BR102015003582B1

BR102015003582B1 - método de fabricação de uma estrutura compósita, e, pré-forma compósita

Info

Publication number: BR102015003582B1
Application number: BR102015003582-9A
Authority: BR
Inventors: Brad Andrew Coxon
Original assignee: The Boeing Company
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2015-02-19
Publication date: 2020-10-27
Also published as: US11046049B2; US11046050B2; BR102015003582A2; AU2020201610A1; AU2015200414B2; CA2877224C; US20170274621A1; US20150266268A1; AU2015200414A1; CN104924629A; JP2015183186A; KR20150109253A; AU2018204632A1; JP6630480B2; KR102332550B1; CA2877224A1; AU2020201610B2; EP2921583A1

Abstract

MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE UMA ESTRUTURA COMPÓSITA, E, PRÉ-FORMA COMPÓSITA. Uma estrutura compósita é fabricada usando uma pré-forma compreendendo uma pilha de camadas de pré-impregnado unidirecionais que são costuradas juntas. Durante a cura de a pré-impregnado, os pontos se fundem e dissolve.

Description

FUNDAMENTO DA INFORMAÇÃO Campo:

[001] A presente descrição geralmente se refere a pré-formas usadas na fabricação de estruturas laminadas compósitas, e se ocupa mais particularmente com uma pré-forma temporariamente costurada.

Fundamentos:

[002] Estruturas compósitas de alto desempenho podem ser fabricadas por assentamento de camadas de pré-impregnado ou por infusão de resina de fibras secas. As fibras podem ser forma de pano unidirecional, tecido ou entrançado. Em algumas aplicações, a fim de reduzir o tempo de assentamento, camadas adjacentes do pano podem ser cocosturadas juntas usando material de ponto que permanece com a estrutura completada depois da estrutura ser curada. A costura das camadas juntas permite que as camadas sejam assentadas sobre uma ferramenta em grupos de camadas, ao invés de um por um, aumentando assim a eficiência do processo de assentamento. Camadas de pano cocosturadas, formadas a partir de fibras de reforço unidirecionais, são relativamente conformáveis, tornando-os bem apropriados para formação de estruturas altamente contornadas, todavia, as estruturas fabricadas usando camadas costuradas podem ter menor nível de resistência e menor resistência à fissura que as desejadas.

[003] Consequentemente, existe uma necessidade de um método de fabricação de estruturas compósitas usando camadas cocosturadas de pano, que reduza ou elimine a presença de material de ponto na estrutura curada. Existe também uma necessidade de uma pré-forma usada na fabricação de tais estruturas, que possa ser montada usando um pré-impregnado multicamada, cocosturado, ou camadas de fibras, pré-costuradas, apropriadas for infusão de resina.

SUMÁRIO

[004] As modalidades descritas provêm um método de fabricação da estrutura laminada compósita usando uma pré-forma multicamada cocosturada. Em uma modalidade, a pré-forma é formada por costurar juntas camadas de pré-impregnado unidirecional usando material de ponto que se funde durante a cura do pré-impregnado. Em outra modalidade, a pré-forma é formada por costurar juntas múltiplas camadas de fibra usando material de ponto que se funde durante a cura da resina usada para infundir as camadas de fibra. A fusão do material de ponto durante o processo de cura efetivamente dissolve os pontos e evita o possível franzimento entre os pontos e as fibras de reforço. A dissolução dos pontos reduz ou elimina concentrações de tensões na estrutura curada, causadas pelo franzimento de fibras, melhorando assim o desempenho mecânico da estrutura laminada compósita, enquanto reduz a possibilidade de propagação de fissura através do laminado. O uso de uma pré-forma de multicamadas cocosturada pode aumentar a eficiência de produção por permitir o assentamento e formação simultâneos de múltiplas camadas de reforços de fibra.

[005] De acordo com uma modalidade descrita, é provido um método de fabricação de uma estrutura compósita. Camadas de pré- impregnado são costuradas juntas para formar uma pilha costurada de camadas de pré-impregnado tendo orientações de fibra variáveis, e a pilha costurada de camadas de pré-impregnado é termicamente curada. A costura se funde durante a cura térmica da pilha costurada de camadas de pré- impregnado. O método pode compreender ainda montar as camadas de pré- impregnado para formar uma pilha, em que cada uma das camadas de pré- impregnado tem aderência de resina, e montar as camadas de pré-impregnado para formar uma pilha inclui usar uma adesividade de resina para aderir as camadas juntas e manter as orientações de fibra das camadas de pré- impregnado durante a costura. A costura das camadas de pré-impregnado juntas é realizada por usar pontos que passam substancialmente através da espessura da pilha. A montagem das camadas de pré-impregnado para formar uma pilha inclui assentar estopas de pré-impregnado, e variar as orientações de fibra das estopas para cada uma das camadas. O método pode também compreender pré-compactação, consolidação e cura da pilha costurada sob um vácuo. A fusão de costura é realizada antes da pilha costurada de camadas de pré-impregnado estar completamente curada. O método pode compreender ainda formar a pilha costurada de camadas de pré-impregnado em um desejado formato que corresponde ao formato da estrutura compósita.

[006] De acordo com outra modalidade, é provido um método de produção de uma pré-forma compósita. Uma pilha de camadas de pré- impregnado é montada, em que cada uma das camadas inclui fibras de reforço mantidas em uma matriz de resina termicamente curável. As camadas de pré- impregnado são costuradas juntas depois de a pilha ter sido montada. A costura é realizada usando material de costura que se funde durante a cura térmica das camadas de pré-impregnado. A montagem de uma pilha de camadas de pré-impregnado inclui manter as camadas em alinhamento entre si por adesão das camadas juntas. A adesão das camadas juntas é realizada usando a adesão da matriz de resina em cada uma das camadas. A montagem de uma pilha de camadas de pré-impregnado inclui usar a matriz de resina em cada uma das camadas de pré-impregnado para manter as fibras de reforço nas camadas em relação espaçada entre si durante a costura. A costura inclui colocar pontos substancialmente completamente através da espessura da pilha de camadas de pré-impregnado. A pilha pode ser montada por assentamento de estopas de pré-impregnado, e a costura pode ser realizada por colocação de pontos entre as estopas de pré-impregnado, que passam substancialmente completamente através de uma pilha de camadas de pré-impregnado. Durante a montagem da pilha, as camadas são orientadas de forma que elas tenham diferentes orientações de fibra.

[007] De acordo com outra modalidade adicional, uma pré-forma compósita é provida. A pré-forma compreende uma pilha de camadas de pré- impregnado unidirecionais tendo orientações de fibra variáveis. Pontos passando através de todas as camadas de pré-impregnado na pilha mantêm as camadas juntas. Os pontos são formados de um material de costura capaz de se fundir durante a cura térmica das camadas de pré-impregnado. Cada uma das camadas de pré-impregnado inclui estopas de pré-impregnado, e os pontos passam entre as estopas de pré-impregnado. Os pontos podem ser distribuídos geralmente uniformemente através de uma pilha de camadas de pré-impregnado unidirecionais. Cada uma das camadas de pré-impregnado inclui uma matriz de resina, e o material de costura é compatível com a matriz de resina. A matriz de resina pode ser uma resina termoestável, e o material de costurar pode ser uma resina termoplástica. A resina termoestável tem uma temperatura de cura na qual a resina termoestável é completamente curada, e a resina termoplástica tem uma temperatura de fusão que está abaixo da temperatura de cura da resina termoestável.

[008] De acordo com outra modalidade adicional, é provido um método de fabricação de uma estrutura compósita. Camadas de fibras secas são costurados juntas para formar uma pilha costurada de camadas de fibras secas tendo orientações de fibra variáveis. Uma pilha de camadas de fibras secas é infundida com uma resina de polímero. A pilha infundida com resina é termicamente curada. A costura se funde durante a cura térmica da pilha costurada. O método pode também incluir pré-compactação, consolidação e cura a pilha costurada sob um vácuo. A costura das camadas de fibras secas juntas é realizada usando pontos que passam substancialmente através da espessura inteira da pilha. O método pode também compreender aplicar um agente de adesividade a cada uma das camadas de fibras secas, e montar as camadas de fibras secas para formar uma pilha, incluindo usar o agente de adesividade para aderir as camadas de fibras secas juntas e manter as orientações de fibra das camadas de fibras secas durante a costura. A montagem das camadas de fibras secas para formar uma pilha inclui assentar estopas de fibras secas, e variar as orientações de fibra das estopas de fibras secas para cada uma das camadas de fibras secas. O método pode compreender ainda formar a pilha costurada de camadas de fibras secas em um desejado formato que corresponde ao formato da estrutura compósita. A formação pode ser realizada por meio de formação da pilha costurada de camadas de fibras secas sobre uma ferramenta, tal como um molde.

[009] De acordo com outra modalidade, é provido um método de produção de uma pré-forma de fibra seca. O método compreende montar uma pilha de camadas de fibras secas, cada um dos quais inclui fibras de reforço unidirecionais. As camadas de fibras secas são costuradas juntas depois de a pilha ter sido montada. A costura é realizada usando pontos que passam através de a pilha e se fundem quando eles foram aquecidos para uma temperatura predeterminada. O método pode também incluir aplicar um agente de adesividade a cada uma das camadas de fibras secas, e montar uma pilha de camadas de fibras secas inclui usar o agente de adesividade para manter as camadas em alinhamento entre si.

[0010] Em suma, de acordo com um aspecto da invenção, é provido um método de fabricação de uma estrutura compósita, incluindo costurar camadas de pré-impregnado juntas para formar uma pilha costurada de camadas de pré-impregnado tendo orientações de fibra variáveis; curar termicamente uma pilha costurada de camadas de pré-impregnado; e fundir a costura durante a cura térmica da pilha costurada de camadas de pré- impregnado.

[0011] Vantajosamente, o método inclui ainda montar as camadas de pré-impregnado para formar uma pilha, em que cada uma das camadas de pré- impregnado tem aderência de resina, e montar as camadas de pré-impregnado para formar uma pilha inclui usar uma adesividade de resina para aderir as camadas juntas e manter as orientações de fibra das camadas de pré- impregnado durante a costura.

[0012] Vantajosamente, o método em que a pilha tem uma espessura, e a costura das camadas de pré-impregnado juntas é realizada por usar pontos que passam substancialmente através da espessura da pilha.

[0013] Vantajosamente, o método em que a montagem das camadas de pré-impregnado para formar uma pilha inclui assentar estopas de pré- impregnado, e variar as orientações de fibra das estopas para cada uma das camadas.

[0014] Vantajosamente, o método inclui ainda pré-compactar, consolidar e curar a pilha costurada sob um vácuo.

[0015] Vantajosamente, o método em que a fusão de costurar é realizada antes da pilha costurada de camadas de pré-impregnado estar completamente curada.

[0016] Vantajosamente, o método inclui ainda formar a pilha costurada de camadas de pré-impregnado em um desejado formato que corresponde ao formato da estrutura compósita.

[0017] Vantajosamente, o método em que formar a pilha costurada de camadas de pré-impregnado é realizada antes de costurar as camadas de pré- impregnado juntas.

[0018] Vantajosamente, o método em que formar a pilha costurada de camadas de pré-impregnado é realizada depois de costurar as camadas de pré- impregnado juntas.

[0019] De acordo com outro aspecto da invenção é provido um método de produção de uma pré-forma compósita, incluindo montar uma pilha de camadas de pré-impregnado, cada uma das camadas incluindo fibras de reforço mantidas em uma matriz de resina termicamente curável; e, costurar as camadas de pré-impregnado juntas depois de a pilha ter sido montada, em que a costura é realizada usando material de costura que se funde durante a cura térmica das camadas de pré-impregnado.

[0020] Vantajosamente, o método em que a montagem de uma pilha de camadas de pré-impregnado inclui manter as camadas em alinhamento entre si por adesão das camadas juntas.

[0021] Vantajosamente, o método em que a adesão das camadas juntas é realizada usando a adesão da matriz de resina em cada uma das camadas.

[0022] Vantajosamente, o método em que a montagem de uma pilha de camadas de pré-impregnado inclui usar a matriz de resina em cada uma das camadas de pré-impregnado para manter as fibras de reforço nas camadas em relação espaçada entre si durante a costura.

[0023] Vantajosamente, o método em que uma pilha de camadas de pré-impregnado tem uma espessura, e a costura inclui colocar pontos substancialmente completamente através da espessura da pilha de camadas de pré-impregnado.

[0024] Vantajosamente, o método em que a montagem de uma pilha de camadas de pré-impregnado inclui assentar estopas de pré-impregnado, e a costura inclui colocar pontos entre as estopas de pré-impregnado substancialmente completamente através de uma pilha de camadas de pré- impregnado.

[0025] Vantajosamente, o método em que a montagem de uma pilha de camadas de pré-impregnado inclui orientar as camadas de forma que elas tenham diferentes orientações de fibra.

[0026] De acordo com ainda outro aspecto da invenção é provida uma pré-forma compósita, incluindo uma pilha de camadas de pré-impregnado unidirecionais tendo orientações de fibra variáveis; e pontos passando através de todos as camadas de pré-impregnado na pilha e capazes de manter as camadas juntas, em que os pontos são formados de um material de costura capaz de se fundir durante a cura térmica das camadas de pré-impregnado.

[0027] Vantajosamente, a pré-forma compósita de acordo com a reivindicação 17, em que cada uma das camadas de pré-impregnado inclui estopas de pré-impregnado.

[0028] Vantajosamente, a pré-forma compósita em que os pontos passam entre as estopas de pré-impregnado.

[0029] Vantajosamente, a pré-forma compósita em que os pontos são distribuídos geralmente uniformemente através de uma pilha de camadas de pré-impregnado unidirecionais.

[0030] Vantajosamente, a pré-forma compósita em que cada uma das camadas de pré-impregnado inclui uma matriz de resina, e o material de costura é compatível com a matriz de resina.

[0031] Vantajosamente, a pré-forma compósita em que a matriz de resina é uma resina termoestável, e o material de costura é uma resina termoplástica.

[0032] Vantajosamente, a pré-forma compósita em que a resina termoestável tem uma temperatura de cura na qual a resina termoestável é completamente curada, e a resina termoplástica tem uma temperatura de fusão que está abaixo da temperatura de cura da resina termoestável.

[0033] De acordo com ainda outro aspecto da invenção é provido um método de fabricação de uma estrutura compósita, incluindo costurar camadas de fibras secas juntas para formar uma pilha costurada de camadas de fibras secas tendo orientações de fibra variáveis; infundir uma pilha de camadas de fibras secas com uma resina de polímero; curar termicamente uma pilha costurada de camadas de fibras secas; e fundir a costura durante a cura térmica da pilha costurada de camadas de fibras secas.

[0034] Vantajosamente, o método inclui ainda pré-compactar, consolidar e curar a pilha costurada sob um vácuo.

[0035] Vantajosamente, o método em que a pilha tem uma espessura, e a costura das camadas de fibras secas juntas é realizada por usar pontos que passam substancialmente através da espessura da pilha.

[0036] Vantajosamente, o método inclui ainda aplicar um agente de adesividade a cada uma das camadas de fibras secas; e montar as camadas de fibras secas para formar uma pilha, incluindo usar o agente de adesividade para aderir as camadas de fibras secas juntas e manter as orientações de fibra das camadas de fibras secas durante a costura.

[0037] Vantajosamente, o método em que a montagem das camadas de fibras secas para formar uma pilha inclui assentar estopas de fibras secas, e variar as orientações de fibra das estopas de fibras secas para cada uma das camadas de fibras secas.

[0038] Vantajosamente, o método inclui ainda formar uma pilha de camadas de fibras secas em um desejado formato que corresponde ao formato da estrutura compósita.

[0039] Vantajosamente, o método em que formar a pilha é realizada antes de costurar as camadas de fibras secas juntas.

[0040] Vantajosamente, o método em que formar a pilha é realizada depois de costurar as camadas de fibras secas juntas.

[0041] Vantajosamente, o método em que formar uma pilha de camadas de fibras secas inclui formar a pilha costurada de camadas de fibras secas sobre uma ferramenta.

[0042] Vantajosamente, o método em que formar uma pilha de camadas de fibras secas sobre uma ferramenta inclui colocar a pilha em um molde, e infundir uma pilha de camadas de fibras secas inclui introduzir uma resina de polímero no molde sob um vácuo.

[0043] De acordo com um outro aspecto da presente invenção é provido um método de produção de uma pré-forma de fibra seca, incluindo montar uma pilha de camadas de fibras secas, cada uma das camadas incluindo fibras de reforço unidirecionais; e, costurar as camadas de fibras secas juntas depois de a pilha ter sido montada, em que a costura é realizada usando pontos que passam através de a pilha e a massa fundida foi aquecida para uma temperatura predeterminada.

[0044] Vantajosamente, o método inclui ainda aplicar um agente de adesividade a cada uma das camadas de fibras secas, e em que montar uma pilha de camadas de fibras secas inclui usar o agente de adesividade para manter as camadas em alinhamento entre si.

[0045] As características, funções, e vantagens podem ser obtidas independentemente nas várias modalidades da presente descrição ou podem ser combinadas em ainda outras modalidades, nas quais outros detalhes podem ser vistos com referência à seguinte descrição e aos seguintes desenhos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0046] As características que se acreditam serem características novas das modalidades ilustrativas são descritas nas reivindicações anexas. As modalidades ilustrativas, todavia, bem como um modo preferido de uso, outros objetivos e vantagens das mesmas, serão mais bem ser entendidas pela referência à seguinte descrição detalhada de uma modalidade ilustrativa da presente descrição quando lida em conjunção com os desenhos anexos, nos quais:

[0047] A figura 1 é uma ilustração de uma vista superior em perspectiva de uma pré-forma costurada.

[0048] A figura 2 é uma ilustração de uma vista inferior em perspectiva da pré-forma costurada, mostrada na figura 1.

[0049] A figura 3 é uma ilustração de uma vista em perspectiva de uma seção de armação encurvada que pode ser fabricada usando uma pré- forma costurada.

[0050] A figura 4 é uma ilustração de uma vista explodida em perspectiva da pré-forma costurada da figura 1, mostrando as camadas individuais da pré-forma e suas respectivas orientações de fibra.

[0051] A figura 5 é uma ilustração de uma vista plana da área designada como “figura 5” na figura 1.

[0052] A figura 6 é uma ilustração de uma vista secional tomada ao longo da linha 6-6 na figura 5.

[0053] A figura 7 é uma ilustração de uma vista secional mostrando uma porção de um ponto entre duas estopas em um estágio antecedente de cura.

[0054] A figura 8 é uma ilustração similar à figura 7, mas mostrando o ponto tendo se fundido na resina de matriz circundante durante um estágio posterior da cura.

[0055] A figura 9 é uma ilustração de um fluxograma de um Método de fabricação de uma estrutura compósita usando uma pré-forma de pré- impregnado costurada.

[0056] A figura 10 é uma ilustração de um fluxograma de um método de fabricação de uma pré-forma de pré-impregnado costurada.

[0057] A figura 11 é uma ilustração de um fluxograma de um método alternativo de fabricação da estrutura compósita usando uma pré-forma de fibra seca, costurada.

[0058] A figura 12 é uma ilustração de um fluxograma de metodologia de produção e serviço de aeronave.

[0059] A figura 13 é uma ilustração de um diagrama de blocos de uma aeronave.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0060] Com referência às figuras 1 e 2, uma pré-forma compósita 20 compreende uma pilha costurada 22 de camadas de pré-impregnado 24a, 24b, 24c, cada um dos quais tem reforço unidirecional na forma de estopas de fibra 28. As camadas de pré-impregnado 24a, 24b, 24c na pilha 22, algumas vezes também referidos aqui como “camadas”, são alinhavados juntos por pontos 26 que se estendem através da espessura da pilha 22. Somente os pontos superiores e inferiores 26 são mostrados, respectivamente, nas figuras 1 e 2. A pré-forma 20 pode ser usada para fabricar qualquer uma de uma variedade de estruturas compósitas, particularmente aquelas tendo contornos simples ou compostos. Por exemplo, com referência à figura 3, a pré-forma 20 pode ser empregada para fabricar uma seção de armação compósita 30, unitária, por meio de formação da pilha 22 de camadas de pré-impregnado 24a, 24b, 24c usando ferramental apropriado (não mostrado), ou antes, ou depois, das camadas de pré-impregnado 24a, 24b, 24c serem costuradas juntas. Nesse exemplo, a seção de armação 30 é encurvada ao longo de seu comprimento e compreende um flange de corda interno encurvado 34, um flange de corda externo encurvado 36 e uma seção contínua central 32. Os flanges 34, 36 apresentam uma transição para a seção contínua central 32 ao longo de cantos de raio 38, 40 que têm curvaturas compostas. A seção de armação 30 é meramente ilustrativa de uma ampla faixa de estruturas laminadas compósitas que podem ser fabricadas usando a pré-forma descrita 20. A seção de armação 30 mostrada na figura 3 tem uma seção transversal em forma de Z, todavia outros formatos de seção transversal são possíveis.

[0061] Com referência particularmente às figuras 1, 2 e 4, embora três camadas 24a, 24b, 24c sejam mostradas na modalidade de exemplo, a pilha 22 pode compreender tão poucas quanto duas ou mais que três camadas 24, dependendo da aplicação. Na modalidade ilustrada nas figuras 1, 2 e 4, cada uma das camadas 24a, 24b, 24c compreende uma pluralidade de estopas de pré-impregnado unidirecionais 28, que podem ser colocadas em múltiplas larguras de cinta lado a lado (não mostradas) por equipamento automático de colocação de fibras (não mostrado) ou por outras técnicas. Todavia, como será discutido posteriormente, a pilha costurada 22 pode compreender uma pilha costurada de camadas de fibras secas 24a, 24b, 24c de fibras secas unidirecionais, que podem ser na forma de estopas, fitas unidirecionais, padrões cortados de reforço unidirecional ou outras formas.

[0062] As estopas de pré-impregnado 28 compreendem, cada uma, um feixe de fibras de reforço individuais (não mostradas), que é pré- impregnado com uma resina apropriada que será discutida posteriormente em mais detalhe. Cada uma das camadas 24a, 24b, 24c pode ter qualquer orientação de fibras desejada, mas no exemplo ilustrado, mostrado na figura 4, têm, respectivamente, orientações de fibra de 0o, 90° e 0o. Em uma modalidade, as estopas de pré-impregnado 28 podem ter um formato de seção transversal geralmente circular (ver A figura 6), enquanto em outras modalidades, estopas de pré-impregnado 28 podem ter um formato de seção transversal geralmente plano (não mostrado), algumas vezes referidas como uma “estopa plana” ou uma “estopa espalhada”.

[0063] A resina usada para impregnar as estopas 28 pode compreender uma resina termicamente curável que é apropriada para a aplicação e tem uma desejada temperatura de cura. Por exemplo, e sem limitação, as fibras de reforço podem compreender carbono e a resina usada como a matriz pode compreender uma resina termoestável, termicamente curável, tal como epóxi. Outros tipos de fibras de reforço são possíveis, tais como, sem limitação, metais, cerâmicas e/ou fibras de vidro. Outros tipos de resinas podem ser empregados como a matriz, dependendo da aplicação, tais como, sem limitação, resinas de poliéster, resinas de vinil éster, resinas fenólicas, resinas de poliimida, resinas de PBI (polibenzimidazóis), e resinas de BMI (bismaleimida).

[0064] A presença de resina impregnada nas estopas 28 causa com que as estopas 28, e assim as camadas 24a, 24b, 24c, tenham aderência de resina, e esta aderência de resina causa com que as camadas 24a, 24b, 24c adiram uma na outra quando eles são assentados um sobre o outro. A adesão provida p a resina mantém de forma adesiva as camadas 24a, 24b, 24c em alinhamento uma com a outra e em suas desejadas orientações de camada durante o subsequente processamento, discutido abaixo em mais detalhe. A resina de matriz também mantém as estopas 28 das camadas 24 em relação espaçada entre si através da espessura “t” da pilha 22. Em algumas aplicações, pode ser necessário ou desejável aplicar um agente de adesividade às camadas 24a, 24b, 24c para aumentar a adesão entre as camadas 24a, 24b, 24c. Similarmente, ondas estopas 28 estão secas (não impregnadas com resina), um agente de adesividade, algumas vezes referidos como um ligante, pode ser usado para aderir as camadas 24a, 24b, 24c juntas e manter suas respectivas orientações de fibra até a pilha costurada 22 poder ser formada em um formato desejado.

[0065] Os pontos 26 passam entre as estopas 28 e mantêm as camadas 24a, 24b, 24c em suas desejadas orientações de camada. O número, densidade, tamanho, espaçamento e tipo dos pontos 26 usados dependerão da aplicação. Similarmente, o aperto dos pontos 26 pode variar, dependendo do número de camadas 24 na pilha 22 e da complexidade da estrutura compósita sendo fabricada. Por exemplo, onde a estrutura compósita é altamente provida com contorno, pode ser desejável empregar pontos relativamente frouxos 26 a fim de permitir que as camadas 24a, 24b, 24c deslizem ligeiramente no plano um em relação ao outro, quando eles estão sendo conformados sobre o ferramental. O ligeiro deslizamento no plano entre as camadas 24a, 24b, 24c pode permitir que a pilha 22 se conforme de melhor maneira ás superfícies providas com contornos da ferramenta e evite o dobramento e a deformação de camada.

[0066] Com referência agora particularmente às figuras 5 e 6, qualquer de vários tipos de pontos 26 pode ser empregado para costurar as camadas 24a, 24b, 24c juntas, desde que os pontos 26 passem através de substancialmente a espessura inteira “t” (figura 1) da pilha 22, entre quaisquer estopas adjacentes 28 em cada uma das camadas 24a, 24b, 24c. Na modalidade ilustrada, os pontos 26 são efetivamente enlaçados em torno das estopas 28, e se estendem diagonalmente através da pilha 22. Todavia, em outras modalidades, os pontos 26 podem não ser enlaçados em torno de todas das estopas 28, e podem se estender em qualquer direção através da pilha 22. Os pontos 26 podem ser formados e espaçados uns dos outros em qualquer de uma variedade de maneiras, desde que eles mantenham adequadamente as camadas 24a, 24b, 24c juntas quando a pilha 22 está sendo formada sobre o ferramental (não mostrado) empregado para formar a pilha 22 no formato desejado da estrutura compósita. Em algumas modalidades, todavia, pode ser possível costurar as camadas 24a, 24b, 24c juntas depois da pilha 22 ter sido formada em um formato desejado.

[0067] O material, do qual os pontos 26 são formados (daqui em diante "material de ponto"), pode compreender qualquer de uma variedade de resinas de polímero, que é compatível com a resina de matriz das estopas 28, e que tem uma temperatura de fusão que resulta na fusão dos pontos 26 durante a cura térmica da resina de matriz. Por exemplo, o material de ponto pode compreender uma resina termoplástica, tal como, sem limitação, PEI (polieterimida) PPS (sulfeto de polifenileno), PES (polietersulfona), PEEK (polieteretercetona), PEKK (polieteretercetona), e PEKK-FC (grau fc de polietercetonacetona), que tem uma temperatura de fusão relativamente baixa que está dentro da faixa de temperaturas requeridas para curar a resina de matriz. Por exemplo, onde a resina de matriz é um epóxi que se cura em aproximadamente 180°C, o material de ponto pode compreender uma resina termoplástica tendo uma baixa temperatura de fusão na faixa de 150°C. Nesse exemplo, a resina termoplástica se funde e se combina com a resina termoestável fluida antes de a resina termoestável começar a substancialmente a curar e endurecer. Em uma modalidade, um material de ponto termoplástico é selecionado, o qual permanece intacto para prover o suporte necessário das camadas 24a, 24b, 24c, 24d quando a resina de matriz se funde e se torna inicialmente fluida. O material de ponto termoplástico pode começar a se fundir e dissolver na resina de matriz 44 somente depois de a viscosidade da resina de matriz 44 começar a aumentar quando a resina de matriz 44 começar a endurecer durante seu estágio inicial de cura. A consolidação da estrutura laminada compósita é realizada mediante vácuo, que é usado para diminuir o volume das camadas 24a, 24b, 24c e manter as camadas 24a, 24b, 24c juntas sem movimento enquanto os pontos 26 se fundem na resina e a estrutura se cura - consolida.

[0068] A figura 7 ilustra uma vista lateral em seção transversal de um dos pontos 26 durante um estágio precedente de um ciclo de cura no qual a estrutura laminada compósita conformada é curada e consolidada por sujeitá- la a calor e pressão aplicados por uma câmara de vácuo e/ou uma autoclave. A combinação de calor e pressão aplicados causa com que a resina de matriz 44 comece a fluir, e consolidar as camadas 24a, 24b, 24c. O fluxo de resina provém da resina de matriz 44 que está impregnada dentro das estopas 28. Neste ponto no ciclo de cura, os pontos 26 ainda não foram aquecidos para sua temperatura de fusão, e, por conseguinte, permanecem intactos. Quando a temperatura é ainda mais aumentada durante o ciclo de cura, todavia, o material de ponto começa se fundir e fluir 42 para dentro da resina de matriz circundante 44, que pode ainda fluir, até, como mostrado na figura 8, o material de ponto ser completamente dissolvido dentro das regiões 46 da resina de matriz 44. A pressão aplicada ajuda a causar com que o material de ponto e a resina de matriz 44 fluam juntas e se misturem entre si. Dependendo da resina de polímero particular selecionada para uso na qualidade como pontos 26, o material de ponto dissolvido pode assistir no enrijecimento da resina de matriz 44, e pode melhorar as propriedades mecânicas, tais como resistência ao impacto, da resina compósita curada.

[0069] Atenção é agora dirigida à figura 9, que ilustra amplamente as etapas gerais de um método de fabricação da estrutura laminada compósita usando um pré-impregnado costurado. Começando na etapa 48, a pilha 22 de camadas de pré-impregnados unidirecionais é montada, em que as camadas podem ter orientações de fibra variáveis. Então, na etapa 50, depois de as camadas de pré-impregnado terem sido montados para formar uma pilha 22, a pilha 22 poder ser formada para um formato desejado usando ferramental ou outras técnicas de formação. Em algumas modalidades, todavia, pode ser possível assentar a pré-forma 20 em um formato particular de pilha e então costurar as camadas da pré-forma 20 juntas. Em outras palavras, a costura da etapa 50 pode ser realizada depois da formação da etapa 52. Na etapa 54, a pilha formada e costurada 22 é termicamente curada, como por colocação da pilha 22 em um forno ou uma autoclave. Em 55, durante a cura térmica da pilha costurada 22, o material de costura se funde, causando com que os pontos se dissolvam para dentro da resina de matriz circundante 44 sendo submetida à cura.

[0070] A figura 10 ilustra amplamente as etapas gerais de um método de produção de uma pré-forma de pré-impregnado 20 usando camadas de pré- impregnado que são costuradas juntas com material de costura que se funde durante a subsequente cura do pré-impregnado. Na etapa 56, a pilha 22 de camadas de pré-impregnado é montada. Cada uma das camadas inclui fibras de reforço mantidas em uma resina de matriz termicamente curável 44. Na etapa 58, as camadas de pré-impregnado são costuradas juntas depois de a pilha ter sido montada, usando um material de costura que se funde e dissolve durante a cura térmica das camadas de pré-impregnado.

[0071] Com referência novamente às figuras 1 e 2, como previamente mencionado, em uma modalidade alternativa, a pré-forma 20 pode ser uma pré-forma de fibra seca apropriada para uso em qualquer dos vários tipos de processos de infusão de resina, nos quais a pré-forma serve como um reforço que é infundido com resina. Nesta modalidade, a pré-forma 20 compreende uma pilha costurada 22 das camadas 24a, 24b, 24c, cada uma das quais é formada por um reforço de fibras secas unidirecional, tal como as estopas de fibra 28 (figuras 5 e 6) ou fita de fibras secas unidirecionais.

[0072] As camadas 24a, 24b, 24c têm orientações de fibra variáveis umas em relação às outras. As estopas de fibra 28 usadas na pré-forma de fibras secas 20 pode compreender um ou mais materiais similares aos materiais discutidos acima, que podem ser usados para produzir as estopas de fibra 28 da modalidade de pré-impregnado da pré-forma 20. As camadas de fibras secas 24a, 24b, 24c são temporariamente costuradas juntas por pontos 26 (figuras 5 e 6) que passam completamente através da espessura “t" (figura 6). Os pontos 26 mantêm as camadas 24a, 24b, 24c juntas como uma pré- forma, mas podem ser suficientemente frouxos para permitir que as camadas 24a, 24b, 24c deslizem ligeiramente uma em relação à outra quando a pré- forma 20 é formada por baixo sobre superfícies com contornos de uma ferramenta (não mostarda) usada em um processo de infusão de resina. Como previamente mencionado, em algumas modalidades, as camadas de fibras secas 24a, 24b, 24c podem ser formadas em um formato desejado antes das camadas de fibras secas 24a, 24b, 24c serem costuradas juntas para formar uma pré-forma 20.

[0073] Os pontos 26 assistem em manter as camadas 24a, 24b, 24c em suas orientações desejadas e em relação espaçada entre si quando uma pré- forma 20 tem seu volume reduzido, é consolidada e infundida com resina. Por meio da manutenção das camadas de fibras secas 24a, 24b, 24c em suas orientações desejadas e relações espaciais até a resina de matriz começar a endurecer com o início de cura, o reforço da resina compósita curada pode ser mais uniformemente distribuído e, por conseguinte, contribuir para melhorar o desempenho mecânico da estrutura compósita.

[0074] Tal como no prévio exemplo da pré-forma de pré-impregnado 20, o material, do qual os pontos 26 são formados, pode compreender qualquer de uma variedade de resinas de polímero, que é compatível com a resina de matriz usada para infundir resina na pré-forma depois dela ser colocada sobre uma ferramenta. O material de ponto tem uma temperatura de fusão que resulta na fusão dos pontos 26 durante a cura térmica da resina de matriz em seguida à infusão de resina da pré-forma de fibras secas 20. Por exemplo, o material de ponto usado para costurar as camadas 24a, 24b, 24c juntas as uma pré-forma de fibra seca 20 pode compreender uma resina termoplástica, tal como, sem limitação, PE1 (polieterimida) PPS (sulfeto de polifenileno), PES (polietersulfona), PEEK (polieteretercetona), PEKK (polieteretercetona), e PEKK-FC (grau fc de polietercetonacetona), que tem uma temperatura de fusão relativamente baixa que está dentro da faixa de temperaturas requeridas para curar a resina de matriz usada em um processo de infusão de resina.

[0075] A figura 11 ilustra amplamente as etapas de um Método de fabricação de uma estrutura compósita usando infusão de resina de uma pré- forma de fibra seca 20. Começando na etapa 60, uma pilha de camadas de fibras secas unidirecionais 24a, 24b, 24c é montada, na qual as camadas têm orientações de fibra variáveis. Na etapa 62, opcionalmente, um agente de adesividade pode ser aplicado às camadas 24a, 24, 24c a fim de assistir em manter suas respectivas orientações de fibra. Em 64, as camadas de fibras secas 24a, 24b, 24c são costuradas juntas para formar uma pilha costurada 22, depois da pilha 22 ter sido montada. Os pontos 26 mantêm as camadas 24a 24b, 24c da pilha 22 juntas. Em 66, a pilha costurada 22 das camadas de fibras secas pode ser formada em um desejado formato de pré-forma.

[0076] A formação da pilha 22 pode ser realizada por meio de formação da pilha 22 sobre o ferramental, ou antes ou depois de a pilha 22 ter sido costurada. Onde a pilha 22 é costurada antes dela ser formada para um formato desejado, e o ferramental tem um ou mais contornos, a costura 26 pode permitir que as camadas de fibras secas 24a 24b, 24c deslizem ligeiramente uma em relação à outra a fim de permitir de melhor maneira que as camadas se conformem às superfícies com contornos da ferramenta. Dependendo do tipo de processo de infusão de resina sendo usado, a pré- forma de fibras secas 20 pode ser transferida para uma ferramenta de infusão de resina na etapa 68. Em algumas modalidades, a ferramenta, sobre a qual as camadas de fibras secas 24a, 24b, 24c são formadas no formato da pré-forma 20, pode ser a ferramenta que é usada durante o processo de infusão de resina. Na etapa 70, a pré-forma de fibras secas 20 é infundida com resina, e em 72, a resina é termicamente curada. Os pontos 26 assistem em manter as camadas 24a, 24b, 24c em suas orientações desejadas e em relação espaçada entre si quando uma pré-forma 20 tem seu volume reduzido, é consolidada e infundida com resina. Na etapa 74, a costura 26 que é usada para manter as camadas da pré-forma 20 juntas, se funde e dissolve para dentro da resina usada para infundir a pré-forma 20.

[0077] Modalidades da descrição podem encontrar uso em uma variedade de aplicações em potencial, particularmente na indústria de transporte, incluindo, por exemplo, aeroespacial, marinha, aplicações automotivas e outra aplicação, em que estruturas laminadas compósitas, particularmente aquelas que são providas com contorno e são fabricadas em volume relativamente alto. Assim, com referência agora às figuras 12 e 13, modalidades da descrição podem ser usadas no contexto de um método de fabricação e serviço de aeronave 76, como mostrado na figura 12, e uma aeronave 78, como mostrada na figura 13. As aplicações aeronáuticas das modalidades descritas podem incluir, por exemplo, sem limitação, seções de armação de laminado compósitas, longarinas, travessas e vigas, para citar somente poucos. Durante a pré-produção, o método 76, de exemplo, pode incluir especificação e projeto 80 da aeronave 78 e aquisição de material 82. Durante a produção, fabricação de componentes e subconjuntos 84 e a integração de sistemas 86 da aeronave 78 têm lugar. Depois disso, a aeronave 78 pode ir através de certificação e fornecimento 88 a fim de ser colocada em serviço 90. Enquanto no serviço por um cliente, a aeronave 76 é programada para manutenção e serviço de rotina 92, que pode também incluir modificação, reconfiguração, remodelação, e outras.

[0078] Cada um dos processos do método 76 pode ser executado ou realizado por um integrador de sistema, um terceirizado, e/ou um operador (por exemplo, um cliente). Para as finalidades desta descrição, um integrador de sistema pode incluir, sem limitação, qualquer número de fabricantes de aeronave e subcontratados dos sistemas principais; um terceirizado pode incluir, sem limitação, qualquer número de vendedores, subcontratados, e fornecedores; e um operador pode ser uma empresa aérea, companhia de "leasing", organização militar, organização de serviço, e outros.

[0079] Como mostrado na figura 12, a aeronave 78 produzida pelo método de exemplo 76 pode incluir uma fuselagem 94 com uma pluralidade de sistemas 96 e um interior 98. Exemplos de sistemas de alto nível 96 incluem um ou mais de um sistema de propulsão 100, um sistema elétrico 102, um sistema hidráulico 104 e um sistema ambiental 106. Qualquer número de outros sistemas pode ser incluído. Embora um exemplo aeroespacial seja mostrado, os princípios da descrição podem ser aplicados a outras indústrias, tais como as indústrias náutica e automotiva.

[0080] Os sistemas e métodos incorporados aqui podem ser empregados durante qualquer um ou mais dos estágios da produção e método de serviço 76. Por exemplo, componentes ou subconjuntos correspondentes ao processo de produção 84 podem ser executados ou fabricados de uma maneira similar aos componentes ou subconjuntos produzidos enquanto a aeronave 76 está em serviço. Também, uma ou mais modalidades de aparelho, modalidades de método, ou uma combinação das mesmas podem ser utilizadas durante os estágios de produção 84 e 86, por exemplo, por substancialmente acelerar a montagem de, ou reduzir o custo de, uma aeronave 76. Similarmente, uma ou mais das modalidades de aparelho, modalidades de método, ou uma combinação das mesmas podem ser utilizadas enquanto a aeronave 76 está em serviço, por exemplo, e sem limitação, para a manutenção e serviço 92.

[0081] A descrição das diferentes modalidades ilustrativas foi apresentada para finalidades de ilustração e descrição, e não é destinada a ser exaustiva ou limitada às modalidades na forma exposta. Muitas modificações e variações serão aparentes para aqueles de conhecimento comum na técnica. Ainda, diferentes modalidades ilustrativas podem prover diferentes vantagens em comparação com outras modalidades ilustrativas. A modalidade ou as modalidades selecionadas são escolhidas e descritas a fim de explicar da melhor maneira os princípios das modalidades, a aplicação prática, e para permitir que outros de conhecimento comum na técnica compreendam a descrição para as várias modalidades com várias modificações, quando forem apropriadas para o uso particular contemplado.

Claims

1. Método de fabricação de uma estrutura compósita, caracterizadopelo fato de que compreende: costurar (50, 58, 60), usando uma resina termoplástica, camadas de pré-impregnado (24a, 24b, 24c) juntas para formar uma pilha costurada (22) de camadas de pré-impregnado tendo orientações de fibra variáveis, as camadas de pré-impregnado compreendendo uma resina de matriz (44), em que a resina de matriz é uma resina termoestável; curar termicamente (54, 72) uma pilha costurada (22) de camadas de pré-impregnado (24a, 24b, 24c); e fundir (55, 74) a costura durante a cura térmica da pilha costurada (22) de camadas de pré-impregnado, em que a fusão da costura durante a cura térmica ocorre depois de a viscosidade da resina de matriz começar a aumentar e antes da pilha costurada de camadas de pré-impregnado estar completamente curada.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que compreende adicionalmente: montar (48, 56, 60) as camadas de pré-impregnado (24a, 24b, 24c) para formar uma pilha (22), em que cada uma das camadas de pré-impregnado (24a, 24b, 24c) tem aderência de resina, e montar (48, 56, 60) as camadas de pré- impregnado (24a, 24b, 24c) para formar a pilha (22) inclui usar uma adesividade de resina para aderir as camadas (24a, 24b, 24c) juntas e manter as orientações de fibra das camadas de pré-impregnado (24a, 24b, 24c) durante a costura (50, 58, 64).

3. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizadopelo fato de que a pilha (22) tem uma espessura, e a costura (50, 58, 64) das camadas de pré-impregnado (24a, 24b, 24c) juntas é realizada por usar pontos (26) que passam através da espessura da pilha.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 ou 3, caracterizadopelo fato de que montar (48, 56, 60) as camadas de pré- impregnado (24a, 24b, 24c) para formar uma pilha (22) inclui: assentar estopas de pré-impregnado (28), e variar as orientações de fibra das estopas (28) para cada uma das camadas (24a, 24b, 24c).

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizadopelo fato de que compreende adicionalmente: formar (52, 66) a pilha de camadas de pré-impregnado (24a, 24b, 24c) em um formato desejado correspondente ao formato da estrutura compósita.

6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizadopelo fato de que formar (52, 66) a pilha de camadas de pré-impregnado (24a, 24b, 24c) em um formato desejado é realizada antes de costurar (50, 58, 64) as camadas de pré-impregnado (24a, 24b, 24c) juntas.

7. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizadopelo fato de que a formação (52, 66) da pilha de camadas de pré-impregnado (24a, 24b, 24c) em um formato desejado é realizada depois de costurar (50, 58, 64) as camadas de pré-impregnado (24a, 24b, 24c) juntas.

8. Pré-forma compósita (20), caracterizadapelo fato de que compreende: uma pilha (22) de camadas de pré-impregnado unidirecionais (24a, 24b, 24c) tendo orientações de fibra variáveis e incluindo uma resina de matriz (44), em que a resina de matriz é uma resina termoestável; e pontos (26) passando através de todas as camadas de pré- impregnado (24a, 24b, 24c) na pilha (22) e capazes de manter as camadas (24a, 24b, 24c) juntas, em que os pontos (26) são formados de um material termoplástico capaz de se fundir durante a cura térmica das camadas de pré- impregnado (24a, 24b, 24c) em uma temperatura acima da qual a viscosidade da resina de matriz (44) aumenta e em que: a resina termoestável tem uma temperatura de cura na qual a resina termoestável é completamente curada, e a resina termoplástica tem uma temperatura de fusão que está abaixo da temperatura de cura da resina termoestável.

9. Pré-forma compósita (20) de acordo com a reivindicação 8, caracterizadapelo fato de que cada uma das camadas de pré-impregnado (24a, 24b, 24c) inclui estopas de pré-impregnado (28).

10. Pré-forma compósita (20) de acordo com a reivindicação 9, caracterizadapelo fato de que os pontos (26) passam entre as estopas de pré- impregnado (28).

11. Pré-forma compósita (20) de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizadapelo fato de que os pontos (26) são distribuídos geralmente uniformemente através da pilha (22) de camadas de pré-impregnado unidirecionais (24a, 24b, 24c).