BR102015003105B1

BR102015003105B1 - método para posicionar uma estopa de pré-impregnado

Info

Publication number: BR102015003105B1
Application number: BR102015003105-0A
Authority: BR
Inventors: Donald A. Anderson; Jessica R. Hughes
Original assignee: The Boeing Company
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2015-02-11
Publication date: 2021-01-26
Also published as: KR20150110308A; CA2878541A1; US20160176122A1; JP6723687B2; CA2878541C; EP2921287A1; EP2921287B1; US10112349B2; CN104960210A; BR102015003105A2; CN104960210B; KR102296770B1; JP2015227049A

Abstract

MÉTODO PARA POSICIONAR UMA ESTOPA DE PRÉ-IMPREGNADO. Estopas de pré-impregnado são posicionadas em um substrato tendo uma dobra com uma curvatura se estendendo sobre uma região de transição no substrato. As estopas são guiadas e depositadas no substrato em pelo menos uma primeira seção e uma segunda seção dentro da região de transição, em que cada uma da primeira e da segunda seções possui uma orientação angular que é menor do que a curvatura da dobra de maneira a reduzir a coleta das estopas.

Description

MÉTODO PARA POSICIONAR UMA ESTOPA DE PRÉ-IMPREGNADO

FUNDAMENTOS DA INFORMAÇÃO 1. Campo:

[001] A presente descrição em geral se refere à fabricação de estruturas de laminado compósito, e lida mais particularmente com posicionamento automatizado de estopas de pré-impregnado em regiões de transição de ângulo grande de uma estrutura.

2. Fundamentos:

[002] Máquinas de posicionamento de fibra avançado (AFP) controlado por computador numérico podem ser usadas para depositar estruturas de laminado compósito conformadas de maneira complexa em grande escala. Por exemplo, na indústria de aeronaves, máquinas de AFP podem ser usadas para depositar componentes de fuselagem compósitos tais como mastros e longarinas. Estas máquinas de AFP tipicamente possuem uma ou mais cabeças de posicionamento de material que podem ser manipuladas para aplicar e compactar múltiplas estopas de pré-impregnado em um mandril ou ferramenta similar. Cada estopa compreende uma tira estreita ou pré-impregnado de estopa formada cortada a partir da fita unidirecional que inclui um feixe de fibras pré-impregnadas com resina. De maneira a formar funcionalidades não lineares ou detalhes de uma estrutura, a cabeça de posicionamento de material algumas vezes é programada para seguir caminhos de raio constante.

[003] A deposição automatizada de estruturas compósitas como discutida acima pode ser desafiadora onde a estrutura é bastante contornada ou possui funcionalidades geométricas agudas. Por exemplo, limitações na programação da máquina e/ou no movimento da cabeça de posicionamento de material podem evitar a deposição de material em torno de cantos relativamente agudos ou dobras muito anguladas, aqui a seguir referidas como “regiões de transição com ângulo grande” ou "regiões de transição". Características do material tais como, sem limitação, a largura do material, aderência e rigidez da fibra também podem limitar o posicionamento do material em regiões de transição de ângulo grande. Outro problema que pode ser encontrado quando se deposita estopas em regiões de transição de ângulo grande é enrugamento, deformação e/ou distorção das estopas. O direcionamento das estopas em torno de caminhos de raio constante agudos nestas regiões de transição faz com que o raio interno das estopas seja colocado em compressão. Esta compressão do raio interno pode forçar as fibras da estopa a se juntar, resultando em rugas, deformações e/ou distorção de fibra que podem ter um efeito indesejado no desempenho mecânico da estrutura.

[004] A junção da estopa em regiões de transição de ângulo grande pode ser reduzida em algum grau usando estopas mais estreitas, no entanto o uso de estopas mais estreitas reduz a taxa em que o material pode ser depositado, reduzindo assim a eficiência da produção, e pode não ser prático em algumas aplicações. O emprego de estopas estreitas pode necessitar do uso de reforços de compensação tais como lonas adicionais já que as estopas estreitas podem causar uma queda indesejada em algumas propriedades mecânicas de uma estrutura. Estes reforços de compensação conferem peso adicional à estrutura e podem aumentar os custos de fabricação.

[005] De maneira a superar o problema da junção de material quando estopas mais largas são usadas, e/ou limitações no movimento das cabeças de posicionamento de material, estruturas de laminado compósito tendo regiões de transição com ângulo grande são atualmente produzidas usando um processo com múltiplas etapas em que uma junção contendo a região de transição com ângulo grande é fabricada separadamente e então unida com as seções retas da estrutura. Esta solução ao problema consome tempo, tem muito trabalho e requer múltiplas ferramentas caras e complexas. Além disso, o uso de uma junção fabricada separadamente pode necessitar do uso de reforços adicionais de maneira a alcançar requisitos de desempenho estrutural.

[006] De maneira apropriada, existe uma necessidade por um método para posicionar material compósito em regiões de transição de ângulo grande que permite a formação de detalhes ou funcionalidades geométricas complexas de uma estrutura e que reduz ou elimina o enrugamento, deformação e/ou distorção de fibra do material, enquanto permite a fabricação da estrutura como um único componente. Também existe uma necessidade por um método de posicionamento automatizado das estopas de pré-impregnado dentro das regiões com ângulo grande e cantos agudos ou dobras muito anguladas que não está limitado pelas capacidades de programação da máquina de AFP e/ou movimentos de cabeça de aplicação de material de AFP. Adicionalmente, existe uma necessidade por um método de fabricação das estruturas de laminado compósito tendo regiões de transição com ângulo grande que elimina a necessidade de junções fabricadas separadamente e múltiplas ferramentas.

SUMÁRIO

[007] As modalidades descritas proveem um método para posicionar estopas de pré-impregnado em regiões de transição de ângulo grande em um substrato durante a deposição automatizada de estruturas de laminado compósito. O método substancialmente reduz ou elimina enrugamento, deformação e/ou distorção de fibra das estopas nas regiões de transição com ângulo grande. A redução ou a eliminação do enrugamento da estopa podem reduzir ou eliminar as tensões localizadas em um laminado, que pode levar ao desempenho aprimorado da estrutura. Funcionalidades geométricas complexas e/ou difíceis de formar tais como dobras agudas de uma estrutura podem ser depositadas, que de outra forma não seriam possíveis por causa das limitações da programação da máquina de AFP e/ou dos movimentos da cabeça de posicionamento de material, e/ou das propriedades do material. O método descrito pode permitir o uso de estopas mais largas de maneira a aumentar a taxa de aplicação de material, e assim pode aumentar a eficiência de produção. Uma estrutura laminada compósita tendo regiões de transição com ângulo grande pode ser fabricada como um único componente, em vez de múltiplos componentes que necessitam de múltiplas ferramentas de montagem.

[008] De acordo com uma modalidade descrita, um método é provido para posicionar uma estopa de pré-impregnado em um substrato tendo uma dobra com uma curvatura se estendendo sobre uma região de transição no substrato. A estopa é depositada em pelo menos uma primeira seção e uma segunda seção dentro da região de transição. Cada uma da primeira e da segunda seções possui uma orientação angular que é menor do que a curvatura da dobra. A primeira seção e a segunda seção da estopa cobre pelo menos parcialmente a região de transição. A dobra possui um ângulo de dobra, e cada uma da primeira e da segunda seções da estopa pode ser curvada e pode ter um ângulo de curvatura que é menor do que um ângulo de dobra. O formato da estopa se aproxima de um formato ideal da dobra na região de transição. Em uma variação, cada uma da primeira e da segunda seções da estopa é uma seção substancialmente reta. O método pode compreender adicionalmente programar um controlador numérico, e usar o controlador para controlar uma máquina de posicionamento de fibra avançada. A deposição da estopa é realizada pela máquina de posicionamento de fibra avançada, e pode incluir guiar a estopa em uma primeira direção a partir de um ponto de início ao longo da primeira seção para um ponto final ao longo da primeira seção, alterar a direção da estopa no fim do ponto final da primeira seção, e guiar a estopa em uma segunda direção a partir do ponto final da primeira seção para um ponto final da segunda seção. O método pode ser empregado para formar uma estrutura laminada compósita, tal como uma longarina de aeronave.

[009] De acordo com outra modalidade descrita, um método é provido para posicionar estopas de pré-impregnado em um substrato tendo um ângulo de dobra se estendendo sobre uma região de transição. Cada uma das estopas é posicionada no substrato em uma pluralidade de seções, em que pelo menos algumas das seções de cada uma das estopas possuem uma orientação angular que é menor do que um ângulo de dobra. Pelo menos uma das seções é uma seção substancialmente reta, e o posicionamento das estopas pode incluir guiar a estopa em uma direção ao longo da seção a partir de um ponto de início da seção para um ponto final da seção, e alterar a direção em cada um dos pontos finais. Em uma variação, as seções incluem pelo menos duas seções curvadas e uma seção substancialmente reta que conecta as duas seções curvadas. Em outra variação, cada uma das seções é curvada enquanto em uma variação adicional, cada uma das seções é substancialmente reta.

[0010] De acordo com uma modalidade adicional descrita, um método é provido para posicionar uma estopa de pré-impregnado em um substrato tendo um ângulo de dobra θ se estendendo sobre uma região de transição. O método compreende dividir um ângulo de dobra θ em n seções individuais, em que cada uma das seções possui um ângulo de curvatura de aproximadamente θ/n, e posicionar a estopa no substrato inclui guiar a estopa ao longo de cada uma das seções.

[0011] De acordo com mais uma modalidade descrita, um método é provido para produzir uma estrutura compósita de peça única tendo pelo menos uma região de transição contendo um ângulo de dobra. O método compreende formar uma deposição de laminado compósito depositando estopas de pré-impregnado em um substrato, incluindo dividir um ângulo de dobra em múltiplas seções e guiar as estopas de pré-impregnado ao longo de cada uma das seções. Guiar as estopas de pré-impregnado ao longo de cada uma das seções inclui guiar as estopas ao longo de ângulos que são todos menores do que um ângulo de dobra. O direcionamento pode ser realizado usando uma máquina de posicionamento de fibra avançada controlada numericamente. O método também pode incluir programar um controlador numérico para controlar automaticamente a máquina de posicionamento de fibra avançada controlada numericamente, incluindo programar o controlador numérico para guiar as estopas de pré-impregnado dentro de cada uma das seções do ângulo de dobra, e curar a deposição. O método pode ser empregado para produzir um membro de fuselagem de aeronave de laminado compósito.

[0012] Em sumário, de acordo com um aspecto da invenção é provido um método para posicionar uma estopa de pré-impregnado em um substrato tendo uma dobra com uma curvatura se estendendo sobre uma região de transição no substrato, incluindo depositar a estopa em pelo menos uma primeira seção e uma segunda seção dentro da região de transição, em que cada uma da primeira e da segunda seções possui uma orientação angular que é menor do que a curvatura da dobra.

[0013] De maneira vantajosa, o método em que a primeira seção e a segunda seção da estopa cobre pelo menos parcialmente a região de transição.

[0014] De maneira vantajosa, o método em que a dobra possui um ângulo de dobra, e cada uma da primeira e da segunda seções da estopa é curvada e possui um ângulo de curvatura que é menor do que um ângulo de dobra.

[0015] De maneira vantajosa, o método em que a estopa possui um formato que se aproxima de um formato da dobra na região de transição.

[0016] De maneira vantajosa, o método em que pelo menos uma da primeira e da segunda seções da estopa é substancialmente reta, e outra da primeira e da segunda seções da estopa é curvada.

[0017] De maneira vantajosa, o método inclui adicionalmente programar um controlador numérico; e usar o controlador para controlar uma máquina de posicionamento de fibra avançada, e em que a deposição da estopa é realizada pela máquina de posicionamento de fibra avançada.

[0018] De maneira vantajosa, o método em que a deposição da estopa inclui: guiar a estopa em uma primeira direção a partir de um ponto de início ao longo da primeira seção para um ponto final ao longo da primeira seção, alterar a direção da estopa no ponto final da primeira seção, guiar a estopa em uma segunda direção a partir do ponto final da primeira seção para um ponto final da segunda seção.

[0019] De maneira vantajosa, o método em que cada uma da primeira e da segunda seções é uma seção substancialmente reta.

[0020] De acordo com outro aspecto da invenção, é provida uma estrutura laminada compósita formada pelas estopas de pré-impregnado posicionadas de acordo com o método.

[0021] De acordo com mais um aspecto da invenção, é provida uma longarina de aeronave de laminado compósito produzida posicionando as estopas de pré-impregnado de acordo com o método.

[0022] De acordo com mais um aspecto da invenção, é provido um método para posicionar estopas de pré-impregnado em um substrato tendo um ângulo de dobra se estendendo sobre uma região de transição, incluindo posicionar cada uma das estopas no substrato em uma pluralidade de seções, em que pelo menos algumas das seções de cada uma das estopas possui uma orientação angular que é menor do que um ângulo de dobra.

[0023] De maneira vantajosa, o método em que pelo menos uma das seções é uma seção substancialmente reta.

[0024] De maneira vantajosa, o método em que posicionar cada uma das estopas no substrato inclui guiar a estopa em uma direção ao longo da seção a partir de um ponto de início da seção para um ponto final da seção, e alterar a direção em cada um dos pontos finais.

[0025] De maneira vantajosa, o método em que as seções incluem pelo menos duas seções curvadas e uma seção substancialmente reta que conecta as duas seções curvadas.

[0026] De maneira vantajosa, o método em que cada uma das seções é curvada.

[0027] De maneira vantajosa, o método em que cada uma das seções é substancialmente reta.

[0028] De acordo com um aspecto adicional da presente invenção é provido um método para posicionar uma estopa de pré-impregnado em um substrato tendo um ângulo de dobra θ se estendendo sobre uma região de transição, incluindo dividir um ângulo de dobra θ em n seções individuais, em que cada uma das seções possui um ângulo de curvatura de aproximadamente θ/η; e posicionar a estopa no substrato, incluindo guiar a estopa ao longo de cada uma das seções.

[0029] De acordo com mais um aspecto adicional da presente invenção é provido um método para produzir uma estrutura compósita de peça única tendo pelo menos uma região de transição contendo um ângulo de dobra, incluindo formar uma deposição de laminado compósito depositando estopas de pré-impregnado em um substrato, incluindo dividir um ângulo de dobra em múltiplas seções e guiar as estopas de pré-impregnado ao longo de cada uma das seções.

[0030] De maneira vantajosa, o método em que guiar as estopas de pré-impregnado ao longo de cada uma das seções inclui guiar as estopas ao longo de ângulos que são todos menores do que um ângulo de dobra.

[0031] De maneira vantajosa, o método em que guiar as estopas de pré-impregnado é realizado usando uma máquina de posicionamento de fibra avançada controlada numericamente.

[0032] De maneira vantajosa, o método inclui adicionalmente programar um controlador numérico para controlar automaticamente a máquina de posicionamento de fibra avançada controlada numericamente, incluindo programar o controlador numérico para guiar as estopas de pré-impregnado dentro de cada uma das seções do ângulo de dobra.

[0033] De acordo com mais um aspecto adicional da presente invenção é provido um membro de fuselagem de aeronave de laminado compósito produzido pelo método.

[0034] As funcionalidades, funções, e vantagens podem ser alcançadas de maneira independente em várias modalidades da presente descrição ou podem ser combinadas em algumas outras modalidades em que detalhes adicionais podem ser vistos com referência à seguinte descrição e aos desenhos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0035] As novas funcionalidades que se acredita serem características das modalidades ilustrativas são definidas nas reivindicações anexas. As modalidades ilustrativas, no entanto, bem como um modo de uso preferido, objetivos e vantagens adicionais das mesmas, serão mais bem entendidos pela seguinte descrição detalhada de uma modalidade ilustrativa da presente descrição quando lida em conjunto com os desenhos anexos, em que:
a Figura 1 é uma ilustração de uma vista de perspectiva de uma longarina de laminado compósito tendo uma dobra na mesma, produzida de acordo com o método descrito.

[0036] A Figura 2 é uma ilustração de uma vista lateral da longarina de laminado compósito mostrada na Figura 1, que mostra uma estopa tendo uma região de transição com ângulo grande.

[0037] A Figura 3 é uma ilustração de uma vista seccional tomada ao longo da linha 3-3 na Figura 1.

[0038] A Figura 4 é uma ilustração de um diagrama de bloco de um sistema para fabricar uma estrutura laminada compósita tendo uma região de transição com ângulo grande.

[0039] A Figura 5 é uma ilustração da área designada como “FIG. 5” na Figura 3.

[0040] A Figura 6 é uma ilustração da área designada como “FIG. 6” na Figura 5.

[0041] A Figura 7 é uma ilustração de um diagrama de uma única estopa posicionada em uma região de transição com ângulo grande de acordo com uma modalidade descrita de um método de posicionamento de estopa.

[0042] A Figura 8 é uma ilustração de um diagrama de uma única estopa posicionada em uma região de transição com ângulo grande de acordo com outra modalidade descrita de um método de posicionamento de estopa.

[0043] A Figura 9 é uma ilustração de um diagrama de uma única estopa posicionada em uma região de transição com ângulo grande de acordo com uma modalidade adicional descrita de um método de posicionamento de estopa.

[0044] A Figura 10 é uma ilustração de um diagrama de uma única estopa posicionada em uma região de transição com ângulo grande de acordo com mais uma modalidade descrita de um método de posicionamento de estopa.

[0045] A Figura 11 é uma ilustração de um diagrama de fluxo de um método para fabricar uma estrutura compósita de peça única tendo uma região de transição com ângulo grande.

[0046] A Figura 12 é uma ilustração de um diagrama de fluxo de um método para posicionar uma estopa de pré-impregnado em um substrato tendo uma dobra com uma curvatura se estendendo sobre uma região de transição no substrato.

[0047] A Figura 13 é uma ilustração de um diagrama de fluxo que mostra como uma estopa é guiada no método mostrado na Figura 12.

[0048] A Figura 14 é uma ilustração de um diagrama de fluxo de um método para posicionar estopas de pré-impregnado em um substrato tendo um ângulo de dobra se estendendo sobre uma região de transição.

[0049] A Figura 15 é uma ilustração de um diagrama de fluxo de um método para posicionar uma estopa de pré-impregnado em um substrato tendo um ângulo de dobra se estendendo sobre uma região de transição.

[0050] A Figura 16 é uma ilustração de um diagrama de fluxo de um método para produzir uma estrutura compósita de peça única tendo pelo menos uma região de transição contendo um ângulo de dobra.

[0051] A Figura 17 é uma ilustração de um diagrama de fluxo da metodologia de serviço e produção de aeronave.

[0052] A Figura 18 é uma ilustração de um diagrama de bloco de uma aeronave.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0053] As modalidades descritas envolvem um método para fabricar estruturas de laminado compósito, tal como longarina de aeronave de laminado compósito, que possuem regiões de transição com ângulo grande usando posicionamento automatizado das estopas de pré-impregnado. Como será discutido abaixo, o método descrito ajuda a reduzir ou eliminar a junção e o enrugamento das estopas e/ou concentrações de tensão na estrutura.

[0054] As Figuras 1, 2, 3 e 5 ilustram uma estrutura laminada compósita de peça única típica 20 fabricada de acordo com o método descrito. A estrutura laminada compósita 20 é alongada e inclui um par de flanges 22 integralmente formados com uma folha contínua 24. Os flanges 22 possuem uma altura “H" e transição para a folha contínua 24 ao longo de cantos de raio integral 26. A estrutura laminada compósita 20 inclui duas porções alongadas em geral retas 30 conectadas por uma região de transição curvada 28, algumas vezes referida abaixo como uma "região de transição com ângulo grande" 28 ou “região de transição” 28. Como usado aqui, "região de transição com ângulo grande", e “região de transição” se refere a uma região da estrutura laminada compósita 20 tendo uma ou mais curvas, contornos ou alterações nos ângulos ou outra funcionalidade de geometria ou detalhes ao longo dos quais pode ser difícil guiar e posicionar uma ou mais das estopas 32, ou em que a estopa 32 pode ser sujeita à junção, enrugamento, deformação e/ou distorção de fibra. A estrutura compósita ilustrada 20, por exemplo, e sem limitação, pode ser uma longarina ou uma parte de formação de mastro de uma fuselagem 90 (Figura 13), mas é meramente ilustrativa de uma grande faixa de estruturas de laminado compósito de peça única tendo uma ou mais regiões de transição 28 que podem ser fabricadas usando o método descrito.

[0055] Em referência à Figura 4, a estrutura laminada compósita 20 pode ser depositada em um substrato tal como um mandril de deposição 31, usando uma máquina de posicionamento de fibra avançado (AFP) controlada numericamente 25 operada por um controlador 33 tendo um ou mais programas de controle 29 contendo instruções de programa (não mostrado). A máquina de AFP 25 pode incluir a cabeça de posicionamento de material 27 que guia, posiciona e compacta uma largura de banda das estopas de pré-impregnado 32 no mandril de deposição 31, ou em um substrato definido por camadas subjacentes ou lonas formadas pelas estopas 32. O direcionamento das estopas de pré-impregnado 32 como elas são posicionadas é controlado pelo controlador 33 usando programas de controle 29 que são adequados para a aplicação.

[0056] As Figuras 5 e 6 ilustram uma geometria ideal desejada de uma estopa típica 32 que foi guiada em torno de uma dobra 34 dentro da região de transição 28 e posicionada em um dos flanges 22. A dobra 35 está conectada com e é contínua com as porções retas 30 da estopa 32. As porções retas 30 formam um ângulo de dobra θ uma com relação à outra. Na aplicação ilustrada, a dobra 35 possui um raio de curvatura substancialmente constante R, no entanto em outras aplicações, o raio de curvatura R da dobra 35 pode ou não ser constante. Em outras palavras, a dobra 35 pode ou não ter uma curvatura constante. Onde a dobra 35 possui um raio de curvatura constante R, tal como no exemplo ilustrado na Figura 5, a região de transição 28 pode ser considerada como compreendendo o comprimento de arco da dobra 35, ou o comprimento da estopa 32 sobre o qual um ângulo de dobra θ se estende.

[0057] Em referência particularmente à Figura 6, devido à curvatura da dobra 35, o raio interno 36 da estopa 32 está em compressão 37, enquanto o raio externo 34 da estopa 32 está em tensão. De acordo com o método descrito discutido abaixo, a estopa 32 é guiada e posicionada de uma maneira que reduz a compressão do raio interno 39 até o ponto que possível junção, enrugamento, deformação e/ou distorção da estopa 32 dentro da região de transição 28 é reduzida ou eliminada.

[0058] Em referência à Figura 7, em uma modalidade, o método descrito compreende vastamente depositar a estopa 32 em uma pluralidade de seções, por exemplo, seções 42, 44, 46, em torno de uma dobra 35 na região de transição 28. Cada uma das seções 42, 44, 46 possui uma orientação angular que é menor do que um ângulo de dobra θ. As seções 42, 44, 46 podem cobrir pelo menos parcialmente, ou podem cobrir completamente a região de transição 28. Na modalidade mostrada na Figura 7, as seções 42, 44 são curvadas e possuem orientações angulares ou ângulos de curvaturas ϕ que são menores do que a curvatura da dobra 35, enquanto a seção 46 é uma seção reta que possui uma orientação angular que é menor do que um ângulo de dobra θ. Em efeito, um ângulo de dobra θ é rompido em múltiplas seções, por exemplo, as seções 42, 44, 46 (Figura 7) que juntas formam uma aproximação da dobra desejada 35. Mais particularmente, um ângulo de dobra θ é rompido em n seções individuais que podem ser tanto retas quanto curvadas, onde n é um número que é dois ou mais. O número n de seções pode ou não ser conectado pelas ou incluir uma ou mais seções retas 46, e juntas, podem cobrir toda a região de transição 28.

[0059] Em outra modalidade, o método compreende depositar a estopa 32 em pelo menos uma primeira seção e uma segunda seção dentro da região de transição 28, onde cada uma da primeira e da segunda seções possui uma orientação angular que é menor do que a curvatura da dobra 35. Em uma variação discutido abaixo, cada uma da primeira e da segunda seções é uma seção curvada 58 (Figura 9) e possui um ângulo de curvatura ϕ que é menor do que um ângulo de dobra θ. Em outra modalidade discutido abaixo, cada uma da primeira e da segunda seções é uma seção substancialmente reta 50 (Figura 10) tendo uma orientação angular que é menor do que um ângulo de dobra θ. Em algumas outras modalidades, a estopa 32 pode ser depositada dentro da região de transição em qualquer combinação de seções retas 50 e seções curvadas 58, cada uma tendo uma orientação angular que é menor do que um ângulo de dobra θ. Como será discutido abaixo em maior detalhe, o uso de uma ou mais seções retas 46 pode ser desnecessário onde um ângulo de dobra θ é quebrado em várias seções de dobra suavemente curvadas relativamente curtas. Em uma modalidade, um ângulo de dobra θ pode ser dividido em n seções individuais 42, 44, em que cada uma das seções 42, 44 possui um ângulo de curvatura ϕ de aproximadamente θ/η. apesar de posicionadas em n seções individuais, cada uma das estopas 32 é contínua através da dobra 35.

[0060] Por exemplo, a Figura 7 ilustra uma dobra 35 em uma estopa contínua 32 posicionada dentro de uma região de transição 28 entre duas porções substancialmente retas 30 da estopa 32. A dobra 35 na estopa 32 é formada guiando a estopa de pré-impregnado 32 em uma direção ao longo de duas seções curvadas 42, 44 e uma seção substancialmente reta 46 se estendendo entre as duas seções curvadas 42, 44. Cada uma das duas seções curvadas 42, 44 pode ou não ter um raio de curvatura constante R1 e cada uma possui um ângulo de curvatura ϕ que é menor em magnitude do que um ângulo de dobra θ. O raio de curvatura R1 e o ângulo de curvatura ϕ das duas seções curvadas 42, 46 podem ser substancialmente idênticos, ou podem ser diferentes entre si.

[0061] Como mostrado na Figura 7, as seções 42, 44, 46 da estopa contínua 32 respectivamente possuem comprimentos L1, L2, L3 que podem variar, dependendo da aplicação e da geometria da dobra 35. Quando se posiciona a estopa contínua 32 dentro da região de transição com ângulo grande 28, a estopa 32 é guiada em um caminho curvado a partir de um ponto de início 45 no fim de uma das porções retas 30, ao longo de uma das seções curvadas 42 para um ponto final 47, e então em uma linha substancialmente reta a partir do ponto final 47 ao longo da seção reta 46 para o ponto de início 49 da segunda seção curvada 44. A estopa 32 então é guiada em um caminho curvado a partir do ponto de início 49 para o ponto final 55 da seção curvada 44. Em uma modalidade onde a estopa 32 é posicionada por uma máquina de AFP 25 (Figura 4), os pontos de início e fim, por exemplo, 45, 47, 49, 55 representam uma alteração na direção da cabeça de posicionamento de material 27.

[0062] No exemplo mostrado na Figura 7, a dobra 35 na estopa 32 dentro da região de transição 28 é formada rompendo a região de transição 28 em três seções 42, 44, 46, no entanto, pode ser possível formar a dobra 35 em tão pouco quanto duas seções da estopa 32, por exemplo, em uma única seção curvada 42 e única seção reta 46. Usando seções curvadas 42 que possuem um ângulo de curvatura ϕ menor do que um ângulo de dobra θ, a quantidade de compressão 37 (Figura 6) no raio interno 36 da estopa 32 dentro da transição é reduzida, reduzindo desta forma a junção possível da estopa e enrugamento e/ou distorção de fibra relacionados. Similarmente, o uso de uma ou mais seções curvadas 42 em combinação com uma ou mais seções retas 46 dentro da região de transição 28 da mesma reduz possível enrugamento e/ou distorção de fibra já que cada uma das seções retas 46 provê uma oportunidade para a estopa 32 "relaxar" reduzindo as forças de compressão que podem se acumular na estopa 32 devido a ter sido guiada ao longo das seções curvadas 42, 44.

[0063] A Figura 8 ilustra uma dobra 35 dentro de uma região de transição com ângulo grande 28, em que a estopa 32 é guiada alternadamente entre uma pluralidade de seções curvadas 58 e uma pluralidade de seções retas 50 entre as seções curvadas 58. Os pontos em que o direcionamento de estopa é alterado entre um caminho reto (isto é, seções retas 50) e caminhos curvados (isto é, seções curvadas 58) são indicados em 62. O comprimento L1 das seções retas 50 e o comprimento L2 das seções curvadas 58 vai depender da aplicação particular, incluindo um ângulo de dobra θ. Alguns ou todos os comprimentos L1 podem ser iguais ou desiguais entre si. Similarmente, alguns ou todos os comprimentos L2 podem ser iguais ou diferentes entre si. Como em exemplos anteriores, cada uma das seções curvadas 58 possui um ângulo de curvatura ϕ que é menor do que um ângulo de dobra θ.

[0064] Em referência agora à Figura 9, pode ser possível posicionar a estopa 32 em torno da dobra 35 dentro da região de transição com ângulo grande 28 guiando a estopa 32 ao longo de uma pluralidade de sucessivas seções curvadas 58 cada uma das quais possui um ângulo ϕ que é menor do que um ângulo de dobra θ. Os ângulos ϕ de curvatura das seções curvadas 58, bem como os comprimentos L2 das seções curvadas 58, podem ser os mesmos ou diferentes entre si.

[0065] A Figura 10 ilustra um exemplo adicional de uma estopa 32 que foi guiada em torno de uma dobra 35 dentro da região de transição 28 em uma pluralidade de seções 50 de maneira a reduzir ou eliminar o enrugamento e/ou a distorção da estopa. Nesta modalidade, cada uma das seções 50 é uma seção reta 50 e possui um comprimento L1. Os comprimentos L1 das seções retas 50 podem ser os mesmos ou podem ser diferentes entre si em magnitude. Cada uma das seções retas 50 possui uma orientação angular ϕ com relação ao eixo de referência 65 que é menor do que um ângulo de dobra θ. O número de seções 50 vai variar com a aplicação, mas em geral, o uso de um maior número de seções 50 resulta em uma maior aproximação de uma curvatura desejada da estopa 32 para formar a dobra 35.

[0066] Atenção é dada agora à Figura 11 que ilustra vastamente as etapas globais de um método para fabricar uma estrutura compósita de peça única 20 tendo uma dobra 35 em uma região de transição com ângulo grande 28 da mesma, usando posicionamento automatizado das estopas de pré-impregnado 32. O método pode começar na etapa 64 programando um controlador numérico 33 para formar a dobra 35 em uma estrutura compósita de peça única 20 posicionando cada estopa 32 em diferentes seções 42, 44, 46 dentro da região de transição 28, em que cada uma das seções 42, 44, 46 possui um ângulo de curvatura ϕ que é menor em magnitude do que um ângulo θ da dobra. Apesar de posicionadas em diferentes seções 42, 44, 46, cada uma das estopas 32 é contínua através da região de transição 28. A programação do controlador numérico 33 inclui programar o controlador numérico 33 para guiar as estopas de pré-impregnado contínuas dentro de cada uma das seções do ângulo de dobra θ. Na etapa 66, uma máquina de posicionamento de fibra avançada controlada numericamente 25 operada pelo controlador 33 é usada para depositar a estrutura compósita 20. A etapa 66 inclui usar o controlador 33 para formar a dobra 35 posicionando cada estopa 32 em n diferentes seções dentro da região de transição 28. Em 68, a deposição de laminado compósito de peça única 20 é curada, e em 70, a estrutura compósita de peça única curada 20 pode ser aparada e acabada, como for necessário.

[0067] A Figura 12 ilustra um método para posicionar uma estopa de pré-impregnado em um substrato tendo uma dobra com uma curvatura se estendendo sobre uma região de transição no substrato. Em 74, a estopa é depositada em uma primeira seção dentro da região de transição, em que a primeira seção possui uma orientação angular que é menor do que a curvatura da dobra na estopa. Em 76, a estopa é depositada em uma segunda seção dentro da região de transição, em que a segunda seção possui uma orientação angular que é menor do que a curvatura da dobra na estopa. Em 78, um controlador numérico é programado, e em 80, o controlador numérico é usado para controlar uma máquina de posicionamento de fibra avançada que é empregada para depositar a estopa na primeira e na segunda seções. A Figura 13 ilustra um método para realizar as etapas 74 e 76 em que a estopa é depositada nas seções. Como mostrado na etapa 82, a estopa é guiada em uma primeira direção a partir de um ponto de início ao longo da primeira seção para um ponto final ao longo da primeira seção. Em algumas modalidades, a primeira seção pode ser curvada. Na etapa 84, a direção da estopa é alterada no ponto final da primeira seção. Na etapa 86, a estopa é guiada em uma segunda direção a partir do ponto final da primeira seção para um ponto final da segunda seção. Em algumas modalidades, a segunda seção pode ser reta.

[0068] Atenção é direcionada agora à Figura 14 que ilustra um método para posicionar estopas de pré-impregnado em um substrato tendo um ângulo de dobra se estendendo sobre uma região de transição. Como mostrado em 88, o método compreende posicionar cada uma das estopas no substrato em uma pluralidade de seções, em que pelo menos algumas das seções de cada uma das estopas possui um ângulo de curvatura que é menor do que um ângulo de dobra.

[0069] A Figura 15 ilustra um método para posicionar uma estopa de pré-impregnado em um substrato tendo um ângulo de dobra θ se estendendo sobre uma região de transição. Em 90, um ângulo de dobra θ é dividido em n seções individuais, em que cada uma das seções possui um ângulo de curvatura de aproximadamente θ/n. Na etapa 92, a estopa é posicionada no substrato e é guiada ao longo de cada uma das seções.

[0070] Atenção é direcionada agora à Figura 16 que ilustra as etapas de um método para produzir uma estrutura compósita de peça única tendo pelo menos uma região de transição contendo um ângulo de dobra. O método compreende, na etapa 94, formar uma deposição de laminado compósito depositando estopas de pré-impregnado em um substrato, incluindo dividir um ângulo de dobra em múltiplas seções e guiar as estopas de pré-impregnado ao longo de cada uma das seções. Na etapa 96, um controlador numérico pode ser programado para controlar automaticamente uma máquina de posicionamento de fibra avançada controlada numericamente para guiar as estopas de pré-impregnado dentro de cada uma das seções do ângulo de dobra.

[0071] Modalidades da descrição podem encontrar uso em várias aplicações potenciais, particularmente na indústria de transporte, incluindo, por exemplo, aplicações aeroespaciais, marinhas, automotivas e outras aplicações onde membros estruturais compósitos contornados ou curvados de peca única, tais como longarinas, mastros e enrijecedores similares, podem ser usados. Estes membros estruturais podem ter uma ou mais regiões de transição com ângulo grande. Assim, em referência agora às Figuras 17 e 18, modalidades da descrição podem ser usadas no contexto de um método de serviço e fabricação de aeronave 98 como mostrado na Figura 17 e uma aeronave 100 como mostrada na Figura 18. Aplicações de aeronave das modalidades descritas podem incluir, por exemplo, sem limitação, vários componentes de uma fuselagem 116 (Figura 18) tais como longarinas 87 e mastros 89 tendo regiões de transição com ângulo grande 28. Durante a pré-produção, método de exemplo 98 pode incluir especificação e projeto 102 da aeronave 100 e busca de material 104. Durante a produção, fabricação do componente e subconjunto 106 e integração do sistema 108 da aeronave 100 ocorre. A seguir, a aeronave 100 pode passar por certificação e distribuição 110 de maneira a ser colocada em serviço 112. Enquanto em serviço por um consumidor, a aeronave 100 é programada para serviço de rotina e manutenção 114, que também pode incluir modificação, reconfiguração, remodelação, e assim por diante. Estruturas de laminado compósito contornadas ou curvadas de uma peça podem ser usadas como componentes de substituição durante o serviço e a manutenção de rotina 114 da aeronave 100.

[0072] Cada um dos processos do método 98 pode ser realizado por um integrador de sistema, uma terceira parte, e/ou um operador (por exemplo, um consumidor). Para os propósitos desta descrição, um integrador de sistema pode incluir sem limitação qualquer número de fabricantes de aeronave e subcontratantes de sistema principal; uma terceira parte pode incluir sem limitação qualquer número de vendedores, subcontratantes, e fornecedores, e um operador pode ser uma linha aérea, companhia de locação, entidade militar, organização de serviço, e assim por diante.

[0073] Como mostrado na Figura 18, a aeronave 100 produzida pelo método de exemplo 98 pode incluir uma fuselagem 116 com uma pluralidade de sistemas 118 e um interior 120. Como notado anteriormente, a fuselagem 116 pode incluir longarinas 87, mastros 89 ou uma variedade de outros membros estruturais de peça única contornados fabricados de acordo com o método descrito acima. Uma ou mais das longarinas 87 e/ou os mastros 89 podem ter uma ou mais regiões de transição com ângulo grande 28. Exemplos dos sistemas de alto nivel 118 incluem um ou mais de um sistema de propulsão 122, um sistema elétrico 124, um sistema hidráulico 126 e um sistema ambiental 128. Qualquer número de outros sistemas pode estar incluído. Apesar de um exemplo aeroespacial ser mostrado, os princípios da descrição podem ser aplicados às outras indústrias, tais como as indústrias marinha e automotiva.

[0074] Sistemas e métodos incorporados aqui podem ser empregados durante qualquer um ou mais dos estágios do método de produção e serviço 98. Por exemplo, componentes ou subconjuntos que correspondem ao processo de produção 106 podem ser fabricados ou feitos de uma maneira similar aos componentes ou subconjuntos produzidos enquanto a aeronave 100 está em serviço. Ainda, uma ou mais modalidades de aparelho, modalidades de método, ou uma combinação pode ser usada durante os estágios de produção 106 e 108, por exemplo, acelerando substancialmente a montagem ou reduzindo o custo de uma aeronave 100. Similarmente, uma ou mais das modalidades do aparelho, modalidades do método, ou uma combinação das mesmas pode ser usada para fabricar estruturas compósitas contornadas de peça única tendo regiões de transição com ângulo grande 28 usadas na manutenção e no serviço 88 da aeronave 100.

[0075] Como usada aqui, a frase “pelo menos um de”, quando usada com uma lista de itens, quer dizer diferentes combinações de um ou mais dos itens listados podem ser usados e apenas um de cada item na lista pode ser necessário. Por exemplo, “pelo menos um de item A, item B, e item C” pode incluir, sem limitação, item A, item A e item B, ou item B. Este exemplo também pode incluir item A, item B, e item C ou item Β e item C. O item pode ser um objeto particular, coisa, ou uma categoria. Em outras palavras, pelo menos um de quer dizer que qualquer item de combinação e número de itens pode ser usado a partir da lista, mas nem todos os itens na lista são necessários.

[0076] A descrição das diferentes modalidades ilustrativas foi apresentada para os propósitos de ilustração e descrição, e não intencionadas de ser exaustivas ou limitadas às modalidades na forma descrita. Muitas modificações e variações serão aparentes dos versados na técnica. Adicionalmente, diferentes modalidades ilustrativas podem prover diferentes vantagens se comparadas com outras modalidades ilustrativas. A modalidade ou as modalidades selecionadas são escolhidas e descritas de maneira a melhor explicar os princípios das modalidades, a aplicação prática, e para permitir que outros versados na técnica entendam a descrição para várias modalidades com várias modificações como são adequadas para o uso particular contemplado.

Claims

Método para posicionar uma estopa (32) de pré-impregnado em um substrato tendo uma dobra (35) com uma curvatura se estendendo sobre uma região de transição (28) no substrato, compreendendo:
colocar (66; 74, 76; 82, 84, 86; 88; 92; 96) a estopa (32) em pelo menos uma primeira seção e uma segunda seção (42, 44, 46) dentro da região de transição (28), em que cada uma da primeira e da segunda seções possui uma orientação angular que é menor do que a curvatura da dobra (35), caracterizado pelo fato de que a estopa (32) possui um formato que se aproxima de um formato da dobra (35) na região de transição (28).
Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira seção e a segunda seção da estopa (32) cobre pelo menos parcialmente a região de transição (28).
Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dobra (35) possui um ângulo de dobra (θ), e cada uma da primeira e da segunda seções da estopa (32) é curvada e possui um ângulo de curvatura que é menor do que um ângulo de dobra (θ).
Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma da primeira e da segunda seções da estopa (32) é substancialmente reta (46), e outra da primeira e da segunda seções da estopa (32) é curvada.
Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:
programar (64) um controlador numérico (33); e
usar o controlador (33) para controlar uma máquina de posicionamento de fibra avançada, e em que a etapa de colocar a estopa (32) é realizada pela máquina de posicionamento de fibra avançada.
Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de colocar a estopa (32) inclui:
guiar (82) a estopa (32) em uma primeira direção a partir de um ponto de início ao longo da primeira seção para um ponto final ao longo da primeira seção,
alterar (84) a direção de guia da estopa (32) no ponto final da primeira seção,
guiar (86) a estopa (32) em uma segunda direção a partir do ponto final da primeira seção para um ponto final da segunda seção.
Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada uma da primeira e da segunda seções é uma seção substancialmente reta.
Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:
posicionar (88) cada uma das estopas (32) no substrato em uma pluralidade de seções.
Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as seções incluem pelo menos duas seções curvadas e uma seção substancialmente reta que conecta as duas seções curvadas.