BR112012014359B1 - painel estrutural não curado tipo sanduíche, painel estrutural tipo sanduíche compreendendo o painel estrutural não curado tipo sanduíche e painel estrutural de aeronave compreendendo o painel estrutural tipo sanduíche - Google Patents

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Abstract

PAINÉIS DO TIPO SANDUÍCHE. A presente invenção se refere a um painel estrutural que compreende um material de núcleo interno que tem a primeira e segunda faces opostas, a primeira e segunda folhas de face unidas à primeira e segunda faces opostas respectivamente, onde o painel compreende uma folha de estrutura aberta interposta entre uma primeira face do material de núcleo e sua respectiva folha de face e o painel compreende o adesivo com menos de 200 gsm.

Description

A presente invenção diz respeito a painéis estruturais que compreendem um material de núcleo e duas folhas de face opostas, particularmente para uso em aplicações de estrutura de aeronave.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
Painéis estruturais, também denominados painéis do tipo sanduíche, que compreendem um material de núcleo de baixo peso circundado nos dois lados por folhas de face, têm utilidade em uma ampla variedade de aplicações. Tipicamente são utilizados nos casos em que a resistência estrutural e a rigidez do painel são considerações essenciais.
Em particular, painéis do tipo sanduíche encontram uso como componentes estruturais de veículos aeroespaciais quando o peso do painel é uma consideração igualmente relevante. Por essa razão, os denominados núcleos alveola- dos são comumente utilizados em aplicações aeroespaciais, quando o núcleo envolve folhas de material estendidas entre as folhas de face e a maior parte do núcleo consiste em um espaço aberto.
Entretanto, reduções de peso adicionais são uma aspiração continua, e é importante que isso seja alcançado sem sacrifício à integridade estrutural do painel.
Por exemplo, são habitualmente empregadas folhas de face feitas de material prepreg. Prepregs compreendem pelo menos uma folha de fibras estruturais, que podem ser tecidas ou não tecidas, as quais são pré-impregnadas com resina curável. Esses materiais proporcionam componentes estruturais leves, mas ainda robustos e, portanto, tornam ideais as folhas de face para uso aeroespacial.
Por convenção essas folhas de face são aderidas ao material de núcleo pelo uso de um adesivo. Isso impede que a folha de face descame do material de núcleo.
Esse mecanismo de falha de arrancamento é particularmente relevante para núcleos alveolados, visto que a área de contato entre a folha de face e o núcleo pode ser reduzidíssima e, portanto, representa um provável mecanismo de falha primário quando tais núcleos são empregados.
Na tentativa de reduzir ainda mais o peso de tais painéis do tipo sanduíche, foram sugeridos prepregs autoadesivos que dispensam adesivo, resultando em economia de peso. Exemplos de prepregs autoadesivos para uso nos painéis do tipo sanduíche podem ser encontrados nos documentos US 6.045.898, US 6.508.910 e US 6.440.257.
Entretanto, com a remoção do adesivo foi constatado que os painéis de face podem ser removidos mais facilmente, sendo necessária uma força de arrancamento mais baixa. Portanto, a redução no peso pode incorrer na redução da integridade estrutural desse tipo de painel.
O Registro de Invenção Legal dos Estados Unidos H000.047 descreve um painel do tipo sanduíche alveolado revelando o uso de um tecido de aramida hidroentrelaçado entre um núcleo alveolado e as folhas de face de prepreg de resina fenólica. Muito embora sejam reivindicados melhores resultados de arrancamento, a força de arrancamento é significativamente menor do que seria aceitável para uso em uma aplicação estrutural. Adicionalmente, resinas fenólicas não são adequadas para uso em uma aplicação de estrutura aeroespacial. Portanto, é introduzido mais peso sem proporcionar uma resistência aceitável ao arrancamento.
Parece, portanto, que a técnica atingiu um ponto em que reduções de peso adicionais somente podem ser alcançadas através de uma redução na integridade estrutural.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A presente invenção diz respeito a um painel estrutural que compreende um mate- rial de núcleo interno que tem a primeira e segunda faces opostas, a primeira e segunda folhas de face unidas respectivamente à primeira e segunda faces opostas, sendo que o painel compreende uma folha de estrutura aberta, interposta entre uma primeira face do material de núcleo e sua respectiva folha de face e o painel compreende um adesivo com menos de 200 g/m2.
Foi constatado que a colocação de uma folha de estrutura aberta, ou véu, entre uma folha de face e o material de núcleo pode aumentar significativamente a resistência ao arrancamento da folha de face. Ademais, foi constatado que a quantidade de adesivo utilizada pode ser significativamente reduzida, ou mesmo eliminada por completo, sem afetara resistência ao arrancamento. Portanto, aumentos significativos na resistência ao arrancamento podem ser alcançados sem aumento líquido do peso, podendo até mesmo envolver uma redução no peso, por exemplo, quando se compara aos painéis de estrutura do tipo sanduíche da técnica anterior.
Constatou-se que algumas combinações de materiais, entretanto, não mostram os aperfeiçoamentos na força de arrancamento em geral observados pelo uso da presente invenção.
Portanto, preferencialmente o painel exclui a combinação de um material de núcleo alveolado de aramida, folhas de face que sejam prepregs impregnados de resina fenol- formaldeído, e folhas de estrutura aberta que sejam tecidos hi- droentrelaçados que compreendam pelo menos 50% em peso de fibras de aramida.
Acredita-se que o fraco desempenho desta combinação possa decorrer de várias razões, particularmente do tipo de resina empregada. Portanto, preferencialmente, as folhas de face estão livres de qualquer resina fenol-formaldeído.
Em uma modalidade preferencial o painel compreende uma segunda folha de estrutura aberta interposta entre uma segunda face do material de núcleo e sua respectiva folha de face de modo que os aumentos na resistência ao arrancamento são exibidos nas duas faces.
Portanto, os painéis estruturais de acordo com a invenção são capazes de exibir uma força do teste pelicular de tambor ascendente de acordo com o método de teste internacional EN2243-3 em uma folha de face e, preferencial- mente nas duas, maior que 300 N/75mm, preferencialmente maior que 400 N/75mm, mais preferencial mente maior que 500 N/75mm, com preferência máxima maior que 600 N/75mm.
Os aumentos nas forças de arrancamento podem ser alcançados com um painel estrutural que tenha duas folhas de face, cada uma compreendendo duas camadas de fibra de prepreg e que tenha um peso de área menor que 1700 g/m2, preferencialmente menor que 1600 g/m2.
Como discutido acima, o aprimoramento da força de arrancamento pode ser alcançado independentemente da quantidade de adesivo presente. Portanto, o painel preferencialmente compreende o adesivo com menos de 100 g/m2, e com preferência máxima está substancialmente livre do adesivo. Deste modo, podem ser obtidas reduções adicionais de peso no painel do tipo sanduíche.
O material de núcleo pode ter uma variedade de formas, por exemplo, o material de núcleo pode ser construído como um alvéolo leve, espuma rígida, papel ou madeira. Entre- tanto, preferencialmente é um material alveolado, pois isso confere excelentes propriedades estruturais para um material de baixíssimo peso.
As folhas de face podem também ter uma variedade de formas, mas pre-ferencialmente são folhas de prepreg. Um prepreg compreende uma estrutura de fibra, por exemplo, uma esteira, tecido, material não tecido ou maçarocas, pré- impregnado com resina curável, isto é resina termorrígida e agente de cura, entre outros materiais possíveis.
A quantidade de resina impregnada nas fibras é medida convenientemente como um percentual do peso do prepreg. Foi constatado que é necessária a presença de uma quantidade suficiente de resina para que a resina tenha pe- gajosidade suficiente e para que também penetre nas áreas abertas da folha de estrutura aberta. Foi constatado ainda que níveis mais altos do teor de resina tendem a fornecer um aumento na força de arrancamento. Portanto, as folhas de face de prepreg preferencialmente compreendem pelo menos 42% em peso de resina termorrígida, mais preferencialmente pelo menos 44% em peso.
As fibras estão presentes na forma de camadas e cada folha de face pode compreender uma ou mais camadas de fibras, tipicamente duas camadas de fibras.
Em uma modalidade preferencial as fibras em cada camada do prepreg se estendem por toda a folha, e são preferencialmente tecidas ou unidirecionais.
As fibras no prepreg podem ser feitas de diversos tipos de materiais diferentes, como fibra de carbono ou fibra de vidro. Entretanto, as fibras de carbono são altamente preferenciais.
Os prepregs empregados são denominados preferencialmente prepregs autoadesivos, que são conhecidos na técnica como tendo a capacidade de aderir ao material de núcleo dispensando adesivos. Portanto, preferencialmente os prepregs utilizados são aqueles que exibem uma força do teste pelicular de tambor ascendente de acordo com o método de teste internacional EN 2243-3 maior que 100 N/75mm quando a folha de estrutura aberta é omitida e têm um teor de resina equivalente a 42%.
Por exemplo, prepregs podem incluir partículas termoplásticas formadoras de carda na resina, como revelado no documento US 6.508.910.
Portanto, as partículas formadoras de carda são adequadamente selecionadas entre poliéter sulfona e poliéter imida, preferencial mente poliéter sulfona. As partículas podem ser de tamanho variável e ter um tamanho médio de partícula de 1 a 150 micrômetros.
Desta maneira, a viscosidade da resina pode ser controlada para que tenha características de fluxo desejáveis. Portanto, preferencialmente a resina no prepreg tem uma viscosidade mínima de pelo menos 15 Pas.
A resina pré-impregnada na folha de face do prepreg também pode ser selecionada entre qualquer resina termorrígida adequada conhecida na técnica, muito embora seja preferível evitar resinas fenol-formaldeído, como discutido acima.
Em uma modalidade preferencial a resina pré-impregnada no prepreg compreende, e de preferência, é substancialmente e completamente composta por resina epóxi.
A resina epóxi pode compreender resinas epóxis monofuncionais, difun- cionais, trifuncionais e/ou tetrafuncionais.
Resinas epóxis difuncionais adequadas, a título de exemplo, incluem aquelas à base de diglicidil éter de Bisfenol F, Bisfenol A (opcionalmente bromado), epóxi fenol e epóxi cresci novolacs, glicidil éteres de adutos de fenol- aldeído, glicidil éteres de dióis alifáticos, diglicidil éter, diglicidil éter de dietileno glicol, resinas epóxi aromáticas, poliglicidil éteres ali táticos, olefinas epoxidadas, resinas bromadas, glicidil aminas aromáticas, glicidil imidinas e amidas heterocí- clicas, glicidil éteres, resinas epóxi fluoradas, ou qualquer combinação dos citados.
Resinas epóxis difuncionais podem ser preferencialmente selecionadas entre diglicidil éter de Bisfenol F, diglicidil éter de Bisfenol A. diglicidil dihidroxi naftaleno, ou qualquer combinação dos citados.
Resinas epóxis trifuncionais adequadas, a título de exemplo, podem incluir aquelas à base de epóxi fenol e epóxi cresci novolacs, glicidil éteres de adutos de fenol-aldeído, resinas epóxi aromáticas, triglicidil éteres alifáticos, ditrigli- cidil éteres alifáticos, poliglicidil éte- res alifáticos, olefinas epoxidadas , resinas bromadas, triglicidil aminofenílas, glicidil aminas aromáticas, glicidil imidinas e amidas heterocíclicas, glicidil éteres, resinas epóxi fluoradas, ou qualquer combinação dos citados.
Resinas epóxis tetrafuncionais adequadas incluem N,N,N',N'-tetraglicidil- m-xilenodiamina (disponível comercialmente através da empresa Mitsubishi Gas Chemical Company sob a denominação Tetrad-X, e como Erisys GA-240 da empresa CVC Chemi- cals), e N,N,N',N'-tetraglicidilmetilenodianilina (por exemplo
MY721 da empresa Huntsman Advanced Materiais).
A folha de estrutura aberta, ou véu, permite a qualquer resina da folha de face passar por sua estrutura aberta e entrar em contato com uma face do material de núcleo. Acre- dita-se que essa disposição confere maior resistência ao arrancamento através da folha de estrutura aberta, a qual forma uma ligação forte tanto com o material de núcleo quanto com a folha de face. Portanto, a folha de estrutura aberta é permeável à resina e desse modo a resina passa através da folha para entrar em contato com uma face do material de núcleo antes ou durante a cura.
A folha de estrutura aberta tipicamente é uma folha inteiriça que se mantém unida pela sobreposição e/ou interconexão de fibras. Essas fibras podem ser tecidas, ou de malha, por exemplo. As fibras também podem ser aleatórias, por exemplo, hidroentrelaçadas ou telas trançadas, muito embora tecido ou malhas sejam preferenciais. Na técnica essa folha é em geral denominada véu.
A folha de estrutura aberta pode ser caracterizada pelo grau de abertura da folha, isto é, o percentual de uma área de superfície média da folha que é constituída por orifícios abertos na folha. As folhas de estrutura aberta da presente invenção tipicamente têm um grau de abertura de 10% a 95%, preferencialmente de 30% a 90%, mais preferencialmente de 50% a 80%. Isso ajuda a manter a leveza da folha e ainda permite a livre passagem da resina.
O material da folha de estrutura aberta pode ser selecionado entre uma vasta gama de materiais, mas preferencialmente é um material polimérico, como o náilon, tereftalato de polietileno e outros similares. Entretanto, materiais de ara- mida geralmente não são preferenciais, sendo, de preferência, excluídos.
Foi constatado que é possível obter aperfeiçoamentos na força de arrancamento, apesar da extrema leveza do véu. Isso é particularmente importante para aplicações de estrutura de aeronave. Portanto, preferencialmente, a folha de estrutura aberta tem um peso por unidade de área de 4 a 50 gramas por metro quadrado (ou g/m2), mais preferencialmente de 4 a 30 g/m2, com preferência máxima de 10 a 30 g/m2.
Os painéis estruturais aprimorados da presente invenção podem ser utilizados em uma ampla variedade de aplicações onde um painel leve, mas estruturalmente robusto, seja necessário. Entretanto, o painel é particularmente útil em aplicações aeroespaciais, onde os requerimentos para resistência e peso são particularmente rígidos.
Os painéis do tipo sanduíche de acordo com a presente invenção são tipicamente montados juntos a partir de suas estruturas de componente e em seguida curados mediante exposição à temperatura elevada, e opcionalmente à pressão elevada, para curar a resina, unindo firmemente as folhas de face ao material de núcleo.
Em um método preferencial de construção, as folhas de face são primeiramente combinadas com a folha de estrutura aberta. Tipicamente uma proporção de qualquer resina não curada infiltrará na estrutura aberta da folha, de modo a formar uma única folha de material.
Portanto, em outro aspecto, a invenção diz respeito a um método de fabricação de um painel estrutural, que compreende colocara primeira e segunda folhas de face, quando as folhas de face individualmente compreendem uma folha de estrutura aberta intimamente unida às mesmas, em contato com a primeira e segunda faces opostas de um material de núcleo e uni-las ao mesmo, de modo que as folhas de estrutura aberta são colocadas em contato com a primeira e segunda faces opostas.
O método de acordo com a invenção pode incluir quaisquer recursos técnicos discutidos acima no contexto do painel estruturado de acordo com a invenção.
EXEMPLOS
Uma gama de diferentes painéis do tipo sanduíche foi fabricada. Todos incluíam um material de núcleo alveolado com duas folhas de face de prepreg unidas às suas faces externas. Nos exemplos de acordo com a invenção, um véu foi colocado em contato com o prepreg antes de colocar o prepreg modificado em contato com o núcleo alveolado.
Os painéis do tipo sanduíche foram então curados em uma autoclave com um aumento de temperatura de 2°C por minuto até atingir 180°C. Foram deixados por 2 horas a 180°C em uma pressão de 3 bar.
Os painéis curados foram em seguida testados para seu valor pelicular de tambor ascendente (de acordo com o método de teste EN2243-3) e o valor expresso em Newtons por 75mm de largura de tira. O peso da área de cada véu também é mostrado em gramas por metro quadrado (g/m2) entre parênteses.
Os Exemplos 1 e 2 são exemplos comparativos, mostrando as resistências ao arrancamento alcançadas por prepregs autoadesivos sem uma folha de estrutura aberta, ou véu.
Os Exemplos 3 e 4 mostram os aprimoramentos na força de arrancamento quando são empregados véus preferenciais de acordo com a invenção.
Os Exemplos 5 a 7 mostram o menor aperfeiçoamento quando véus menos preferenciais são empregados.
Os Exemplos 8 a 13 mostram aperfeiçoamentos na força de arrancamento quando são empregados véus preferenciais de acordo com a invenção.
Os Exemplos 14 e 15 mostram o efeito da remoção do véu de um adesivo. É possível observar que praticamente- toda a força de arrancamento pode ser atribuída ao véu e não ao adesivo em si.
O Exemplo 16 é outro exemplo comparativo sem um véu e no núcleo Kevlar que geralmente proporciona uma força de arrancamento mais baixa que o Nomex.
Os Exemplos 16 a 20 mostram os aperfeiçoamentos na força de arrancamento quando são empregados véus preferenciais de acordo com a invenção.
O Exemplo 21 é um painel de resina fenólica que tem uma baixíssima resistência ao arrancamento e é inadequado para uso em uma aplicação estrutural.
A resina epóxi 1 é a 8552 disponível através da empresa Hexcel e a resina epóxi 2 é a M83 também disponível através da Hexcel. As duas são resinas epóxi curadas a 180°C do tipo padrão à base de uma resina epóxi endurecida de po- liéter sulfona que compreende glicidil aminas com um agente de cura de amina aromática.
O PET é um véu 3D de malha de tereftalato de polietileno de 20 g/m2 fornecido pela empresa Dylco, França.
O Náilon 1 é um véu A1050 de náilon de malha de 10 g/m2 disponível através da empresa Heathcoat, Devon, UK. O Náilon 2 é um véu F0823 de náilon tecido de 20 g/m2 que é utilizado como um portador para o adesivo Redux 319 disponível através da Hexcel sem o adesivo. O Náilon 3 é um véu de náilon 3D de malha de 20 g/m2 fornecido pela empresa Dylco, França. O Náilon 4 é um véu de náilon hidroentrelaçado de 4 g/m2 disponível como 128D04 através da empresa Protechnic. O Náilon 5 é um véu de náilon hidroentrelaçado de 6 g/m2 disponível como 128D06 através da empresa Protechnic.
Open Cell é uma tela trançada (laid scrim) de 9 g/m2 fornecida pela em- 5 presa Bafatex. A aramida é um véu de aramida hidroentrelaçado de 15 g/m2 fornecido pela empresa Hovo.
O adesivo de 300 g/m2 é o Redux 319 disponível através da empresa H excel.
O núcleo Kevlar é o HRH-36 disponível através da Hexcel (espessura 10 1,27 cm (0,5 polegadas), tamanho de célula 0,3175 cm (1/8 de polegada), densi dade 0,128 g/cm3 (8 Ib/ft3)).
O núcleo Nomex é o HRH-10 disponível através da Hexcel (espessura 1,27 cm (0,5 polegadas), tamanho de célula 0,3175 cm (1/8 de polegada), densidade 0,128 g/cm3 (8 Ib/ft3)).
As propriedades dos painéis do tipo sanduíche e os resultados do teste pelicular de tambor ascendente são mostrados na Tabela 1. Tabela 1
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Claims (14)

1. Painel estrutural não curado tipo sanduíche, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: um núcleo alveolado tendo primeira e segunda faces opostas; a primeira folha de face prepreg que é localizada próxima à primeira face do referido núcleo alveolado, a referida primeira folha prepreg compreendendo fibras de carbono e uma resina termorrígida não curada compreendendo resina epóxi, poliéter sulfona e um agente de cura para a referida resina epóxi, em que a quantidade de resina termorrígida não curada na referida primeira folha de face prepreg é igual a pelo menos 44 por cento em peso, com base no peso total da referida primeira folha de face prepreg; e uma primeira folha de estrutura aberta que é interposta entre a primeira face do referido núcleo alveolado e a referida primeira folha de face prepreg, a referida primeira folha de estrutura aberta pesando de 10 a 30 g/m2 e consistindo em tereftalato de polietileno; em que o painel estrutural compreende menos de 200 g/m2 de adesivo; em que o painel estrutural exibe uma força de teste pelicular de tambor ascendente de acordo com o método de teste internacional EN2243-3 maior que 300 N/75mm.
2. Painel estrutural não curado tipo sanduíche, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: uma segunda folha de face prepreg que é localizada próxima à segunda face do referido núcleo alveolado, a referida segunda folha prepreg compreendendo fibras de carbono e uma resina termorrígida não curada compreendendo resina epóxi, poliéter sulfona e um agente de cura para a referida resina epóxi, em que a quantidade de resina termorrígida não curada na referida segunda folha prepreg é igual a pelo menos 44 por cento em peso, com base no peso total da referida segunda folha de face prepreg; e uma segunda folha de estrutura aberta que é interposta entre a segunda face do referido núcleo alveolado e a referida segunda folha de face prepreg, a referida segunda folha de estrutura aberta pesando de 10 a 30 g/m2 e consistindo em tereftalato de polietileno.
3. Painel estrutural não curado tipo sanduíche, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira folha de estrutura aberta tem um grau de abertura de 50% a 80%.
4. Painel estrutural não curado tipo sanduíche, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a segunda folha de estrutura aberta tem um grau de abertura de 50% a 80%.
5. Painel estrutural não curado tipo sanduíche, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a quantidade de resina termorrígida não curada na referida primeira folha de face prepreg é igual a pelo menos 50 por cento em peso, com base no peso total da referida primeira folha de face prepreg.
6. Painel estrutural não curado tipo sanduíche, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a quantidade de resina termorrígida não curada na referida segunda folha de face prepreg é igual a pelo menos 50 por cento em peso, com base no peso total da referida segunda folha de face prepreg.
7. Painel estrutural não curado tipo sanduíche, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que a quantidade de resina termorrígida não curada na referida primeira folha de face prepreg é igual a pelo menos 50% em peso, com base no peso total da referida primeira folha de face prepreg.
8. Painel estrutural tipo sanduíche, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende o painel estrutural não curado tipo sanduíche, como definido na rei-vindicação 1, em que a referida resina termorrígida não curada na referida primeira folha de face prepreg foi curada para formar uma resina termorrígida curada que migrou através da referida primeira folha de estrutura aberta em contato de ligação com a primeira face do referido núcleo alveolado.
9. Painel estrutural tipo sanduíche, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende o painel estrutural não curado tipo sanduíche, como definido na rei-vindicação 2, em que a referida resina termorrígida não curada na referida primeira folha de face prepreg foi curada para formar resina termorrígida curada que migrou através da referida primeira folha de estrutura aberta em contato de ligação com a primeira face do referido núcleo alveolado e em que a referida resina termorrígida não curada na referida segunda folha de face prepreg foi curada para formar resina termorrígida curada que migrou através da dita segunda folha de estrutura aberta em contato de ligação com a segunda face do referido núcleo alveolado.
10. Painel estrutural tipo sanduíche, de acordo com a reivindicação 8, CA-RACTERIZADO pelo fato de que a quantidade de resina termorrígida não curada na referida primeira folha de face prepreg é igual a pelo menos 50% em peso, com base no peso total da referida primeira folha de face de prepreg.
11. Painel estrutural tipo sanduíche, de acordo com a reivindicação 9, CA-RACTERIZADO pelo fato de que a quantidade de resina termorrígida não curada na referida segunda folha de face prepreg é igual a pelo menos 50% em peso, com base no peso total da referida segunda folha de face prepreg.
12. Painel estrutural tipo sanduíche, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que a quantidade de resina termorrígida não curada na referida primeira folha de face prepreg é igual a pelo menos 50 por cento 5 em peso, com base no peso total da referida primeira folha de face prepreg.
13. Painel estrutural de aeronave, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende o painel estrutural tipo sanduíche, como definido na reivindicação 8.
14. Painel estrutural de aeronave, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende o painel estrutural tipo sanduíche, como definido na reivindicação 9.
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