BR112012031461B1

BR112012031461B1 - processo de fabricação de um artigo em material compósito

Info

Publication number: BR112012031461B1
Application number: BR112012031461A
Authority: BR
Inventors: Phelippeau Antoine; Gummel Micah; Marchal Yann
Original assignee: Snecma
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2020-01-28
Also published as: CA2801687C; US9193101B2; WO2011161380A1; US20130082417A1; RU2012154299A; CN102958681B; RU2568715C2; EP2585283A1; EP2585283B1; FR2961740B1; CN102958681A; FR2961740A1; BR112012031461A2; CA2801687A1

Abstract

processo de fabricação de u artigo em material compósito. a presente invenção se refere a um processo de fabricação de um artigo em material compósito formado por uma matriz polimérica reforçada por uma estrutura fibrosa (10) sobre um suporte (20) formando uma superfície de modelagem (30), cobrir a estrutura com um contramolde (30), e compactar a estrutura mencionada pela aproximaçao da superfície do contramolde com aquela do suporte. o processo é caracterizado pelo fato de que o suporte (20) compreende uma parte cilíndrica (21) e uma parede (22, 23) orientada radialmente em relação à parte cilíndrica (21), e o contramolde compreende duas partes móveis (31, 31, 33) uma em relação à outra e que são deslocadas em direção, respectivamente, ao eixo da parte cilíndrica (21) e à parede radial (22, 23) do suporte (20). aplicação em particular à fabricação de carcaça da ventoinha do turborreator.

Description

“PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE UM ARTIGO EM MATERIAL COMPÓSITO” [0001] A presente invenção se refere ao domínio dos materiais compósitos compreendendo uma matriz polimérica reforçada por uma estrutura fibrosa e, mais particularmente, à utilização destes materiais na fabricação de peças aeronáuticas ou de turbomáquinas.

[0002] No domínio aeronáutico, procura-se reduzir a massa dos componentes dos motores e ao mesmo tempo manter a um alto nível suas propriedades mecânicas. Em um turbomotor multifluxo, a carcaça da ventoinha definindo o contorno do fluxo de ar entrando no motor e ao interior da qual está alojado o rotor da ventoinha é feita de material compósito. Ela compreende uma virola provida na parte superior e inferior de flanges externas, radiais e transversais, para a ligação e a montagem a outros componentes do motor, principalmente o perfil de entrada do ar na parte superior e a carcaça intermediária na parte inferior. A carcaça suporta diversos elementos e deve poder reter os objetos resultantes de uma ruptura de pá da ventoinha.

[0003] Um modo de fabricação de uma peça como uma carcaça de uma ventoinha em material compósito compreende colocar uma estrutura fibrosa sobre um mandril cujo perfil corresponde ao da peça a ser feita. O reforço fibroso pode ser feito, por exemplo, por tecelagem tridimensional com espessura evolutiva como descrito na patente EP 1 961 923 em nome da requerente. O reforço fibroso constitui uma pré-forma fibrosa tubular formando uma única peça com as partes de reforço correspondendo aos flanges da carcaça. A fabricação prossegue com a compactação e impregnação da estrutura por uma resina e a polimerização desta última para obter a peça.

[0004] A invenção concerne o modo de fabricação onde a impregnação do reforço fibroso é feita pelo processo de injeção RTM, que é a sigla de Resin Transfert Moulding. De acordo com esse processo, encerra-se a estrutura fibrosa compactando-a em um molde rígido de geometria congelada cuja forma corresponde à peça que se deseja obter e injeta-se a resina ao interior do molde após tê-lo esvaziado se necessário. O molde compreende uma parte formando o

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2/9 suporte da estrutura fibrosa e um contramolde que se deposita sobre a estrutura fibrosa. Compacta-se a estrutura aproximando-se as paredes das duas partes do molde.

[0005] A taxa de fibras é um parâmetro importante para a concepção de uma peça deste tipo. Em particular, para uma peça como uma carcaça possuindo uma veia cônica e flanges integrados, é importante que a taxa de fibras seja elevada tanto na zona de veia como nos flanges. Assim, é necessário aplicar os esforços de compactação de orientações diferentes de acordo com as zonas da peça sem, para isso, prejudicar o fechamento do molde e degradar a integridade dos reforços fibrosos.

[0006] As concepções de moldes de injeção do estado da arte anterior para este tipo de peça não permitem aplicar esforços de compactação satisfatórios nas zonas dos flanges. De fato, um contramolde formado de uma única peça é deslocado de acordo com uma direção perpendicular à superfície principal do suporte e todas as partes do suporte não são, portanto, orientadas favoravelmente em relação à direção do deslocamento. Disso segue uma disposição final das fibras nestas zonas que não é ótima do ponto de vista da resistência mecânica.

Exposição da invenção [0007] A invenção possui por objetivo um processo de fabricação de uma peça cilíndrica, apresentando flanges orientados radialmente, permitindo conciliar a exigência de uma taxa de fibras mais elevada possível resultante de uma compactação da estrutura fibrosa e de uma orientação ótima das fibras.

[0008] Consegue-se atingir esse objetivo através de um processo de fabricação de um artigo em material compósito formado de uma matriz polimérica reforçada por uma estrutura fibrosa, compreendendo as etapas de colocar a estrutura fibrosa sobre um suporte formando uma superfície de moldagem, de cobrir por um contramolde e de compactar a estrutura mencionada pela aproximação da superfície do contramolde com aquela do suporte, em seguida de injetar a matriz polimérica na estrutura fibrosa, caracterizado pelo fato de que o suporte compreende uma parte cilíndrica e uma parede orientada radialmente em relação à parte cilíndrica, o

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3/9 contramolde compreende duas partes móveis uma em relação à outra que são deslocadas em direção, respectivamente, ao eixo da parte cilíndrica e à parede radial mencionada.

[0009] O processo da invenção apresenta a vantagem de poder posicionar e compactar as fibras de forma conforme ao esperado no final.

[0010] Na medida em que a orientação das fibras é ótima dentro do molde, o processo apresenta igualmente a vantagem de realizar a impregnação de resina nesta configuração congelada.

[0011] Uma vantagem suplementar é haver a possibilidade de secagem à forma final, se o reforço fibroso assim necessitar. No caso de uma pré-forma em fibra de carbono principalmente, é necessário injetar a pré-forma ao estado seco. Por um lado, a etapa de tecelagem implica em uma umidificação das fibras. Por outro lado, a compactação da pré-forma no molde, até atingir a geometria final, objeto do presente pedido, se faz mais facilmente com uma pré-forma umidificada. O método usual de secagem para tal tipo de pré-forma é secar sob uma lona a vácuo. A maior desvantagem é que este método não compacta a pré-forma até a geometria desejada com um material no estado ótimo para ser compactado, ou seja, úmido.

[0012] Em seguida, a etapa necessária de secagem é efetuada sem risco para a integridade estrutural da pré-forma.

[0013] Enfim, a geometria dos raios de conexão entre as veias e os flanges é igualmente assegurada por este processo.

[0014] Conformemente a uma forma de implantação, o contramolde compreende uma parte principal de forma complementar àquela da parte cilíndrica do suporte e um canto com uma primeira parede, de forma complementar àquela da parede radial mencionada, se interpondo entre a parte principal mencionada do contramolde e a parede radial mencionada do suporte, o contramolde e o canto sendo colocados de forma que o canto se desloque perpendicularmente em direção à parede radial mencionada do suporte quando o contramolde é deslocado em direção à parte cilíndrica.

[0015] Mais precisamente, o canto apresenta uma segunda parede de forma

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4/9 complementar à porção de parede da parte cilíndrica que é adjacente àquela da parede radial mencionada e, de forma vantajosa, o canto apresenta uma porção de parede à seção arredondada entre a primeira e segunda paredes mencionadas. [0016] De maneira a facilitar a execução do processo, é colocada uma folha metálica sobre a segunda parede mencionada do canto de forma a melhorar o deslizamento do canto sobre a estrutura fibrosa.

[0017] Conformemente, a uma característica, a parte central do contramolde compreendendo uma porção de parede inclinada em relação ao eixo mencionado, o canto compreendendo uma terceira parede inclinada em relação ao eixo mencionado, as porções de parede mencionada entram em contato uma com a outra de forma a assegurar o deslizamento do canto em direção à parede radial mencionada quando o contramolde é deslocado em direção à parte cilíndrica.

[0018] Mais particularmente, o contramolde é formado por pelo menos dois setores de cilindro. Conformemente à forma de implantação preferencial, o suporte compreende uma parte cilíndrica e duas paredes orientadas radialmente de uma parte e de outra da parte cilíndrica. Estas duas últimas paredes constituem os flanges da carcaça.

[0019] O contramolde é aproximado da superfície do molde até compactar a estrutura fibrosa e reduzir a espessura desta última tanto na direção radial em relação ao eixo da parte cilíndrica quanto perpendicularmente à superfície do suporte após a colocação do contramolde.

[0020] O processo é aplicado particularmente à fabricação de uma carcaça de turbomáquina.

Breve descrição das figuras [0021] Outras características e vantagens da invenção surgirão a partir da leitura da descrição a seguir, em referência às figuras em anexo que representam, respectivamente:

- A figura 1, uma vista esquemática em corte axial de um motor à turbina a gás com ventoinha à frente;

- A figura 2, uma vista em meio corte axial de um molde de fabricação de

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5/9 uma carcaça de ventoinha;

- A figura 3, uma vista frontal do molde em corte de acordo com a direção III-III da figura 2;

- A figura 4, uma vista em perspectiva de um elemento no canto do contramolde.

Descrição detalhada de um exemplo de forma de implantação [0022] A invenção é aplicada à fabricação de uma carcaça de ventoinha de um turborreator a fluxo duplo cujo um exemplo é representado esquematicamente sobre a figura 1. O motor compreende da parte superior à parte inferior, no sentido de escoamento dos gases, uma ventoinha frontal 2 na entrada do motor, um compressor de gavagem, um compressor HP 3; uma câmara de combustão 4, e as turbinas de pressão alta e baixa 5. A ventoinha 2 é colocada em rotação pela turbina BP no interior de uma carcaça de ventoinha 6. A carcaça de ventoinha define o volume de ar entrando no motor. Uma parte deste ar, constituindo o fluxo primário, é guiada ao interior do motor onde é comprimida sucessivamente pelo compressor de gavagem e o compressor HP. Ele alimenta a câmara de combustão 4 onde sua energia é aumentada pela combustão do carburante. Os gases produzidos são expandidos nos estágios sucessivos da turbina 5 e depois ejetados. A outra parte do ar constitui o fluxo secundário que é ejetado na atmosfera diretamente ou após a mistura com o fluxo primário de acordo com a aplicação do motor. O motor é representado sem a nacela que o envolve. A carcaça da ventoinha 6 é de forma cilíndrica sensivelmente em tronco de cone com dois flanges, um acima 61 e um abaixo 62. O flange acima 61 compreende meios de fixação da carenagem de entrada de ar que não estão representados. O flange abaixo liga a carcaça à carcaça estrutural 7 que é designada como carcaça intermediária.

[0023] Esta carcaça é vantajosamente feita em material compósito a reforço fibroso tornado mais denso por uma matriz. O material fibroso é, por exemplo, em carbono, vidro aramida ou outro e a matriz é um polímero como um epóxido, um bis maleimida ou um poliimida.

[0024] O reforço fibroso é formado por um rolamento sobre mandril de uma

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6/9 textura fibrosa.

[0025] Representa-se sobre a figura 2 um exemplo de dispositivo de moldagem da carcaça. Um suporte 20 apresenta uma superfície anular externa de mesmo perfil que a peça a ser feita, neste caso, a superfície interna da carcaça da ventoinha. Este suporte compreende uma parte cilíndrica 21 em fora de mandril e é provido de dois flanges transversais 22 e 23 conformados de maneira a permitir a realização dos flanges da carcaça. No contexto do processo coloca-se o reforço fibroso em torno do mandril de maneira a fazer uma pré-forma 10. O modo de realização da pré-forma não é limitativo. Ela pode ser feita pelo enrolamento de toalhas distintas, superpostas até obter a espessura desejada ou por enrolamento de uma toalha em diversas espiras. As toalhas podem ter sido trançadas ou tecidas; a pré-forma pode também ser feita colocando-se uma meia, trançada ou tecida, em torno do mandril ou ainda pelo enrolamento de filamentos em torno do mandril.

[0026] A pré-forma 10 compreende uma parte central 11, cuja espessura não deve ser constante em todo o seu comprimento, particularmente espessuras maiores são previstas sobre a parte ao longo do eixo que vem ao direito da superfície varrida pelas pás da ventoinha. Estas maiores espessuras permitem constituir um reforço suscetível a absorver os choques pelos resíduos ou outros objetos que resultariam da ruptura de pás. A pré-forma se estende igualmente ao longo dos dois flanges terminais em duas porções radiais 12 e 13 para constituir os flanges.

[0027] A fabricação da peça prossegue pela colocação de um contramolde 30 sobre a pré-forma de maneira a constituir um volume no qual se injeta o polímero da matriz com a assistência, se for o caso, de uma fonte de vácuo. No exemplo este contramolde é feito em três partes 30a, 30b, 30c, como se vê na figura 3; a face interna do contramolde 30a1, 30b1 e 30c1 respectivamente é conformada de acordo com a forma a ser dada à superfície externa da peça. Cada uma das partes vem se alojar entre os dois flanges de extremidade 22 e 23. Quando as três partes estão em seus lugares, elas formam um volume fechado com o mandril 21 e os dois flanges 22 e 23.

[0028] Como pode ser visto sobre a figura 2, o perfil axial interno de cada

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7/9 elemento do contramolde compreende uma parte central 31 correspondendo à parte central 11 da pré-forma e duas partes de extremidades que vêm em apoio contra as partes radiais de extremidade da pré-forma.

[0029] Em razão da abundância de fibras, existe um vazio intersticial que é ocupado pela matriz no momento da injeção do polímero. No entanto, a taxa de fibras na peça acabada é um parâmetro de primeira ordem para a resistência mecânica desta última. A porosidade da pré-forma deve então ser controlada e contida dentro de certos limites.

[0030] Por esta razão, é necessário compactar a estrutura fibrosa que constitui a pré-forma. Uma simples aproximação radial dos elementos do contramolde em direção à pré-forma permitiria uma redução de espessura da parte central, mas as porções de extremidade 12 e 13 não seriam convenientemente comprimidas. Pelo deslizamento das superfícies entre elas se formariam grânulos ou dobras. Para resolver este problema foram dispostos dois elementos de contramolde em forma de canto 32 e 33 na zona da pré-forma situada na proximidade das porções radiais 12 e 13.

[0031] Cada elemento deste contramolde à seção em forma de canto se estende sobre um arco de circunferência com o elemento de contramolde ao qual ele é adicionado. No exemplo da figura 3 há três elementos em forma de canto associados respectivamente aos elementos 30a, 30b e 30c do contramolde. Cada canto 32 ou 33 compreende uma primeira parede 32a, 33a respectivamente fazendo face à porção radial 12, 13 da pré-forma. Ele compreende também uma segunda porção de parede 32b, 33b, cilíndrica perpendicular à primeira parede 32a, 33a e fazendo face à banda da parte central 11 da pré-forma 10, adjacente à porção radial 12, 13. As duas paredes 32a e 32b, 33a e 33b são ligadas por uma porção de parede de seção arredondada, em arco de circunferência de preferência, 32c, 33c respectivamente. As duas, primeira ou segunda, paredes se fecham sobre uma terceira parede 32d, 33d. Esta parede possui seção retilínea em forma de porção de tronco de cone.

[0032] Sobre o elemento do contramolde 30 adjacente ao elemento de canto, a

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8/9 parte central 31 é conectada a duas porções de superfície, de cada lado, 31d em forma de tronco de cone, cada uma respectivamente paralela à porção de superfície 32d, 33d do elemento de canto adjacente 32 ou 33. Enfim, o contramolde é terminado de cada lado por uma porção de parede 31 e em forma de porção de cilindro de mesmo eixo que aquele do suporte 20 e de raio igual àquele do flange a realizar seu comprimento e também igual à espessura do flange a ser realizado.

[0033] As diferentes partes são dispostas de tal forma que enquanto o contramolde está em posição de fechamento do molde, ele se move com a parte cilíndrica 21, uma espessura determinada da pré-forma medida radialmente. Ao se aproximarem, as superfícies 31d vêm em apoio contra as terceiras paredes dos elementos em canto 32 e 33; depois, quando o deslocamento do contramolde prossegue, uma tensão de apoio é exercida pelas superfícies 31d sobre as terceiras paredes 32d e 33d. Esta tensão compreende uma componente radial e uma componente axial que conduzem ao deslocamento dos cantos 32 e 33 e a uma redução da espessura da pré-forma nas zonas de contato dos cantos com a préforma. Em particular, a tensão axial exercida pela primeira parede 32a e 33a é orientada perpendicularmente à porção radial, 12 e 13 respectivamente, da préforma. Afim de tornar mais fácil o deslocamento dos elementos dos cantos à superfície da parte cilíndrica da pré-forma e evitar todo a extração eventual, folhas metálicas finas são dispostas entre o canto e a pré-forma. O deslizamento é assim assegurado sem a danificação desta. A folha metálica pode ser retirada em seguida. Na posição de fechamento do molde, as superfícies 31d do contramolde estão em contato com as superfícies 32d, respectivamente 33d, dos elementos em canto 32 e 33 e o canto é distanciado da parede do flange da distância determinada pelo comprimento axial da porção de parede cilíndrica 31e do contramolde.

[0034] Em resumo, a fabricação de uma peça cilíndrica com flange compreende as etapas a seguir. Coloca-se uma pré-forma formada de fibras sobre um suporte 20 cilíndrico cujo perfil é aquele do interior da peça a fabricar. A pré-forma não é comprimida, a estrutura fibrosa é abundante. Este suporte compreende flanges em extremidade para a moldagem dos flanges. Um contramolde 30 é disposto em

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9/9 diversos elementos em arco de circunferência, pelo menos dois elementos em semicircunferência, em torno da pré-forma 10. Este contramolde compreende os elementos em forma de canto 32 e 33 nas duas extremidades de uma parte cilíndrica central 31. Aproxima-se o contramolde do suporte que vem se apoiar pelas faces enviesadamente contra os cantos e os coloca em um movimento radial em direção ao eixo do cilindro e axial em direção aos flanges. Enquanto o contramolde está no lugar, a espessura da parede da pré-forma foi reduzida sem grânulo nem dobra não desejados. Os elementos são aparafusados entre eles para evitar uma ruptura no momento da injeção da matriz.

[0035] Procede-se em seguida à injeção do polímero constituindo a matriz com a assistência eventual do vácuo. Uma vez que a polimerização tenha sido efetuada, retira-se a peça do molde e procede-se às operações de acabamento.

Claims

1. Processo de fabricação de um artigo em material compósito formado de uma matriz polimérica reforçada por uma estrutura fibrosa, compreendendo as etapas de colocar a estrutura fibrosa (10) sobre um suporte (20) formando uma superfície de moldagem, de cobrir com um contramolde (30) e de compactar a estrutura mencionada pela aproximação da superfície do contramolde com aquela do suporte, em seguida de injetar a matriz polimérica na estrutura fibrosa, o suporte (20) comprendendo uma parte cilíndrica (21) e uma parede (22, 23) orientada radialmente em relação à parte cilíndrica (21), caracterizado pelo fato de que o contramolde compreende duas partes móveis (31, 32 ou 33) uma em relação à outra que são deslocadas em direção, respectivamente, uma para o eixo da parte cilíndrica (21) e a outra para a parede radial (22, 23) do suporte (20) durante a etapa de compactação antes de injetar a matriz polimérica..

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o contramolde (30) compreende uma parte principal (31) tendo uma forma complementar àquela da parte cilíndrica (21) do suporte (20) e um canto (32, 33) com uma primeira parede (32a, 33a) tendo uma forma complementar àquela da parede radial (22, 23) se interpondo entre a dita parte principal (31) do contramolde e a dita parede radial (22, 23) do suporte (20), o contramolde (30) e o canto (32, 33) estando dispostos para que o canto se desloque perpendicularmente em direção à dita parede radial (22, 23) do suporte (20) quando o contramolde (30) é deslocado em direção à parte cilíndrica (21).

3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o canto (32, 33) apresenta uma segunda parede (32b, 33b) possuindo uma forma complementar à porção de parede do suporte da parte cilíndrica (21) adjacente àquela da dita parede radial (22, 23).

4. Processo, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o canto apresenta uma porção de parede (32c, 33c) com seção arredondada entre as ditas primeira (32a, 33a) e a segunda (32b, 33b) paredes.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de

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2/2 que é disposta uma folha metálica (40) sob a dita segunda parede de maneira a melhorar o deslizamento do canto sobre a estrutura fibrosa.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a parte central (31) do contramolde compreende uma porção de parede (31a) inclinada em relação ao dito eixo, com o canto (32, 33) compreendendo uma terceira parede (32d, 33d) inclinada em relação ao dito eixo, com as porções de parede (31a, 32d, 33d) entrando em contato entre si de maneira a assegurar o deslizamento do canto em direção à parede radial mencionada quando o contramolde é deslocado em direção à parte cilíndrica.

7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o contramolde é formado por pelo menos dois setores de cilindro.

8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o suporte compreende uma parte cilíndrica e duas paredes orientadas radialmente de ambos os lados da parte cilíndrica.

9. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o contramolde é aproximado da superfície do molde de maneira a compactar a estrutura fibrosa e reduzir a espessura desta última perpendicularmente tanto à superfície do suporte quanto àquela dos flanges laterais.

10. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizado pelo fato de que é aplicado à fabricação de uma carcaça de turbomáquina.