42 que está sendo solidificada por um feixe de energia 38 produzida pelo laser de fibra 33. Neste exemplo, uma camada 58 constituída por pó seco 60 e as partículas magnéticas 25 está sendo se- letivamente fundida. A área mostrada em 76 está no processo de ser derre- tida e fundida por um feixe de laser 38 produzido pelo laser de fibra 33, e as partículas magnéticas 25 são orientadas em alinhamento unidirecional pelos eletroímãs 36 conforme o pó 60 está sendo derretido e fundido. A cabeça 34 é movida sobre a camada 58, controlada pelo controlador 45 (figura 1) baseada em uma definição de parte digital 3D, de tal modo que os padrões (não mostrados) sobre as camadas sucessivas 76 da camada 58 são fundi- dos e solidificados. A fusão do pó 24, e, deste modo, a taxa de desloca- mento da cabeça 34 devem ser sincronizadas com o tempo necessário para orientar ou re-posicionar as partículas magnéticas 25. Este sincronismo de- pende de certo número de variáveis, incluindo a força do campo magnético e da viscosidade do pó 24 conforme este está sendo fundido. A figura 9 ilustra uma outra forma de realização 20b do aparelho que evita a necessidade da cabeça móvel 34 utilizada na concretização mostrada nas figuras 1 e 8. Um laser 33 gera um feixe de laser 38 que é controlado por um scanner 78 e refletor 80 para digitalizar padrões sucessi- vos (não mostrados) sobre as camadas 42 de um material de matriz o qual pode incluir partículas magnéticas 25. Nesta concretização, os eletroímãs 36 são montados de forma estacionária em torno da mesa 26, e são contro- lados pelo controlador 45 (figura 1) para produzir campos eletromagnéticos 40, que orientam as partículas magnéticas, aqui mostradas como fibras de reforço 25, conforme desejado. Neste exemplo, a peça 22 tem um corpo geralmente cilíndrico 82a, e um diâmetro reduzido, topo geralmente cilíndrico 82b conectado por um gargalo cônico 82cs. Como discutido anteriormente, a parte 82 é formada camada por camada, 42 pela fabricação aditiva usando uma definição digital em 3D da peça 22. O material de matriz solidificado 24 formando as camadas 42 do corpo 22 tem fibras magnéticas de reforço 25 que estão alinhadas em geral de forma normal ao eixo da máquina 35, en- quanto que as fibras magnéticas de reforço 25 nas camadas 42 do de topo 22b estão alinhadas substancialmente em paralelo com o eixo de máquina 35. No gargalo cônico 22c da parte 82, pelo menos, algumas das fibras de reforço 25 podem ser alinhadas para se adaptar ao contorno cônico do pes- coço 82c. Assim, pode ser apreciado que a força e/ou a localização dos campos eletromagnéticos 40 produzidos por eletroímãs 36 pode ser alterada de modo a mudar a orientação e/ou a posição das fibras magnéticas de re- forço 25 conforme a parte 82 é fabricada camada a camada 42. O número, alinhamento e Iayout dos eletroímãs 36 podem variar

de acordo com a aplicação. Por exemplo, e sem limitação, a figura 10 ilustra um conjunto circular de dois níveis de eletroímãs 36 ao redor da máquina 35. A matriz mostrada na figura 10 pode fornecer flexibilidade adicional na for- mação e alterando a localização e/ou geometria dos campos eletromagnéti- cos 40 o qual pode permitir que as fibras magnéticas 25 sejam orientadas em diferentes ângulos conforme cada camada da parte é formada.

A figura 11 ilustra um outro arranjo que pode fornecer flexibilida- de na formação e alterando a localização e/ou geometria dos campos ele- tromagnéticos 40. Um ou mais pares de eletroímãs 36 podem ser montados sobre um pórtico ou outra estrutura 55, que permite que os eletroímãs 36 sejam girados 34 em torno do eixo da máquina 35 e/ou de serem transferi- dos junto a ambos os eixos x, y mutuamente ortogonais 82. Alterando a po- sição e/ou orientação dos eletroímãs 36 deste modo podem ser utilizados para dirigir os campos eletromagnéticos 40 e desse modo controlar a orien- tação e/ou a posição das fibras magnéticas 25 dentro da matriz 24. O ali- nhamento e/ou posicionamento das fibras 25 também pode ser controlado através do controle da força dos campos 40 produzidos pelos eletroímãs 36.

Os campos eletromagnéticos 40 utilizados para orientar as partí- culas magnéticas, tais como as fibras magnéticas 25, também podem ser usados para formar as características de uma peça 22, alterando a posição das 25 fibras na peça 22. Por exemplo, a figura 12 ilustra uma camada 42 de material de matriz contendo 24 fibras magnéticas condutoras de eletricidade 25. Os campos de força eletromagnética 40 (figura 1) podem ser aplicados à mistura de material da matriz 24 e às fibras 25 de uma maneira que faz tanto que as fibras 25 se alinhem unidirecionalmente, como mover-se 88 para os limites exteriores 86 da camada 42. Como mostrado na figura 13, o reposi- cionamento das fibras 25 para os limites externos 86 resulta em uma acumu- lação de fibras 25 para formar uma camada metálica externa contínua 90 sobre a camada solidificada 42 a qual é eletricamente condutora. Tais ca- madas eletricamente condutoras 90 podem ser úteis para uma ampla gama de aplicações, tais como, sem limitação, proteção contra impacto de raio nas superfícies de aeronaves (não mostrado).

A atenção é agora dirigida para a figura 14 a qual ilustra um e- xemplo adicional no qual os campos eletromagnéticos 40 podem ser utiliza- dos em processos de fabricação aditiva para formar as características da peça Neste exemplo, um condutor elétrico contínuo 90 é formado interna- mente dentro de uma camada 42 de material de matriz 24, usando os cam- pos eletromagnéticos 40 para mover 88 as partículas magnéticas 25, as quais podem ser fibras metálicas 25, no interior do material da matriz 24. Conforme as fibras 25 são reposicionadas e se movem em conjunto sob a influência dos campos 40, elas também são orientadas em um alinhamento unidirecional. A figura 15 é uma vista ampliada de uma parte do condutor mostrado na figura 14. Os campos eletromagnéticos 40 alinham as fibras 25 extremo com extremo e as posicionam lado a lado. Um ligeiro espaçamento é mostrado entre as fibras 25 na figura 15 para mostrar a sua relação com respeito à outra, no entanto elas estão, na realidade, em contato elétrico de extremo a extremo e lado a lado quando totalmente orientadas e posiciona- das.

Modalidades da descrição podem encontrar utilização em uma

variedade de aplicações potenciais, especialmente na indústria de transpor- te, incluindo, por exemplo, aeroespacial, marítima, aplicações em automó- veis e outras aplicações onde podem ser usados equipamentos automáticos de moldagem. Deste modo consultando agora as figuras 16 e 17, as moda- Iidades da descrição podem ser utilizadas no contexto de uma fabricação de aeronaves e método de manutenção 94 conforme mostrado na figura 16 e uma aeronave 96 como mostrado na figura 17. Aplicações em aeronaves das modalidades descritas podem incluir, por exemplo, sem limitação, esco- tilhas, capas, reforços, revestimentos e outras peças. Durante a pré- produção, o método exemplificativo 94 pode incluir a especificação e o proje- to 98 da aeronave 96 e a aquisição de material 100. Durante a produção, ocorre a fabricação de componente e subconjunto 102 e integração de sis- tema 104 da aeronave. Posteriormente, a aeronave 96 pode passar por certificação e entrega 106, a fim de ser colocada em serviço 108. Enquanto em serviço por um cliente, a aeronave 96 está programada para manutenção de rotina e revisão 110 o qual pode incluir também modificação, reconfiguração, remodelação, e assim por diante.

Cada um dos processos do método 94 pode ser realizado ou e- fetuado por um montador do sistema, um terceiro, e/ou um operador (por exemplo, um cliente). Para os propósitos desta descrição, um montador de sistema pode incluir, sem limitação qualquer número de fabricantes de aero- naves e subcontratadas dos sistemas principais; uma terceira parte pode incluir sem limitação, qualquer número de vendedores, sub-contratadas e fornecedores; e um operador pode ser uma linha aérea, companhia de ar- rendamento mercantil, entidade militar, organização de serviço e etc..

Como mostrado na figura 17, a aeronave 96 produzida pelo mé- todo 94 pode compreender uma estrutura 112 com uma pluralidade de sis- temas de 114 e um interior 116. Exemplos de sistemas de alto nível 114 in- cluem um ou mais de um sistema de propulsão 118, um sistema elétrico 120, um sistema hidráulico 122, e um sistema ambiental 124. Qualquer quantidade de outros sistemas pode ser incluída. Embora um exemplo ae- roespacial seja mostrado, os princípios da descrição podem ser aplicados a outras indústrias tais como as indústrias navais e de automóveis.

Sistemas e métodos incorporados no presente documento po- dem ser empregados em qualquer uma ou mais etapas do método de pro- dução e manutenção 94. Por exemplo, os componentes ou subconjuntos correspondentes ao processo de produção 102 podem ser fabricados ou manufaturados de uma maneira semelhante aos componentes ou subcon- juntos produzidos enquanto a aeronave 96 está em serviço. Também, um ou mais modalidades do aparelho, modalidades do método, ou uma combi- nação dos mesmos podem ser utilizados durante as fases de produção 102 e 104, por exemplo, por acelerar substancialmente a montagem ou reduzir o custo de uma aeronave 96. Do mesmo modo, um ou mais modalidades do aparelho, modalidades do método, ou uma combinação das mesmas pode ser utilizada enquanto a aeronave 96 está em serviço, por exemplo, e sem limitação, para manutenção e revisão 110. A descrição das diferentes modalidades vantajosas tem sido a-

presentada para propósitos de ilustração e descrição, e não se pretende que seja completa ou limitada às modalidades na forma revelada. Muitas modifi- cações e variações serão evidentes para aqueles peritos na técnica. Além disso, diferentes concretizações proveitosas podem fornecer diversas vanta- gens em comparação com outras concretizações vantajosas. A modalidade ou modalidades selecionadas são escolhidas e descritas de modo a explicar melhor os princípios das modalidades, a aplicação prática, e para possibilitar que outros peritos na técnica compreendam a descrição para diversas mo- dalidades com várias modificações conforme forem apropriadas para o uso particular contemplado.

Claims (14)

1. Método de fabricação de uma peça, compreendendo: fornecimento de partículas magnéticas; introdução das partículas magnéticas dentro de um material de matriz; orientação das partículas no material de matriz pelo acoplamen- to das partículas com um campo eletromagnético; e cura do material de matriz enquanto as partículas são orienta- das.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, em que o acopla- mento das partículas com um campo eletromagnético inclui: posicionamento de pelo menos um par de eletroímãs adjacentes ao material de matriz, incluindo o alinhamento de eletroímãs em relação um ao outro, e uso de eletroímãs para gerar o campo eletromagnético.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou de acordo com a reivindicação 2, em que a orientação das partículas inclui o reposicionamen- to das partículas no interior do material da matriz.

4. Método de acordo com qualquer reivindicação precedente, em que a orientação das partículas inclui o alinhamento das partículas em uma direção desejada.

5. Método de acordo com qualquer reivindicação precedente, compreendendo adicionalmente: Uso do campo eletromagnético para formar uma característica da peça através do reposicionamento das partículas magnéticas.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações pre- cedentes, em que o fornecimento das partículas compreende o revestimento de fibras sintéticas alongadas com um metal magnético.

7. Método de qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o fornecimento das partículas de inclui: formação de feixes de fibras sintéticas, e envolvimento de cada um dos feixes em um metal magnético.

8. Método de acordo com qualquer reivindicação precedente, em que: o material da matriz é um pó, e a cura é realizada por sinterização do pó.

9. Mistura de material para utilização em um processo de produ- ção aditiva para fabricar uma peça, compreendendo: um material de matriz que pode ser solidificado seletivamente, e partículas magnéticas.

10. Mistura de acordo com a reivindicação 9, em que as partícu- Ias magnéticas incluer·, μθΙο menos uma de aramida, vidro e fibras de car- bono possuindo um revestimento magnético.

11. Mistura de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 ou 11, em que o material da matriz é um dos seguintes: um pó polimérico, um líquido fotopolimérico, um pó metálico, e. microesferas vítreas.

12. Mistura de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 12, em que o material da matriz é um pó polimérico presente na mistura em uma quantidade aproximadamente entre 50% e 90% do peso.

13. Mistura de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 13, em que as partículas magnéticas incluem um dos seguintes: fibras cortadas tendo um comprimento aproximadamente entre 3 e 6 mm, e fibras moídas tendo um comprimento aproximadamente entre 50 e 500 mícron.

14. Mistura de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 14, em que as partículas magnéticas incluem: feixes de fibras de reforço não magnéticas, e uma camada de material magnético ao redor de cada um dos feixes.