BR112012010977B1

BR112012010977B1 - Preforma entalhada em formato de seta (triangular) reforçada, método para formar a referida preforma e estrutura compósita tridimensional compreendendo a referida preforma

Info

Publication number: BR112012010977B1
Application number: BR112012010977-4A
Authority: BR
Inventors: Jonathan Goering; Michael McClain
Original assignee: Albany Engineered Composites, Inc.
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2010-11-08
Publication date: 2019-09-24
Also published as: HUE030200T2; ES2604669T3; PT2498978T; CA2780729A1; BR112012010977A2; RU2012119184A; EP2498978B1; TW201124283A; JP5784033B2; AU2010319740B2; AU2010319740A1; EP2498978A1; RU2556918C2; CA2780729C; MX2012005445A; WO2011059922A1; ZA201203369B; CN103038053B; TWI571386B; CN103038053A

Abstract

preforma tridimensional com o formato de seta conformada em t ou pi, respectivo reforço e método para reforçar e estrutura compósita tridimensional. são revelados um reforço (201) para preforma tridimensional (101) com o formato de seta conformada em t ou pi, um método de fazer o mesmo e uma estrutura compósita que inclui o reforço. o reforço é um tecido direcional tendo uma largura, um comprimentoo, uma primeira superfície frontal e uma segunda superfície frontal separadas por uma espessura. a primeira superfície frontal do tecido direcional é afixada a um componente da preforma com o formato de seta. o reforço de tecido direcional pode ser um tecido de camada única ou de camadas múltiplas, que pode ser tecido usando um sistema de execução programável.

Description

PREFORMA ENTALHADA EM FORMATO DE SETA (TRIANGULAR) REFORÇADA, MÉTODO PARA FORMAR A REFERIDA PREFORMA E ESTRUTURA COMPÓSITA TRIDIMENSIONAL COMPREENDENDO A REFERIDA PREFORMA

Relatório Descritivo

Incorporação Para Referência

Todas as patentes, pedidos de patente, documentos, referências, instruções do fabricante, descrições, especificações de produto e folhetos de produto para quaisquer produtos aqui mencionados são incorporados por referência e podem ser empregados na prática da invenção.

Campo da Invenção

Esta invenção refere-se em geral a preformas tecidas e refere-se em particular a preformas tecidas usadas em materiais compósitos reforçados. Mais particularmente, a presente invenção refere-se a preforma em forma de Pi que podem ser conformadas em formatos altamente encurvados. Até mesmo mais particularmente, a presente invenção refere-se a reforços para preformas em forma de Pi.

Antecedentes da Invenção

O uso de materiais compósitos reforçados para produzir componentes estruturais é agora amplamente difundido, particularmente em aplicações onde suas características desejáveis de leve peso, alta resistência, tenacidade, resistência térmica e capacidade de serem formados e conformados pode ser usada com grande vantagem. Tais componentes são usados, por exemplo, em produtos aeronáuticos, aeroespaciais, de satélite, recreativos de alto desempenho e outras aplicações.

Petição 870190046655, de 17/05/2019, pág. 12/20

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Tipicamente, tais componentes consistem de materiais de reforço embutidos nos materiais de matriz. O reforço componente pode ser feito a partir de materiais, tais como vidro, carbono, cerâmica, aramida, polietileno e/ou outros materiais que exibem desejadas propriedades físicas, térmicas, químicas e/ou outras propriedades, a principal das quais é a grande resistência contra falha contra estresse.

Através do uso de tais materiais de reforço, que ultimamente se tornaram um elemento constituinte do componente completado, as características desejáveis dos materiais de reforço, tais como uma resistência muito alta, são proporcionadas ao componente compósito completado. Os típicos materiais constituintes de reforço podem ser tecidos, tricotados ou orientados de outra maneira em configurações e formatos desejados para preformas de reforço. Usualmente, particular atenção é dada para assegurar a utilização ótima das propriedades para as quais os materiais constituintes de reforço foram selecionados. Usualmente, tais preformas de reforço são combinadas com material de matriz para formar os desejados componentes acabados ou para produzir estoque de trabalho para a produção final de componentes acabados.

Depois de a desejada preforma de reforço ter sido construída, o material de matriz pode ser introduzido na preforma e dentro dela, de forma que tipicamente a preforma de reforço se torna encerrada no material da matriz e o material da matriz enche as áreas intersticiais entre os elementos constituintes da preforma de reforço. O material de matriz pode ser qualquer de uma ampla variedade de materiais, tais como epóxi, poliéster, viniléster, cerâmica, carbono e/ou outros materiais, que também exibem desejadas propriedades físicas, térmicas, químicas e/ou outras propriedades. Os materiais escolhidos para uso como matriz podem ser ou não os mesmos que aqueles da preforma de reforço e podem ou não ter comparáveis propriedades físicas, químicas, térmicas ou outras propriedades. Tipicamente, todavia, não serão dos mesmos

3/22 materiais nem terão propriedades físicas, químicas, térmicas ou outras propriedades comparáveis, uma vez que um objetivo usual procurado no uso de compósitos, em primeiro lugar, é o de atingir uma combinação de características no produto acabado que não pode ser alcançada através do uso de um material constituinte sozinho. Assim combinados, a preforma de reforço e o material de matriz podem, então, ser curados e estabilizados na mesma operação por termo-endurecimento ou outros métodos conhecidos e, então, sujeitos a outras operações na direção da produção do componente desejado. Ê significativo notar neste ponto que, depois de serem curadas, as massas então solidificadas do material de matriz normalmente são muito fortemente aderidas ao material de reforço (por exemplo, a preforma de reforço). Como resultado, a tensão sobre o componente acabado, particularmente via seu material de matriz atuando como adesivo entre fibras pode ser efetivamente transferida e transportada pelo material constituinte da preforma de reforço. Qualquer ruptura ou descontinuidade na preforma de reforço limita a capacidade da preforma de transferir e suportar a tensão aplicada ao componente acabado.

Frequentemente é desejado produzir componentes em configurações que são diferentes de tais formatos geométricos simples, como, por exemplo, placas, folhas, sólidos retangulares ou quadrados etc. Uma maneira de realizar isto é a de combinar tais formatos geométricos básicos nas desejadas formas mais complexas. Tal combinação típica é feita por meio de união de preformas de reforço feitas como descrito acima em um ângulo (tipicamente um ângulo reto) uma com relação à outra. As finalidades usuais para tais arranjos angulares de preformas de reforço unidas são para criar um formato desejado para formar um reforço preforma que inclui uma ou mais paredes de extremidade ou interseções “T”, por exemplo, ou reforçar a combinação resultante de preformas de reforço e a estrutura compósita que ela produz contra a

4/22 deflexão ou falha, quando ela é exposta a forças externas, tais como pressão ou tensão. Em qualquer caso, uma consideração relacionada é a de fazer cada junção entre os componentes constituintes tão forte quanto possível. Dada a desejada resistência muito alta dos constituintes de reforço de preforma por si, a fragilidade da junção torna-se, efetivamente, um “elo fraco” em uma “corrente” estrutural.

Um exemplo de uma configuração de interseção é exposta na Patente US N.° 6.103.337, cuja exposição é aqui incorporada por referência. Esta referência expõe um meio eficaz de unir conjuntamente duas placas de reforço em forma de T. Isto pode ser realizado por meio de união de um primeiro painel de reforço a um segundo painel de reforço colocado sobre a borda contra o primeiro painel.

Várias outras propostas foram feitas no passado para produzir tais junções. Foi proposto formar e curar um elemento de painel e um elemento de enrijecimento angulado, separados um do outro, com o último tendo uma única superfície de contato de painel ou sendo bifurcado em uma extremidade para formar duas superfícies de contato de painel divergentes, coplanares. Os dois componentes são então unidos por adesivamente colar a(s) superfície(s) de contato de painel do elemento de enrijecimento a uma superfície de contato do outro componente usando adesivo termo-estável ou outro material adesivo. Todavia, quando é aplicada tensão ao painel curado ou ao revestimento da estrutura compósita, cargas em valores inaceitavelmente baixos resultaram em forças de “descasque” que separam o elemento de enrijecimento a partir do painel em sua interface, uma vez que a resistência efetiva da união é aquela do adesivo e não aquela da matriz ou dos materiais de reforço.

O uso de parafusos ou rebites de metal na interface de tais componentes é inaceitável porque essas adições pelo menos parcialmente destroem e enfraquecem a integridade de estruturas compósitas propri

5/22 amente ditas, acrescentam peso e introduzem diferenças no coeficiente de expansão térmica, como entre tais elementos e o material circundante.

Outras propostas para solucionar este problema têm sido baseadas no conceito de introduzir fibras de alta resistência através da área de união através do uso de métodos, tais como costura de um dos componentes ao outro e contando com o fio de costura para introduzir tais fibras de reforço dentro e através do local de união. Essa abordagen é mostrada na Patente US N.° 4.331.495 e sua contrapartida de divisão de método, Patente US N.° 4.256.790. Essas patentes expõem junções ou uniões que foram feitas entre um primeiro e um segundo painéis compósitos feitos de dobras de fibra adesivamente ligadas. O primeiro painel é bifurcado em uma extremidade para formar duas superfícies de contato de painel divergentes, coplanares, da maneira da técnica anterior, que foram unidas ao segundo painel por pontos de fio compósito flexível não curado através de ambos os painéis. Os painéis e o fio foram, então, curados simultaneamente ou “co-curados”. Outro método para melhorar a resistência de união é exposto na US N.° 5.429.853.

Embora a técnica anterior tenha buscado melhorar a integridade estrutural do compósito reforçado e tenha obtido sucesso, particularmente no caso da Pat. US N.° 6.103.337, existe um desejo de melhorar a mesma ou abordar o problema através de uma proposta diferente do uso de adesivos ou acoplamento mecânico. A este respeito, uma proposta poderia ser a de criar uma estrutura tridimensional (“3D”) tecida por máquinas especializadas. Todavia, o dispêndio envolvido é considerável e raramente é desejável se ter uma máquina de tecer dirigida para a criação de uma estrutura única. A despeito deste fato, preformas de 3D que podem ser processadas para formar componentes compósitos reforçados com fibras são desejáveis porque elas provêem resistência aumentada e tolerância a dano em relação a compósitos convencionais laminados de duas dimensões (“2D”). Essas preformas são particularmente úteis

6/22 em aplicações que requerem que o compósito suporte cargas fora do plano. Todavia, as preformas da técnica anterior, discutidas acima, foram limitadas em sua capacidade de resistir a altas cargas fora do plano, a serem tecidas em um processo de tecer automatizado, e para prover uma espessura variável de porções da preforma.

Outra proposta seria a de tecer uma estrutura multicamada plana e dobrá-la no formato em 3D. Tentativas anteriores no dobramento de preformas multicamadas em formatos em 3D tipicamente resultaram em partes que se distorcem quando a preforma foi dobrada. A distorção ocorre porque os comprimentos de fibra, como tecida, são diferentes daqueles que devem ser quando a preforma é dobrada. Isto causa ondulações e rugas nas áreas onde os comprimentos de fibra, quando tecidos, são demasiadamente pequenos, e pregas nas áreas onde os comprimentos de fibra são demasiadamente longos. Um exemplo de uma arquitetura de tecelagem de preforma de 3D, que pode conduzir a rugas ou enlaces nas áreas onde a preforma é dobrada, é exposto na Patente US 6.874.543, cujo conteúdo inteiro é aqui incorporado por referência.

Uma proposta para solucionar o problema de distorção no dobramento é exposta na Patente US 6.466.675, cujo conteúdo inteiro é aqui incorporado por referência. Esta referência provê uma estrutura multicamada plana que pode ser dobrada em uma estrutura de 3D, conformada em T, ou conformada em Pi, assim chamada porque a parte dobrada da preforma pode produzir ou uma ou duas pernas (para formatos de T e formatos de Pi, respectivamente) geralmente perpendiculares a um flange ou material parente. Isto é realizado por meio do ajuste do comprimento de fibras durante a tecelagem para prevenir as acima mencionadas ondulações e pregas no local da dobra. No processo de tecelagem, algumas fibras são tecidas demasiadamente longas e outras tecidas demasiadamente curtas, na região da dobra. As fibras curtas e longas são então equalizadas em comprimento, quando a preforma é

7/22 dobrada, produzindo uma transição suave na dobra.

O benefício de preformas dobradas é a resistência da união entre o painel a ser reforçado e o painel de reforço. Quando elas são tecidas conjuntamente, os painéis compartilham material de reforço e material de matriz, criando uma construção unitária. A junção entre o painel ou perna integralmente tecido e o material parente ou flange não é mais o elo fraco, contando somente com a resistência do adesivo para a resistência da união, como nos reforços da técnica anterior. Em vez disso, as fibras da preforma integralmente tecem as pernas e o flange conjuntamente.

Frequentemente, todavia, formatos complexos, tais como curvas, requerem reforço. Reforços conformados em T ou em Pi, dobrados, requerem formação de entalhe nas pernas a fim de acomodar uma superfície encurvada. Quando o material de flange de uma preforma dobrada assume um formato encurvado, o comprimento da superfície encurvada necessariamente varia a partir do interior da curvatura para o exterior. O comprimento de arco do exterior da curvatura, a superfície com o maior raio quando encurvada, aumenta, enquanto no interior da curvatura, o comprimento de arco diminui. As pernas de típicas preformas dobradas não podem alterar de comprimento, quando requerido, para acomodar uma superfície encurvada. Para acomodar uma superfície encurvada, as pernas devem ser entalhadas, isto é, cortadas para permitir que a perna se conforme ao comprimento de arco alterado.

Tipicamente, o corte é ao longo do raio localizado de curvatura, mas outros cortes, não radiais, podem também ser usados para acomodar a alteração em comprimento. Para permitir o comprimento diminuído no interior de uma preforma encurvada, a perna é cortada e as bordas cortadas são permitidas que se sobreponham ou o excesso de material é removido. De modo semelhante, para acomodar o comprimen

8/22 to aumentado no exterior da curvatura, a perna é cortada, resultando em um interstício triangular entre bordas cortadas da perna. Em qualquer configuração, as rupturas de entalhe da continuidade do material de reforço em cada perna. O entalhamento das pernas de uma preforma em T ou Pi tridimensional pode degradar seriamente as capacidades de suporte de carga da preforma, porque o entalhamento envolveu o corte das fibras que provêm o trajeto de carga principal em torno do canto. Os métodos da técnica anterior não abordaram adequadamente a necessidade de reforço adequado de preformas entalhadas usadas para reforçar superfícies encurvadas.

A presente invenção aborda os inconvenientes da técnica anterior pela provisão de um reforço para preformas de 3D, particularmente preformas entalhadas de 3D.

Sumário da Invenção

Por conseguinte, um objetivo da invenção é o de prover um reforço para uma preforma de 3D.

Outro objetivo da invenção é o de prover um reforço para uma preforma de 3D conformada em T ou em Pi.

Ainda, outro objetivo da invenção é o de prover um reforço tecido orientado para a preforma entalhada.

É ainda outro objetivo da invenção prover um tecido, tecido orientado configurado para ocupar um gancho entre as pernas da preforma em Pi de 3D as um reforço.

Para uma melhor compreensão da invenção, de suas vantagens de operação e objetivos específicos atingidos por seus usos, referência é feita à matéria descritiva anexa, na qual modalidades preferidas, mas não limitativas, da invenção, são ilustradas.

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É notado que nesta exposição e particularmente nas Reivindicações e/ou parágrafos, termos tais como “compreende”, “composto”, “compreendendo” e similares podem ter o significado atribuído ao mesmo na Lei Norte-Americana de Patentes; por exemplo, eles podem significar “inclui”, “incluído”, “incluindo” e similares; e que termos tais como “consistindo essencialmente em” e “consiste essencialmente em” têm o significado previsto aos mesmos na Lei Norte-Americana de Patentes, por exemplo, eles admitem elementos não explicitamente mencionados, mas excluem elementos que são encontrados na técnica anterior ou que afetam uma característica básica ou nova da invenção. Essas e outras modalidades são expostas ou são óbvias a partir da descrição detalhada e por ela abrangidas.

Breve Descrição dos Desenhos

Os desenhos anexos, que são incluídos para prover uma compreensão mais detalhada da invenção, são incorporados e fazem parte desta descrição. Os desenhos apresentados aqui ilustram diferentes modalidades da invenção, e, conjuntamente com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção. Nos desenhos:

a Figura 1 é uma vista lateral de uma preforma em Pi de 3D convencional;

a Figura 2 é uma vista em seção transversal da preforma de 3D convencional da Figura 1, tomada ao longo da linha A-A;

a Figura 3 é uma vista lateral de uma preforma entalhada de 3D convencional;

a Figura 4 é uma vista lateral de uma preforma entalhada de 3D convencional, configurada em uma dobra ou configuração encurvada;

a Figura 5 é uma vista lateral de um reforço de tecido orientado, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

10/22 a Figura 6 é a preforma de 3 D da Figura 2 com o reforço de tecido orientado da Figura 5 colocado entre as pernas da preforma, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

a Figura 7 é a preforma de 3D da Figura 2 incluindo um reforço de tecido orientado, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

a Figura 8 é uma vista seccional de uma preforma conformada em T incluindo um reforço de tecido orientado, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

a Figura 9 é uma vista de extremidade, seccional, de um reforço de tecido orientado de acordo com uma modalidade da presente invenção; e.

a Figura 10 é a preforma de 3 D da Figura 2 com o reforço de tecido orientado da Figura 9 colocado entre as pernas da preforma, de acordo com uma modalidade da presente invenção.

Descrição Detalhada das Modalidades Preferidas

As Figuras 1 e 2 ilustram uma preforma em Pi de 3D 100, com pernas pendentes integralmente tecidas 102(a) e 102(b) (coletivamente, as pernas 102”). A preforma é formada a partir de uma estrutura tecida multicamada plana apropriadamente tecida e dobrada para produzir pernas 102(a) e 102(b) estendendo-se a partir do flange 104. Seria aparente para uma pessoa de conhecimento comum na técnica que outros formatos de seção transversal são possíveis das preformas dobradas. Por exemplo, um formato de T pode ser formado de uma preforma tecida plana se somente uma perna 102 é formada. De modo semelhante, um formato de T também resultaria a partir uma preforma em Pi com nenhum espaço d separando as pernas 102, como se, por exemplo, dentro das superfícies confrontantes 106(a) e 106(b) existisse um arranjo

11/22 de contato.

Para finalidades desta exposição, “fibra” é entendida em um sentido amplo e abrange fibras, fios ou entrançados. Embora a fibra de carbono seja preferida, a invenção é aplicável a praticamente qualquer outra fibra incluindo, mas, sem limitação, aquelas que podem ser rompidas por estiramento, por exemplo, fibra de carbono ou vidro rompidas por estiramento.

Por clareza, um sistema de coordenadas arbitrariamente escolhido é provido nas Figuras 1-4 para ilustrar a orientação das várias vistas no espaço. Isto é provido como um auxílio para a compreensão das Figuras e de maneira alguma faz parte da exposição da invenção. No sistema de coordenadas usado nas Figuras, as fibras ou fios de trama ou enchimento (F) são alinhados com o eixo X e as fibras ou fios de urdidura (W) são alinhados com o eixo Y. O eixo Z é perpendicular ao flange plano 104.

A preforma 100 é formada a partir de fibras ou fios de urdidura (W) 103 e fibras ou fios de trama (F) 105, como mostrado na Figura

1. Em algumas modalidades, as fibras de urdidura (W) e de trama (F) individuais 103 e 105 se entrelaçam entre si em qualquer padrão conhecido para formar a preforma tecida. Através de conhecidos métodos de tecelagem, as fibras de urdidura (W) 103 e as fibras de trama (F) 105 são tecidas no flange 104 e as pernas 102 com as fibras de urdidura (W) 103 correndo continuamente na direção Y tanto no flange 104 quanto nas pernas 102. As fibras de trama (F) 105 correm na direção X na preforma não dobrada. Quando as pernas são dobradas para formar uma preforma de 3D, as fibras de trama (F) 105 nas pernas 102 são orientadas na direção Z.

Como ilustrado na Figura 2, as pernas 102 têm extremidades livres 108(a) e 108(b) posicionadas para longe a partir dos flanges 104.

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Coletivamente, as extremidades livres 108 podem ser adelgaçadas como ilustrado na Figura 2. Outras configurações de extremidade livre são antecipadas, dependendo dos critérios de projeto ou de outras considerações. Exemplos não limitativos de tais configurações de extremidade livre podem incluir seções transversais quadradas, arredondadas ou bulbosas. As pernas adjacentes 102 podem ter a mesma configuração de extremidade ou podem ter diferentes configurações de extremidade. As configurações de extremidade podem variar ao longo do comprimento da preforma, quando requerido.

De modo semelhante, o flange 104 compreende as porções de extremidade 110(a) e 110(b) (coletivamente, as porções de extremidade 110) posicionadas nas extremidades do flange 104. Como ilustrado, as porções de extremidade 110 são mostradas como sendo adelgaçadas. Tal como com as extremidades livres 108 acima, as porções de extremidade de flange podem ter configurações diferentes com relação àquelas da configuração adelgaçada mostrada. Com exemplos não limitativos alternativos, a extremidade 110 pode ser quadrada, redonda ou bulbosa ou combinações das mesmas. Deve ser notado que ambas as pernas 102 e qualquer lado do 104 podem ter comprimentos iguais ou desiguais. Por exemplo, a para 102(a) pode ser mais longa que a perna 102(b), ou vice versa. De modo semelhante, um lado do flange 104 pode ser mais largo que o outro lado.

A preforma de 3D 100 da Figura 1 é mostrada em uma configuração retilínea, na qual a superfície superior 112 do flange é geralmente plana nas direções X e Y. Tais configurações podem ser úteis em aplicações nas quais um painel plano é requerido. Todavia, em muitas aplicações, pode ser desejável ter uma preforma encurvada para criar um painel de 3D curvo ou curvilíneo. A Figura 4 é um exemplo não limitativo de um painel curvilíneo, útil em algumas aplicações. Como mostrado, o flange 104 permanece plano ou aproximadamente plano, na direção do

13/22 eixo X, ou direção de trama (F). A configuração ilustrada mostra as fibras no eixo Y, as fibras de urdidura (W) 103, configuradas em uma dobra ou curva de aproximadamente 90°. Como tal, as fibras de urdidura (W) 103, inicialmente alinhadas com a direção Y, mudam de orientação através da dobra para ficar alinhadas com o eixo Z.

A Figura 3 ilustra uma convencional preforma entalhada de 3D 101 antes do dobramento, como é conhecida na técnica. Os entalhes 116 são geralmente cortes nas pernas 102 estendendo-se a partir da extremidade livre 108 e terminando no lado inferior 114 do flange 104. Os entalhes podem ser formados por corte de seções triangulares a partir de cada perna a ser entalhada, como mostrado na Figura 3. Um primeiro lado da peça triangular removido da perna 102 é alinhado com a extremidade livre 108 da perna. Os dois lados adicionais do entalhe 116 se estendem a partir de cada extremidade do primeiro lado do triângulo na direção e convergindo no lado inferior 114 do flange 104.

Alternativamente, os entalhes podem ser cortes simples estendendo-se a partir da extremidade livre 108 da perna 102 na direção para, e terminando no, o lado inferior 114 do flange 104.

Quando a preforma entalhada 101 (figura 3) com entalhes triangulares é encurvada para a configuração como mostrada na Figura 4, os cantos da seção triangular removida, por exemplo, 118(a) e 118(b), são colocados conjuntamente, permitindo que o flange 104 da preforma assuma um formato encurvado. Pares de cantos adjacentes, por exemplo, 118a/l 18b, 118c/118d, 118e/118f (figura 3), podem passar a ficar conjuntamente no mesmo plano, mantendo superfícies internas lisas (106(a) e 106(b)) e superfícies externas (107(a) e 107(b)) das pernas 102, como mostrado na Figura 2. Em algumas aplicações, superfícies planas lisas das pernas 102 não são requeridas. Naquelas aplicações, entalhes de corte único podem ser usados e as bordas cortadas podem se sobre

14/22 por, quando a preforma é encurvada. Múltiplos entalhes de qualquer tipo podem ser usados, quando for requerido pela aplicação.

Independentemente do número ou tipo dos entalhes usados, o efeito sobre a preforma é geralmente o mesmo. Qualquer corte na perna 102 estendendo-se a partir da extremidade livre 108 na direção para o lado inferior 114 do flange 104 cortará todas das fibras de urdidura (W) 103 da perna 102 ao longo do comprimento do corte. Como as fibras de urdidura (W) 103 provêm o trajeto de suporte de carga principal em torno do canto da preforma encurvada 101, o corte das fibras de urdidura (W) 103 interrompe o trajeto de carga e pode seriamente degradar a capacidade da estrutura de suportar cargas. Cortes que são não paralelos ás fibras de trama (F) 105 da perna 102 são prováveis que cortem uma ou mais das fibras de trama (F) 105. Como é geralmente entendido, qualquer corte das fibras ou fios de reforço nas pernas 102 provê uma ruptura na continuidade do reforço e diminui a efetividade do reforço. Em particular, rupturas nas fibras de urdidura (W) 103 diminuem significativamente a resistência da preforma.

Na preforma encurvada entalhada 101 ilustrada na Figura 4, a preforma foi encurvada de forma que as pernas 102 estão no interior do raio de curvatura R, que é côncava no lado da perna. Em alguns casos, é desejável prover a preforma encurvada de modo que as pernas estejam no exterior da curvatura da preforma entalhada (não mostrada). EntaIhadura similar é usada para formar uma dobra na qual a preforma de 3D é convexa no lado da perna. Quando a perna está no exterior do raio de curvatura, cortes retilíneos são tipicamente usados. Como é geralmente conhecido, quando a preforma é encurvada, o entalhe se abre para cima e espaços triangulares são formados a partir dos cortes retilíneos.

Em muitas aplicações, é desejável fabricar a preforma de curvatura complexa de forma que a preforma tenha tanto curvaturas

15/22 côncavas quanto convexas ao longo de seu comprimento. Em tais aplicações, a preforma seria, em algumas áreas ao longo do comprimento, côncava no lado da perna, ou convexa no lado da perna. Por conseguinte, as pernas 102 estariam, em algumas áreas, no interior da curvatura (por exemplo, como mostrado na Figura 4) e em outras áreas, no exterior da curvatura. Independentemente da direção da curvatura ou, se existir, sobretudo, dobra, qualquer interrupção ou ruptura na continuidade das fibras de reforço de urdidura (W) ou trama (F) 103 e 105 nas pernas 102 enfraquece a preforma, porque a preforma obtém muito de sua resistência a partir da continuidade das fibras de reforço, particularmente aquelas fibras na direção de urdidura (W). A impregnação da preforma com cortes ou fibras de reforço interrompidas de urdidura (W) 103 com um material de matriz provê pouca melhoria à resistência, porque a resistência da preforma conta significativamente, então, com a resistência do material de matriz.

A fim de reforçar a preforma entalhada 101, um tecido orientado 201, como mostrado na Figura 5, é provido, que pode ser afixado a uma ou ambas as pernas 102 da preforma entalhada 101 e a preforma modificada pode ser impregnada com uma resina. Como seria óbvio a uma pessoa de conhecimento comum na técnica, o mesmo tecido ou tecido orientado similar 201 poderia ser afixado a uma preforma não entalhada para aumentar a resistência, rigidez ou outras características de reforço da preforma.

O tecido orientado 201 pode ser tecido plano e composto de fibras ou fios de urdidura (W) 203 e fibras ou fios de trama (F) 205 que podem ser orientados essencialmente perpendiculares entre si através de todo o tecido, como mostrado na Figura 5. As superfícies geralmente planas 212, 213 do tecido são espaçadas, definindo a espessura, t, do tecido 201, como mostrado na Figura 6. A espessura t pode também ser obtida por combinação de dois ou mais tecidos orientados conjuntamente

16/22 ou pode ser obtida por tecelagem de um único tecido multicamada orientado ou pode ser obtida por tecelagem de um tecido orientado plano e dobramento do mesmo ao longo do comprimento do tecido. Em qualquer caso, a espessura, t, do tecido orientado 210 deve ser não maior que d (figura 2), o espaçamento entre pernas 102 (a) e 102 (b), às vezes referido como um gancho. A Figura 5 inclui coordenadas ortogonais 206 em três locais sobre o tecido orientado 201 indicando a orientação das fibras de urdidura localizadas (W) 203 e das fibras de trama (F) 205 uma com relação à outra e ao tecido 201 propriamente dito. Vantajosamente, as fibras de urdidura (W) 203 são continuas em torno da dobra, como ilustrado na Figura 5.

Em algumas aplicações, pode ser desejável prover um tecido orientado com a espessura, t, inferior à largura de gancho, ou espaçamento, d, entre as pernas 102 de uma preforma em Pi, de forma a deixar algum espaço entre as pernas não cheias com tecido. Por exemplo, pode ser benéfico colocar outros materiais, componentes, ou partes dentro do gancho em adição ao tecido orientado. Os outros materiais, componentes ou partes podem acrescentar funcionalidade à preforma ou acrescentar características mecânicas ou físicas não facilmente alcançáveis com tecidos ou preformas.

A Figura 9 representa uma vista em seção transversal de um tecido orientado alternativo 214 de acordo com esta invenção. Ao invés de encher o gancho entre pernas 102(a) e 102(b) com um tecido orientado plano 201, como na Figura 6, o tecido orientado 214 é primeiro tecido plano e então dobrado ao longo do comprimento para uma configuração geralmente de forma de U antes da inserção entre pernas 102. Em uma configuração em forma de U, partes da superfície geralmente plana 212 são dobradas uma em direção à outra de forma que porções da superfície são geralmente paralelas entre si, como mostrado na Figura 9. A Figura 10 ilustra um tecido orientado dobrado em um formato de U e inserido

17/22 em um gancho de largura d. Em uma modalidade (não mostrada), o tecido orientado 214 é tecido plano e dobrado de forma que porções da superfície geralmente plana 212 (ou 213) formam um ângulo inclinado de entre 0^o e 180°.

O tecido orientado dobrado 214 pode encher, ou substancialmente encher, o gancho. Alternativamente, o tecido orientado dobrado 214 pode não encher o gancho, deixando um espaço entre as pernas dobradas 216(a) e 216(b), como ilustrado nas Figuras 9 e 10. Em alguns casos, pode ser desejável deixar um espaço entre um dentre o tecido orientado dobrado 214, pernas 216(a) ou 216(b) e a superfície interna das pernas 102(a) ou 102(b).

Para facilidade de ilustração, a Figura 10 mostra o tecido orientado dobrado 214 com a extremidade fechada 218, adjacente à extremidade fechada do gancho. É reconhecido que o tecido orientado dobrado 214 pode ser colocado no gancho em uma orientação girada por 180° a partir daquela mostrada. Ao fazê-lo, o gancho aparecerá ter sido enchidocheio ou substancialmente enchido com o tecido 214, mas pode manter um núcleo aberto.

O tecido orientado 201 tem um comprimento, medido na direção das fibras de urdidura (W), e uma largura, medida na direção das fibras de trama (F). Geralmente, quando afixado às pernas 102 da preforma entalhada 101, o comprimento do tecido orientado 201 é alinhado com o comprimento da preforma entalhada 101, quando medido na direção de urdidura (W). Em uma configuração encurvada ou curva, o comprimento será uma medida linear, mas incluirá comprimentos de arco nas áreas curvas. A largura do tecido orientado 201, medida na direção de trama (F), pode se conformar ao comprimento das pernas 102 a serem reforçadas. Em alguns casos, a largura do tecido 201 pode ser inferior ou superior ao comprimento das pernas a serem reforçadas.

18/22

Como ilustrado, o tecido orientado 201 é provido com uma dobra de essencialmente 90° para se conformar à preforma entalhada e encurvada 101 na Figura 4. O tecido orientado 201 tem uma borda interna 208 e uma borda externa 210. Como ilustrado, a borda externa 210 é conformada para se conformar ao raio formado pelo lado inferior 114 do flange 104 da preforma encurvada 101. De modo semelhante, a borda interna 208 é conformada para se conformar à extremidade livre 108 das pernas 102, incluindo o raio de curvatura interno R da preforma encurvada 101 da Figura 4.

A preforma encurvada 101 e o tecido orientado 201 são mostrados com somente uma seção encurva ou curva, encurvada em aproximadamente 90°, somente para simplicidade de ilustração. Como discutido acima, a preforma pode ser encurvada ou côncava ou convexa no lado da perna, ou qualquer combinação de côncava e convexa, ao longo do comprimento da preforma encurvada 100. A preforma encurvada 101 pode ser composta de dobras superiores ou inferiores a 90°, mostradas. O tecido orientado 201 pode ser tecido para se adaptar à curvatura da preforma encurvada 101, à qual o tecido deve ser afixado.

O tecido orientado 201 é criado por tecelagem como fibras mais curtas sobre a borda interna 208 na área de uma curva e tecelagem subsequente de fibras progressivamente mais longas na direção para a borda externa 210 do tecido 201 na área localizada da curva ou dobra. Por exemplo, a fibra de urdidura a mais interna (W) 203 no raio interno R do tecido orientado 201 tem um comprimento igual ao comprimento de arco do raio R sobre a medida angular da dobra ou curva. Uma fibra subsequente, deslocada por uma distância x a partir da fibra mais interna na direção para o raio de curvatura externo, teria um comprimento igual ao comprimento de arco de (R+x) sobre a mesma medida angular da dobra ou curva. Nas áreas nas quais não existe curva, as fibras ao longo da borda interna e borda externa seriam do mesmo com19/22 primento.

O tecido orientado dobrado 214 pode ser feito de uma forma similar com fibras ou fios de urdidura (W) tecidos mais curtos na borda interna 208 da curvatura, como mostrado na Figura 5, e progressivamente mais longos se aproximando à borda externa 210 da curva.

O tecido orientado pode ser fabricado em equipamento de tecelagem, compreendendo, por exemplo, um sistema de captação programável que pode prover diferentes quantidades de captação em cada borda do tecido. O sistema de captação programável pode produzir tecido tendo combinações arbitrárias de seções curvas e retas que podem se aproximar essencialmente a qualquer configuração encurvada.

Por simplicidade, o reforço de uma preforma em Pi tendo 2 pernas será discutido aqui, reconhecendo que o mesmo tecido orientado 201 e método podem ser usados para reforçar uma preforma em T, tendo uma perna, ou uma preforma tendo mais que 2 pernas. Depois da tecelagem do tecido orientado 201 para se conformar à preforma encurvada 101, o tecido 201 é afixado à preforma. Para preformas entalhadas e encurvadas 101 com pelo menos 2 pernas 102, o tecido orientado pode ser afixado a uma ou ambas as pernas 102. Em alguns casos, pode ser desejável afixar o tecido orientado 201 entre um par de as pernas adjacentes 102. Em tal configuração, o espaço entre as pernas é comumente conhecido como o gancho. O uso de um tecido orientado em tal configuração é ilustrado na Figura 6.

A Figura 6 é uma vista em seção transversal de uma preforma conformada em Pi, similar àquela na Figura 2, com um tecido orientado 201 colocado entre as pernas adjacentes 102(a) e 102(b), com superfícies geralmente planas 212, 213 encostando-se pelo menos a uma das superfícies internas 106(a) e 106(b). O tecido orientado espessura pode ser equivalente ao espaçamento entre as superfícies internas 106(a)

20/22 e 106(b) das pernas 102. Assim, colocado entre as pernas 102, o tecido orientado 201 pode ser afixado a uma ou ambas as pernas, por tais meios, como são conhecidos na técnica. Por exemplo, tecido orientado 201 pode ser afixado a uma ou ambas as pernas 102 por pesponto, costura, fixação por grampos, adesivo, impregnante ou qualquer outro método conhecido na técnica.

Alternativamente, um tecido orientado pode ser afixado a um ou mais das superfícies externas 107(a) e 107(b) da preforma entalhada 101, como mostrado na Figura 7. Métodos similares àqueles discutidos acima podem ser usados para afixar o tecido orientado 201 à superfície externa 107 da perna 102.

De modo semelhante, um tecido orientado 201 pode ser usado para reforçar uma preforma conformada em T por afixação do tecido 201 a um ou a ambos os lados da perna da preforma. Como mostrado na Figura 8, tecido orientado 201 é afixado a uma preforma conformada em T 301 sobre um lado da perna da preforma 102. O tecido orientado pode ser afixado através de quaisquer meios conhecidos na técnica.

Vantajosa em algumas aplicações, a preforma entalhada em Pi 101, reforçada com tecido orientado 201 posicionada entre as pernas adjacentes 102(a) e 102(b) provê uma superfície externa mais uniforme, lisa, 107 quando comparada com a preforma entalhada com um reforço de tecido orientado no exterior da perna da preforma.

Uma vez reforçado com um ou mais tecidos orientados 201 e o tecido orientado 201 apropriadamente afixado à preforma entalhada e encurvada 101, a preforma 101 e o tecido orientado 201 podem ser impregnados com um material de matriz (por exemplo, uma resina) como estrutura única, como é conhecido na técnica. O material de matriz pode ser qualquer de uma ampla variedade de materiais, tais como epóxi, bismaleimida, poliéster, viniléster, cerâmica, carbono e/ou outros mate

21/22 riais, que exibem as desejadas propriedades físicas, térmicas, químicas e/o outras propriedades. As etapas de cura subsequentes podem ser realizadas na preforma agora reforçada para produzir uma estrutura compósita reforçada e acabada. Como é conhecido na técnica, na impregnação, o material de matriz encerra a urdidura reforçada (W) e as fibras de trama (F) 203 e 205 e enche as áreas intersticiais entre as fibras. Uma vez curado, o material de matriz solidificado forma uma ligação muito forte com as fibras 103, 105, 203, 205 da preforma entalhada reforçada, resultando em uma estrutura compósita tridimensional incluindo a preforma conformada em Pi ou em T, o reforço de tecido orientado, e o material de matriz que pelo menos parcialmente impregna a preforma e o reforço de tecido orientado. Como resultado, a tensão sobre o componente acabado pode ser efetivamente transferida e transportada pelas fibras 103, 105, 203, 205. De particular importância é o trajeto de carga na área do preforma entalhada e encurvada 101. Como as fibras de urdidura (W) nas pernas 102 são cortadas no processo de entalhe, o trajeto de suporte da carga principal foi comprometido. A afixação do tecido orientado 201 nas pernas 102 e subsequente impregnação e cura do material de matriz provê um trajeto novo e mecanicamente melhorado de transporte de carga. A carga tipicamente suportada pela perna 102 da preforma pode ser compartilhada dentro do tecido orientado 201 na área da dobra ou curva, efetivamente se desviando das áreas entalhadas da preforma. Por conseguinte, a capacidade de suporte de carga foi restaurada e melhorada na área da curva.

As vantagens da presente invenção incluem a provisão de um reforço para uma preforma de 3D. Em particular, a presente invenção provê reforço para a perna ou pernas de uma preforma de 3D, quando a perna ou pernas foram entalhadas para permitir que a preforma assuma a configuração encurvada. O reforço é provido por um tecido orientado, tecido no mesmo padrão curvo que a preforma de 3D e possuindo fibras

22/22 continuas pelo menos através da parte curva da preforma.

O reforço de tecido orientado pode ser tecido a partir de fibras ou fios feitos a partir de materiais, tais como vidro, carbono, cerâmica, aramida (por exemplo, “KEVLAR”), polietileno e/ou outros materiais 5 que exibam as desejadas propriedades físicas, térmicas, químicas e/ou outras propriedades.

Embora tenham sido aqui descritas em detalhe modalidades preferidas da presente invenção e modificações das mesmas, deve ser entendido que esta invenção não é limitada a esta modalidade e modifi10 cações precisas e que outras modificações e variações podem ser efetuadas por uma pessoa especializada na técnica sem fugir do espírito e escopo da invenção, como definidas pelas Reivindicações anexas.

Claims

1. Preforma entalhada em formato de seta (triangular) reforçada caracterizada por compreender:

uma preforma tridimensional conformada em Pi ou T tendo pelo menos um componente entalhado com formato de seta, um tecido direcional tendo uma largura, um comprimento, uma primeira superfície frontal e uma segunda superfície frontal separadas por uma espessura, o tecido direcional tendo fibras de urdidura contínuas ao longo do comprimento, em que a primeira superfície frontal do tecido direcional é afixada ao componente entalhado com formato de seta da preforma, de tal forma que as fibras da urdidura são contínuas ao redor da porção entalhada, em que o entalhe é um corte no componente.

2/5 segunda superfícies frontais são planas.

2. Preforma entalhada em formato de seta (triangular) reforçada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o tecido direcional é tecido.

3/5 afixar o reforço de tecido direcional à preforma entalhada em pelo menos uma região entalhada em formato de seta, de tal forma que as fibras da urdidura são contínuas ao redor da porção entalhada, em que o entalhe é um corte no componente.

3. Preforma entalhada em formato de seta (triangular) reforçada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o tecido direcional é tecido usando um sistema de captura programável.

4/5

19. Estrutura compósita, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que o material de matriz é selecionado a partir do grupo consistindo em epóxi, bismaleimida, poliéster, vinil-éster, cerâmica e carbono.

20. Preforma entalhada em formato de seta (triangular) reforçada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o tecido direcional é dobrado ao longo do comprimento.

21. Preforma entalhada em formato de seta (triangular) reforçada, de acordo com a reivindicação 20, caracterizada pelo fato de que uma primeira porção da segunda superfície frontal e uma segunda porção da segunda superfície frontal formam um ângulo de inclinação de entre 0° a 180°.

22. Preforma entalhada em formato de seta (triangular) reforçada, de acordo com a reivindicação 20, caracterizada pelo fato de que uma primeira porção da segunda superfície frontal é substancialmente paralela a uma segunda porção da segunda superfície frontal.

23. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por compreender ainda a etapa de dobrar o tecido direcional ao longo de um comprimento antes de afixar o tecido direcional à preforma entalhada em formato de seta.

24. Estrutura compósita tridimensional, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que o tecido direcional é dobrado ao longo de comprimento de tal modo que uma primeira porção da segunda superfície frontal e uma segunda porção da segunda superfície frontal formam um ângulo de inclinação de entre 0° e 180°.

25. Preforma entalhada em formato de seta (triangular) reforçada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a preforma conformada em Pi ou em T inclui uma dobra, e o tecido direcional inclui fibras mais curtas em uma borda interna em uma área da dobra na preforma

Petição 870190046655, de 17/05/2019, pág. 16/20

4. Preforma entalhada em formato de seta (triangular) reforçada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a preforma é uma preforma conformada em Pi e o tecido direcional é dobrado ao longo do comprimento em uma configuração conformada em U, de modo que a primeira e a segunda superfícies frontais são paralelas uma em relação à outra, o tecido direcional dobrado estando disposto em uma manilha entre as pernas da preforma conformada em Pi.

5 dobrar o tecido direcional ao longo do comprimento em uma configuração conformada em U, de tal modo que a primeira e segunda superfícies frontais são paralelas uma em relação à outra; e dispor o tecido direcional dobrado em uma manilha entre as pernas da preforma conformada em Pi.

5/5 conformada em Pi ou T e fibras progressivamente mais longas em direção a uma borda externa da dobra na preforma conformada em Pi ou T.

26. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por a preforma ser uma preforma conformada em Pi;

5. Preforma entalhada em formato de seta (triangular) reforçada, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a primeira e

Petição 870190046655, de 17/05/2019, pág. 13/20

6. Preforma entalhada em formato de seta (triangular) reforçada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o comprimento do tecido direcional é alinhado com a direção de urdidura da preforma entalhada em formato de seta.

7. Preforma entalhada em formato de seta (triangular) reforçada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o tecido direcional é tecido a partir de fibras ou fios de um material selecionado a partir do grupo consistindo em vidro, carbono, cerâmica, aramida e polietileno.

8. Preforma entalhada em formato de seta (triangular) reforçada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o tecido direcional e o componente entalhado em formato de seta são simultaneamente infundidos com um material de matriz.

9. Preforma entalhada em formato de seta (triangular) reforçada, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que o material de matriz é curado.

10 27. Estrutura compósita tridimensional, de acordo com reivindicação

10. Preforma entalhada em formato de seta (triangular) reforçada, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que o material de matriz é selecionado a partir do grupo consistindo em epóxi, bismaleimida, poliéster, vinil-éster, cerâmica e carbono.

11. Método para formar uma preforma tridimensional conformada em Pi ou T caracterizado por compreender as etapas de:

entalhar em formato de seta a preforma tridimensional conformada em Pi ou T;

formar um reforço de tecido direcional configurado para a preforma entalhada em formato de seta, o tecido direcional tendo fibras de urdidura contínuas ao longo do comprimento; e

Petição 870190046655, de 17/05/2019, pág. 14/20

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o reforço de tecido direcional é tecido usando um sistema de captura programável.

13. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por compreender a etapa de impregnar a preforma entalhada em formato de seta e o reforço de tecido direcional simultaneamente com um material de matriz.

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o material de matriz é selecionado a partir do grupo consistindo em epóxi, bismaleimida, poliéster, vinil-éster, cerâmica e carbono.

15. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender a etapa de curar o material de matriz.

16. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o reforço de tecido direcional é tecido a partir de fibras ou fios de um material selecionado do grupo consistindo em vidro, carbono, cerâmica, aramida e polietileno.

17. Estrutura compósita tridimensional caracterizada por compreender:

uma preforma conformada em Pi ou T, conforme definida na reivindicação 1; e um material de matriz pelo menos parcialmente impregnando a preforma e o reforço de tecido direcional.

18. Estrutura compósita, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que o tecido direcional é tecido usando um sistema de captura programável.

Petição 870190046655, de 17/05/2019, pág. 15/20

17, caracterizada pelo fato de que a preforma é uma preforma conformado em Pi e o tecido direcional ao longo do comprimento em uma configuração conformada em U, de tal modo que a primeira e segunda superfícies frontais são paralelas uma em relação à outra, o tecido direcional dobrado sendo 15 disposto em uma manilha entre as pernas da preforma conformada em Pi.