BR112012032710B1

BR112012032710B1 - método de conformação de um material de trabalho plano em um produto compósito

Info

Publication number: BR112012032710B1
Application number: BR112012032710-0A
Authority: BR
Inventors: Gregory M. Monforte; David James Burke; Matthew Madden
Original assignee: Gentex Corporation
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2020-10-27
Also published as: MX336415B; ES2525015T3; BR112012032710A2; CN103153591A; HK1185042A1; KR101858767B1; US9216523B2; WO2011163486A2; US20130106021A1; ES2807511T3; EP2605900A2; EP3756868A1; PL2851184T3; WO2011163486A3; PL2605900T3; KR20130138712A; EP2851184B1; EP2605900B1; EP2851184A1; IL223676A

Abstract

PROCESSO PARA A CONFORMAÇÃO OU FORMAÇÃO DE ARTIGOS. A presente invenção refere-se a um método de conformação de um material de trabalho em um artigo que consiste em dois estágios primários: (a) na ausência de calor adicionado, consolidar e conformar o material de trabalho em um formato de pré-forma utilizando um processo de hidroformação dinâmica que emprega uma ferramenta macho rígida e uma ferramenta fêmea não rígida; e (b) na presença de calor adicionado, consolidar e conformar adicionalmente o material de trabalho no formato final utilizando pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[0001] Este pedido reivindica o benefício de Pedido Provisório No. U.S. 61/357.799, depositado em 23 de junho de 2010, que está aqui incorporado a título de referência em sua totalidade.

CAMPO DO(S) CONCEITO(S) INVENTIVO(S)

[0002] O(s) presente(s) conceito(s) inventivo(s) se refere(m) ao campo de formação ou conformação de artigos, em particular formação ou conformação de artigos utilizando um processo de hidroforma- ção para pelo menos uma das etapas de formação ou conformação.

ANTECEDENTES DO(S) CONCEITO(S) INVENTIVQ(S)

[0003] Os processos de hidroformação existentes utilizam fluido hidráulico de alta pressão para comprimir uma porção de material de trabalho contra uma matriz fixa ou mover o perfurador para formar um artigo de um formato particular. É conhecido na técnica utilizar um processo de hidroformação para conformar estruturas complexas a partir de pedaços de chapa de metal ou materiais compósitos, por exemplo, compósitos de fibra contínua ou fibra tecida. Devido à aplicação uniforme de pressão hidrostática fornecida pelo processo de hidroformação, é conhecido fornecer a vantagem de reduzir a presença de rugas e dobras no material de trabalho conformado.

[0004] A formação de um compósito de fibra contínua de múltiplas camadas ou de fibra tecida exige uma etapa de cura em que a pressão e calor são aplicados às camadas de material compósito para comprimir e fundir ao mesmo tempo a base de resina das camadas de material compósito, remover o volume de vazios entre as camadas, e por fim curar ou assentar as camadas de material compósito. Entretanto, materiais de fibra típicos adequados para folhas compósitas balísticas, por exemplo, polietileno, são conhecidos por se degradarem quando submetidos a calor elevado durante um período de tempo prolongado.

[0005] Ademais, os benefícios conhecidos em se utilizar um pro-cesso de hidroformação para conformar estruturas compósitas permitem que o usuário evite colocar cortes em relevo no corpo das camadas planas de material compósito antes do processo de formação, isso é necessário quando outros métodos de conformação conhecidos forem utilizados para reduzir o enrugamento das camadas de material compósito durante o processo de formação. Uma desvantagem em colocar cortes em relevo nas camadas planas é que a resistência das camadas de material compósito, em particular a resistência das fibras de reforço dessas, é reduzida quando as camadas compósitas (ou seja, as fibras de reforço) forem cortadas. Assim, é desejado evitar o corte no corpo das camadas de material compósito para aumentar a resistência dessas camadas. O uso de um processo de hidroformação durante o estágio de pré-formação torna possível evitar o corte no corpo das camadas compósitas planas. A técnica anterior descreve a fixação mecânica do material de trabalho dentro da câmara da prensa de hidroformação antes da etapa de pressurização para evitar o enrugamento do material de trabalho durante o processo de hidroformação.

[0006] Portanto, deseja-se um processo para formar ou conformar artigos que aprimore o formato formado do artigo, enquanto reduz a duração de exposição ao calor experimentada pelos materiais de fibra de reforço e evita a necessidade de proporcionar cortes em relevo no corpo das camadas do material compósito, enquanto não causa um impacto significativo sobre os custos associados à produção do artigo final.

[0007] As referências anteriores relativas incluem a Patente Nos. U.S. 5.578.158, 6.631.630, e 7.862.323.

SUMÁRIO DO(S) CQNCEITO(S) INVENTIVQ(S)

[0008] Em um primeiro aspecto, o presente pedido descreve um método de conformação de um material de trabalho plano em um produto compósito que possui um formato final, sendo que o método compreende: (a) na ausência de calor adicionado, consolidar e conformar o material de trabalho em um formato de pré-forma utilizando um processo de hidroformação dinâmico que emprega uma ferramenta macho rígida e uma ferramenta fêmea não rígida; e (b) na presença de calor adicionado, consolidar e conformar adicionalmente o material de trabalho no formato final utilizando pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional.

[0009] Em outro aspecto, o presente pedido descreve um método de conformação de um material de trabalho em um produto compósito que possui um formato final, sendo que o material de trabalho inclui um material de matriz resinosa, sendo que o método compreende: (a) consolidar e conformar o material de trabalho em um formato de pré- forma utilizando um processo de hidroformação por estampagem profunda que emprega uma ferramenta macho rígida e uma ferramenta fêmea não rígida, sendo que a consolidação e conformação ocorrem abaixo de uma temperatura crítica do material de matriz resinosa; e (b) consolidar e conformar adicionalmente o material de trabalho no formato final utilizando pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional, sendo que a consolidação e conformação ocorrem na ou acima da temperatura crítica.

[0010] Ainda em outro aspecto, o presente pedido descreve um método de conformação de um material de trabalho plano em um produto compósito que possui um formato final, sendo que o método compreende: (a) na ausência de calor adicionado, consolidar e conformar o material de trabalho em um formato de pré-forma utilizando um processo de hidroformação dinâmico que emprega uma ferramenta rígida e uma ferramenta não rígida; e (b) na presença de calor adicionado, consolidar e conformar adicionalmente o material de trabalho no formato final utilizando pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0011] Os conceitos inventivos descritos aqui serão descritos a seguir em conjunto com os desenhos em anexo em que referências numéricas similares denotam elementos similares. a figura 1 é uma vista em corte de um material de trabalho não conformado localizado em uma máquina de hidroformação em um estado não pressurizado antes de uma etapa de conformação de um estágio de pré-formação; a figura 2 é uma vista em corte da máquina de hidroformação da figura 1 em um estado pressurizado antes da etapa de conformação do estágio de pré-formação; a figura 3 é uma vista em corte da máquina de hidroformação da figura 1 em um estado pressurizado durante a etapa de conformação do estágio de pré-formação; a figura 4 é uma vista em corte da máquina de hidroformação da figura 1 em um estado pressurizado após a etapa de conformação do estágio de pré-formação; a figura 5 é uma vista em corte da máquina de hidroformação da figura 1 em um estado não pressurizado após a etapa de conformação do estágio de pré-formação; a figura 6 é uma vista em corte do material de trabalho pré- formado em uma máquina de acabamento em um estado não pressurizado antes do estágio de formação final do material de trabalho; a figura 7 é uma vista em corte da máquina de acabamento da figura 6 em um estado pressurizado durante a etapa de conformação do estágio de formação final; e a figura 8 é uma vista em corte da máquina de acabamento da figura 6 em um estado não pressurizado após a etapa de confor- mação do estágio de formação final.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA(S) MODALIDADE(S) PREFERIDA(S)

[0012] A seguinte descrição detalhada fornece apenas modalidades exemplificativas preferidas, e não pretende limitar o escopo, aplicabilidade, ou configuração do(s) conceito(s) inventivo(s) ensinado(s) aqui. Particularmente, a seguinte descrição detalhada das modalidades exemplificativas preferidas irá fornecer aos elementos versados na técnica uma descrição capacitada para implementar as modalidades exemplificativas preferidas do(s) conceito(s) inventivo(s). Deve ser entendido que várias alterações podem ser feitas na função e disposição de elementos sem que se abandone o espirito e escopo do(s) conceito^) inventivo(s), como apresentado nas reivindicações em anexo.

[0013] Para ajudar a descrever o(s) conceito(s) inventivo(s), termos direcionais podem ser usados no relatório descritivo e nas reivindicações para descrever as partes do(s) presente(s) conceito(s) inventivo^) (por exemplo, superior, inferior, esquerda, direita, etc.). Essas definições direcionais pretendem meramente ajudar a descrever e reivindicar o(s) conceito(s) inventivo(s) e não pretendem limitar de forma alguma o(s) conceito(s) inventivo(s). Ademais, as referências numéricas que são introduzidas no relatório descritivo em associação a um desenho podem ser repetidas em uma ou mais figuras subsequentes sem descrição adicional no relatório descritivo para determinar o contexto de outras características.

[0014] Nesse pedido, "pré-formação" é definida como a conformação de uma porção de material de trabalho para se aproximar de um formato acabado desejado de um artigo.

[0015] Nesse pedido, "material de trabalho" é definido como uma ou mais camadas de material a partir das quais um artigo de fabricação é formado, por exemplo, um material compósito. O material compósito consiste, de preferência, em folhas de pré-impregnado, como adicionalmente discutido abaixo. O material de trabalho pode ser plano, ou de qualquer outro formato inicial, para propósitos da presente descrição.

[0016] O presente pedido descreve um processo para formar ou conformar artigos compósitos que compreendem dois estágios primários: (1) sendo que um primeiro estágio compreende pré-formar uma porção de material de trabalho ao aplicar pressão na ausência de calor adicionado para se aproximar de um formato acabado desejado de um artigo (ou seja, um "formato de pré-forma"); e (2) um segundo estágio compreende a conformação ou formação final da porção de material de trabalho em um artigo de formato final ao aplicar pressão e calor adicionado. Diferente da técnica anterior, o presente processo não exige um dispositivo de fixação mecânica para sustentar a posição do material de trabalho dentro da câmara da prensa de hidroformação durante o estágio de hidroformação. No presente processo, uma membrana da prensa de hidroformação fornece toda a força de fixação aplicada ao material de trabalho durante o estágio de hidroformação.

[0017] Em uma modalidade de acordo com o presente conceito inventivo, o artigo acabado desejado é um capacete que possui qualidades balísticas para uso, por exemplo, pilotos e soldados de infantaria. Nessa modalidade, o material de trabalho pode compreender múltiplas folhas de fibras compósitas que são pré-impregnadas dentro de um material de matriz ou resina (mais adiante referidas como folhas de ‘pré-impregnado’). A matriz das folhas de pré-impregnado é usada para manter a orientação relativa das fibras dentro das folhas de pré- impregnado, fornecer uma base para a integridade estrutural das folhas de pré-impregnado, e - como adicionalmente discutido abaixo - unir as múltiplas folhas de pré-impregnado umas às outras durante um processo de cura. Em algumas modalidades de acordo com o(s) presente^) conceito(s) inventivo(s), as folhas de pré-impregnado podem possuir um formato inicial plano.

[0018] Em algumas modalidades de acordo com o(s) presente(s) conceito(s) inventivo(s), as fibras compósitas das folhas de pré-impregnado podem ser compreendidas de polietileno de peso molecular ultra-alto ("UHMWPE"). Exemplos comerciais notáveis de UHMWPE incluem SPECTRA® fabricado junto à Honeywell International Inc., e DYNEE- MA® fabricado junto à Royal DSM N.V., ambos são vendidos sob a forma de folhas de pré-impregnado que possuem orientações de fibra unidirecionais ("pré-impregnado de UD").

[0019] Em modalidades alternativas, o material de trabalho poderia compreender um material metálico, e material de aramida, um material de carbono, um material compósito à base de plástico (que pode ser pré-impregnado de UD), ou quaisquer combinações desses. Em algumas modalidades, o material de trabalho poderia compreender um material fibroso (por exemplo, pré-impregnado, aramida) e um material não fibroso (por exemplo, carbono, metal). Em modalidades alternativas adicionais, o material de trabalho poderia compreender pelo menos uma folha de pré-impregnado, pelo menos uma camada de um material compósito à base de aramida, e pelo menos uma camada de um material compósito à base de carbono que são configuradas como uma "pilha" ou "estoque" que possui a(s) folha(s) de pré-impregnado no núcleo, pelo menos uma camada de material compósito à base de aramida localizada em um ou ambos os lados da(s) folha(s) de pré- impregnado, e pelo menos uma camada de material compósito à base de carbono que forma a(s) camada(s) mais externa(s) da pilha. Em uma modalidade exemplificativa, pelo menos uma camada de material compósito à base de aramida compreende primeira e segunda camadas compósitas à base de aramida e pelo menos uma camada de material compósito à base de carbono compreende primeira e segunda camadas compósitas à base de carbono, e o material de trabalho fica disposto em uma configuração empilhada que possui a seguinte ordem a partir de uma camada superior da configuração empilhada até uma camada inferior da configuração empilhada: a primeira camada compósita à base de carbono; a primeira camada compósita à base de aramida; pelo menos uma folha de pré-impregnado; a segunda camada compósita à base de aramida; e a segunda camada compósita à base de carbono.

[0020] Em modalidades alternativas adicionais, o material de trabalho pode compreender uma primeira camada de pré-impregnado unidirecional que possui uma primeira orientação de fibra e uma segunda camada de pré-impregnado unidirecional que possui uma segunda orientação de fibra, em que as primeira e segunda orientações de fibra são ortogonais (ou seja, dispostas a 90 graus uma em relação à outra).

[0021] Um desafio notável associado à conformação ou formação de artigos a partir de folhas de pré-impregnado é retransmitir as características de desempenho do material de trabalho para o artigo final desejado enquanto minimiza a degradação nas características de desempenho do material de trabalho o máximo possível. Ademais, é desejado atingir esse objetivo enquanto não aumenta significativamente os custos associados à produção do artigo final.

[0022] Quando uma prensa de hidroformação não for usada para pré-formar um material compósito, ou se o estágio de pré-formação for omitido, pode ser necessário colocar cortes em relevo nos corpos das camadas planas de material compósito antes do processo de formação para reduzir o enrugamento das camadas de material compósito durante o processo de pré-formação. Uma desvantagem em fazer cortes em relevo nos corpos das camadas planas de material compósito é que a resistência das camadas de material compósito, em particular a resistência das fibras de reforço dessas, é reduzida quando as fibras de reforço de cada camada forem aparadas. As fibras de reforço das camadas de material compósito mantêm sua integridade máxima quando essas forem mantidas em seu comprimento total não cortado. Assim, é desejado evitar fazer cortes em relevo nas camadas de material compósito para aumentar a resistência dessas camadas. O uso de uma prensa de hidroformação no estágio de pré-formação torna desnecessário fazer cortes em alto relvo nas camadas de material compósito.

[0023] De acordo com o(s) presente(s) conceito(s) inventivo(s), antes do estágio de pré-formação, pode ser desejado pré-aparar as camadas planas de material compósito em um formato plano apropriado que corresponde ao formato não plano do artigo pré-formado desejado. Por exemplo, se o artigo pré-formado desejado possuir um formato aproximadamente hemisférico, então as camadas planas de material compósito podem ser pré-aparadas em formatos circulares antes do processo de pré-formação. Similarmente, se o artigo pré-formado desejado possuir um formato ovoide, então as camadas planas de material compósito podem ser cortadas no formato oval correspondente antes do processo de pré-formação. Deve ser tornar visível, como observado no parágrafo anterior, que em algumas modalidades não se exige que nenhum corte seja feito no corpo das camadas planas de material compósito. Em outras palavras, em algumas modalidades, nenhum corte é feito no perímetro do formato pré-aparado das camadas planas de material compósito. Em modalidades alternativas, os cortes podem ser feitos no corpo das camadas planas de material compósito, por exemplo, quando se deseja reduzir a quantidade de materiais desperdiçados produzidos como resultado do processo de pré-formação.

[0024] Agora geralmente com referência às figuras 1 a 8, um método exemplificativo para formar um artigo será descrito a seguir. As figuras 1 a 5 mostram etapas de acordo com o primeiro, ou seja, o estágio de pré-formação do método, e as figuras 6 a 8 mostram etapas de acordo com o segundo, ou seja, o estágio de formação final do método.

[0025] A figura 1 mostra uma vista em corte de uma porção de material de trabalho 10 localizado em uma máquina de hidroformação 20 antes da etapa de conformação do estágio de pré-formação. Nessa modalidade, o material de trabalho 10 compreende uma ou mais folhas planas. Nessa etapa, uma câmara 26 da máquina 20 está em um estado não pressurizado, ou seja, aproximadamente em pressão atmosférica normal. Ao longo dessa extremidade inferior, a câmara 26 inclui uma membrana 23. Nessa etapa, a câmara 26 é despressurizada de modo que a membrana 23 não fique em contato com o material de trabalho 10. Uma prensa de hidroformação conhecida, por exemplo, uma prensa da marca TRIFORM™ fabricada junto à Pryer Technology Group of Tulsa, Oklahoma, USA, poderia ser empregada para o estágio de pré-formação. Na extremidade inferior da câmara 26 se encontra uma abertura de perfurador 33, que é coberta por um anel de tração 11 que possui uma abertura 13 no centro desse. A abertura 13 do anel de tração 11 é conformada para corresponder ao formato de uma extremidade superior 34 do perfurador 32, e é menor do que a abertura de perfurador 33. A abertura 13 do anel de tração 11 é cuidadosamente dimensionada para ser apenas um pouco maior do que as dimensões do perfurador 32, que será adicionalmente discutido abaixo. Por exemplo, a diferença nas larguras da abertura 13 e no perfurador 32 pode estar na ordem de 0,0100-0,0400 polegada (0,0254-0,102 centímetro). O ajuste apertado entre o perfurador 32 e a abertura 13 do anel de tração 11 impede que o material de trabalho 10 seja empurrado para baixo da abertura de perfurador 33 quando a câmara 26 for pressurizada, desde que o perfurador 32 seja anteriormente colocado em uma posição para preencher e formar suficientemente uma vedação de pressão dentro da abertura de perfurador 33. Deve ser entendido que a combinação de anel de tração 11 e perfurador 32 pode ser alterável para criar artigos pré-formados de formatos de tamanhos diferentes.

[0026] A figura 2 mostra uma vista em corte da máquina 20 após a câmara 26 ser parcialmente pressurizada através da adição de fluido hidráulico à câmara 26 através de conduto de fluido 30. O fluido hidráulico pode ser, por exemplo, um óleo, embora outros fluidos hidráulicos conhecidos também sejam adequados. Durante o estágio de pré- formação, a câmara 26 pode ser, por exemplo, inicialmente pressurizada a uma quantidade entre 250-500 p.s.i. (1,72*106-3,45*106 Pascais), embora quantidades maiores ou menores de pressão inicial também possam ser aplicadas. Como resultado de pressurização da câmara 26, a superfície externa 24 da membrana 23 entra em contato e fornece pressão à superfície interna total 12 do material de trabalho 10. Como observado abaixo, em algumas modalidades, a pressão na câmara 26 poderia ser gradualmente aumentada visto que o material de trabalho 10 é conformado através de um perfurador 32 da máquina 20.

[0027] As figuras 3 e 4 mostram vistas em corte da máquina 20 durante e após a etapa de conformação do estágio de pré-formação, respectivamente. Durante a etapa de conformação, um perfurador hidraulicamente acionado 32 da máquina 20 é pressionado para cima contra a superfície externa 14 do material de trabalho 10. Assim, o perfurador 32 serve como uma ferramenta de conformação macho rígida. Nessa modalidade, uma extremidade superior 34 do perfurador 32 é fornecida em um formato que se aproxima da forma do formato final do artigo que será formado, ou seja, um capacete. O formato da extremidade superior 34 do perfurador 32 pode, porém não necessariamente, representar o formato exato do artigo acabado desejado. À medida que o perfurador 32 é movido para cima contra a superfície externa 14 do material de trabalho 10 e para dentro da câmara 26, a pressão hidrostática fornecida pela membrana 23 à superfície interna 12 do material de trabalho 10 é gradualmente aumentada, por exemplo, para uma pressão máxima entre 1.000-15.000 p.s.i. (6,89*106-1,03*108 Pascais), e, assim, conforma o material de trabalho 10 em um artigo pré-formado16, como mostrado na figura 4. Assim, a membrana 23 serve como uma ferramenta de conformação fêmea não rígida. Nessa modalidade, a etapa de prensagem do estágio de pré-formação é realizada na ausência de calor adicionado. Como observado acima, quando o material de trabalho 10 compreender fibras de polietileno reforçadas como UHMWPE, a ausência de calor adicionado durante o estágio de pré-formação protege as fibras contra a exposição ao calor e dano resultante durante esse estágio.

[0028] Em algumas modalidades (não mostradas), pode ser desejado lubrificar a extremidade superior 34 do perfurador 32 de modo que o movimento do perfurador 32 contra o material de trabalho 10 seja auxiliado. Em algumas modalidades, pode não ser desejado permitir que o lubrificante entre em contato direto com a superfície externa 14 do material de trabalho 10, por exemplo, quando não for desejado que o lubrificante seja absorvido pelo material de trabalho 10. Nessas modalidades, uma barreira pode ser colocada entre a extremidade superior 34 do perfurador 32 e a superfície externa 14 do material de trabalho 10. Assim, a barreira impede que o lubrificante entre em contato com o material de trabalho. Em modalidades alternativas, o lubrificante e/ou barreira pode ser completamente omitido. Em modalidades alternativas adicionais, a própria barreira pode servir como um lubrificante, por exemplo, quando a barreira for feita de um material plástico de alto alongamento ou outro material adequado.

[0029] O processo de pré-formação pode ser realizado em uma série de estágios de conformação dinâmica "escalonados", sendo que cada estágio de conformação dinâmica é caracterizado por uma posição de aprofundamento do perfurador 32 e uma quantidade crescente concomitante de pressão gerada na câmara 26. Em outras palavras, "hidroformação dinâmica" para os propósitos desse pedido envolve um perfurador dentro da câmara da prensa de hidroformação que se move (ou seja, não permanece estático) para conformar o artigo desejado. Em algumas modalidades de acordo com o(s) presente(s) conceito(s) inventivo(s), alguns ou todos os estágios de conformação podem ser separados por um estágio de conformação de "permanência" estático durante o qual a posição do perfurador 32 não se move e a pressão na câmara 26 é mantida em um valor constante. Os estágios de conformação de "permanência" estáticos servem para evacuar ar da câmara 26, desse modo, impedindo que a autoignição (dieseling) do ar - ou seja, a combustão na ausência de uma faísca - ocorra na câmara 26 e evitando que ocorram danos ao material de trabalho 10 ou máquina 20. Os períodos de permanência também podem servir para consolidar adicionalmente as camadas de material de trabalho 10 e evacuar o ar entre essas camadas.

[0030] Na modalidade mostrada nas figuras 1-5, o perfurador 32 possui capacidades de realizar a perfuração por "estampagem profunda" (por exemplo, a uma profundidade de aproximadamente 10 pole- gadas/25,4 centímetros) ou "estampagem regular" (por exemplo, a uma profundidade de aproximadamente 7 polegadas/17,8 centímetros). Nessa modalidade, a capacidade de estampagem profunda é usada, embora deva ser entendido que a capacidade de estampagem regular poderia ser alternativamente usada. Em modalidades alternativas (não mostradas), a máquina de hidroformação no estágio de pré- formação poderia ser desprovida de um perfurador móvel, e em vez disso, poderia compreender uma matriz macho ou fêmea estacionária no formato (ou formato recíproco) do artigo pré-formado desejado. Esse processo de utilizar uma matriz fixa pode ser referido como hidroformação estática, ao contrário do processo de hidroformação dinâmica como discutido acima com referência à modalidade das figuras 1 a 5. Nas modalidades alternativas de hidroformação estática macho ou fêmea, a membrana da câmara pressurizada poderia atuar para pressionar o material de trabalho contra a matriz e formar o material de trabalho no formato de pré-forma desejado. Em modalidades alternativas adicionais, uma combinação de etapas de hidroformação estática e dinâmica poderia ser empregada. Por exemplo, um perfurador pode ser inicialmente posicionado ligeiramente dentro de uma câmara de uma prensa de hidroformação de modo que exerça a função de uma matriz fixa, desse modo, ajudando a formar parcialmente o artigo quando a câmara da máquina for pressurizada (ou seja, etapa estática). Então, o perfurador poderia ser movido à medida que ocorre a conformação adicional do artigo (e, opcionalmente, muda durante pressurização da câmara) (ou seja, a etapa dinâmica). Ainda em modalidades alternativas adicionais, uma prensa de hidroformação sem membrana poderia ser usada no lugar de uma prensa de hidroformação que possui uma membrana, nessas modalidades, o material hidráulico entra em contato direto com o material de trabalho, a menos que o material de trabalho seja confinado dentro de uma barreira como discutido acima.

[0031] A hidroformação é vantajosa sobre a moldagem de metal usinado tradicional (estampagem) ou desenho de materiais de trabalho, pois a hidroformação fornece maior estabilidade dimensional, reduz o enrugamento do material de trabalhos, e reduz os custos de usi- nagem e fabricação. A hidroformação por estampagem profunda é especialmente eficaz para reduzir o enrugamento dos materiais de trabalho visto que esses são conformados. A hidroformação também elimina as forças de cisalhamento experimentadas durante o processo estampagem, visto que as partes metálicas são movidas umas pelas outras. A hidroformação obtém esses resultados desejados ao aplicar pressão isostática normal a todos os pontos ao longo da superfície do material de trabalho que estão dentro da câmara da máquina de hidro-formação.

[0032] A figura 5 mostra uma vista em corte da máquina 20 após a etapa de conformação do estágio de pré-formação ser realizada. Durante essa etapa, a câmara 26 foi despressurizada através da remoção de fluido hidráulico dessa através do conduto de fluido 30. Como resultado, a membrana 23 se desloca para cima e não se encontra mais em contato com a superfície externa do artigo pré-formado 16. Nessa modalidade, o estágio de pré-formação é então concluído ao retrair o perfurador 32 de volta para sua posição original (como mostrado nas figuras 1 e 2), e remover o artigo pré-formado 16 da máquina 20.

[0033] No segundo estágio do método de acordo com o(s) presente^) conceito(s) inventivo(s), o artigo pré-formado 16 é movido para dentro de uma máquina de acabamento onde o mesmo é adicionalmente consolidado e conformado em um artigo final e os componentes resinosos do material de trabalho são por fim conformados ou curados ao aplicar pressão e calor adicionado. O estágio de formação final do processo pode ser realizado utilizando uma variedade de máquinas de acabamento, por exemplo, uma autoclave, hidroclave, prensa de hidroformação, ou ferramenta de metal usinado.

[0034] Se o artigo pré-formado 16 compreender múltiplas camadas de pré-impregnado de UD, por exemplo, é desejado ainda consolidar essas camadas para remover qualquer volume de vazios e unir ou curar as matrizes das camadas de pré-impregnado de UD adjacentes para formar o artigo acabado. Portanto, pressão e calor são aplicados ao artigo pré-formado 16 no estágio de formação final para consolidar e formar o artigo pré-formado 16 em seu formato final e, se necessário, curar o material de matriz.

[0035] Na modalidade mostrada nas figuras 6 a 8, uma prensa de hidroformação estática é usada como a máquina de acabamento 40. Como mostrado na figura 6, o artigo pré-formado 16 é colocado em uma câmara 46 da máquina de acabamento 40 em torno de uma matriz macho 50. A matriz macho 50 é fornecida no formato desejado do artigo completamente formado, o mesmo nessa modalidade é um capacete. Como discutido abaixo, quando a câmara 46 for pressurizada, uma membrana 43 localizada na câmara 46 entra em contato e aplica pressão ao artigo pré-formado 16. Como resultado, o artigo pré- formado é pressionado contra uma superfície externa 52 da matriz macho 50, assim, conformando o artigo pré-formado 16 em um artigo acabado 18. Em modalidades alternativas, a matriz macho 50 poderia ser substituída por uma matriz fêmea ou recortada no formato aproximado do artigo desejado. Nessas modalidades, a membrana 43 poderia atuar como o componente macho que pressiona o artigo pré- formado 16 no formato desejado contra a matriz fémea ou recorte. Esse processo pode ser referido como moldagem com contramolde (bag molding) ou moldagem com contramolde por pressão.

[0036] A figura 6 mostra uma vista em corte do artigo pré-formado 16 localizado na máquina de acabamento 40 antes da etapa de conformação final do estágio de formação final. Nessa etapa, a câmara 46 da máquina 40 está em um estado não pressurizado, ou seja, aproximadamente em pressão atmosférica normal. Nessa etapa, a membrana 43 não está em contato com o artigo pré-formado 16. Uma prensa de hidroformação conhecida e adequada poderia ser empregada para o estágio de formação final. Também é possível que a mesma prensa de hidroformação possa ser usada no estágio de pré-formação e no estágio de formação final, dentro do escopo do(s) conceito(s) inventivo^) descrito(s) aqui.

[0037] A figura 7 mostra uma vista em corte da máquina 40 após a câmara 46 ser pressurizada através da adição de fluido hidráulico à câmara 46 por meio do conduto de fluido 48. A câmara 46 pode ser, por exemplo, parcialmente pressurizada a uma pressão entre 2.500- 5.000 p.s.i. (1,72*107-3,45*107 Pascais) embora quantidades maiores ou menores de pressão possam ser aplicadas, dependendo, por exemplo, das características dos materiais usados. Um processo de pressurização "escalonado", em que a pressão na câmara 46 é gradualmente aumentada (com ou sem etapas de "permanência" intermitentes) também pode ser empregada no estágio de formação final. No-vamente com referência à modalidade da figura 7, nesse momento, o fluido na câmara 46 e/ou na matriz 50 também é aquecido, como necessário, para atingir uma temperatura crítica para a conformação ou cura final do material de matriz das camadas de pré-impregnado de UD. Quando o material de matriz for um termoplástico, por exemplo, a temperatura crítica pode ser a temperatura de fusão do termoplástico particular. Nessas modalidades (por exemplo, termoplástico), o fluido na câmara 46 e/ou na matriz 50 pode ser aquecido na ou acima da temperatura de fusão do termoplástico particular de modo que esse mude para um estado líquido em que o material de matriz flui e preenche os espaços entre as fibras de reforço das camadas de pré- impregnado. Quando um termoplástico for usado, uma etapa de cura adicional para o material plástico pode ou não ser necessária. Em modalidades alternativas, por exemplo, quando o material de matriz for um termofixo, a temperatura crítica pode ser a temperatura de cura para a resina termofixa selecionada. Nessas modalidades, o fluido na câmara 46 e/ou na matriz 50 pode ser aquecido a uma temperatura suficiente para curar o material de matriz no formato sólido desejado. Será facilmente entendido pelos elementos versados na técnica que a temperatura de aquecimento adequada (ou seja, crítica) e o tempo de exposição ao calor são dependentes dos materiais usados nas camadas de pré-impregnado.

[0038] Novamente com referência à figura 7, como resultado de pressurização da câmara 46 da máquina 40, a superfície externa 44 da membrana 43 fornece pressão à superfície externa 47 do artigo pré-formado 16. À medida que a membrana 43 fornece pressão à superfície externa 47 do artigo pré-formado 16, a superfície interna 45 do artigo pré-formado 16 é pressionada contra a matriz macho 50. Assim, a matriz macho 50 determina o formato empregado pelo artigo pré- formado 16 à medida que a membrana 43 é pressionada contra a superfície externa 47 do artigo pré-formado 16.

[0039] A figura 8 mostra uma vista em corte da máquina 40 após a etapa de conformação do estágio de formação final ser realizada. Durante essa etapa, a câmara 46 foi despressurizada através da remoção de fluido hidráulico por meio do conduto de fluido 48. Como resultado, a membrana 43 se move para cima e não se encontra mais em contato com a superfície externa 47 do artigo pré-formado 16, que agora foi completamente conformado em um artigo acabado18. Nessa modalidade, o estágio de formação final é concluído como resultado. O artigo acabado 18 pode ser então removido da máquina 40.

[0040] Embora os princípios do(s) conceito(s) inventivo(s) ensinado^) aqui sejam descritos acima em conjunto com as modalidades preferidas, será claramente entendido que essa descrição é realizada apenas a título de exemplo e não como uma limitação do escopo do(s) conceito(s) inventivo(s).

ASPECTOS ADICIONAIS DO(S) CONCEITO(S) INVENTIVO(S)

[0041] Aspectos adicionais do(s) presente(s) conceito(s) inventi- vo(s) incluem:

[0042] Aspecto 1: Método de conformação de um material de trabalho plano em um produto compósito que possui um formato final, sendo que o método compreende:(a) na ausência de calor adicionado, consolidar e conformar o material de trabalho em um formato de pré- forma utilizando um processo de hidroformação dinâmico que emprega uma ferramenta macho rígida e uma ferramenta fêmea não rígida; e (b) na presença de calor adicionado, consolidar e conformar adicionalmente o material de trabalho no formato final utilizando pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional.

[0043] Aspecto 2: Método, de acordo com o Aspecto 1, em que a etapa (a) compreende uma série de estágios de conformação dinâmica, sendo que cada estágio de conformação dinâmica inclui aprofundar a posição da ferramenta macho rígida em relação a uma primeira superfície do material de trabalho e aplicar pressão a uma segunda superfície do material de trabalho.

[0044] Aspecto 3: Método, de acordo com o Aspecto 2, em que cada estágio de conformação dinâmica inclui aplicar pressão aumentada à segunda superfície do material de trabalho.

[0045] Aspecto 4: Método, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 3, em que a ferramenta fêmea não rígida fornece toda a força de fixação aplicada ao material de trabalho durante a etapa (a).

[0046] Aspecto 5: Método, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 3, em que a etapa (a) não emprega um dispositivo de fixação mecânica.

[0047] Aspecto 6: Método, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 5, em que um anel de tração é colocado entre a ferramenta macho rígida e o material de trabalho antes da etapa (a).

[0048] Aspecto 7: Método, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 6, em que a etapa (a) ocorre em uma primeira máquina de for- mação e a etapa (b) ocorre em uma segunda máquina de formação.

[0049] Aspecto 8: Método, de acordo com o Aspecto 7, em que a segunda máquina de formação é uma prensa de hidroformação.

[0050] Aspecto 9: Método, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 8, em que pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional é macho.

[0051] Aspecto 10 Método, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 9, em que pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional não se move durante a etapa (b).

[0052] Aspecto 11: Método, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 8 ou Aspecto 10, em que pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional é fêmea.

[0053] Aspecto 12: Método, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 8, em que pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional compreende um par de moldes de metal combinado.

[0054] Aspecto 13: Método, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 12, em que o material de trabalho compreende um material fibroso e um material não fibroso.

[0055] Aspecto 14: Método, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 13, em que o material de trabalho compreende pelo menos uma folha de pré-impregnado, sendo que pelo menos uma folha de pré-impregnado compreende uma pluralidade de fibras compósitas.

[0056] Aspecto 15: Método, de acordo com o Aspecto 14, em que a pluralidade de fibras compósitas é compreendida de polietileno de peso molecular ultra-alto.

[0057] Aspecto 16: Método, de acordo com qualquer um dos Aspectos 13 a 15, em que o material de trabalho compreende ainda pelo menos uma camada de material compósito à base de aramida e pelo menos uma camada de material compósito à base de carbono.

[0058] Aspecto 17: Método, de acordo com o Aspecto 16, em que pelo menos uma camada de material compósito à base de aramida compreende primeira e segunda camadas compósitas à base de aramida e pelo menos uma camada de material compósito à base de carbono compreende primeira e segunda camadas compósitas à base de carbono, e o material de trabalho fica disposto em uma configuração empilhada que possui a seguinte ordem a partir de uma camada supe-rior da configuração empilhada até uma camada inferior da configuração empilhada: a primeira camada compósita à base de carbono; a primeira camada compósita à base de aramida; a pelo menos uma folha de pré-impregnado; a segunda camada compósita à base de aramida; e a segunda camada compósita à base de carbono.

[0059] Aspecto 18: Método, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 17, em que o material de trabalho compreende uma primeira camada de pré-impregnado unidirecional que possui uma primeira orientação de fibra e uma segunda camada de pré-impregnado unidirecional que possui uma segunda orientação de fibra, em que as primeira e segunda orientações de fibra são ortogonais.

[0060] Aspecto 19: Método, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 18, em que uma pressão máxima aplicada durante a etapa (a) é pelo menos o dobro de uma pressão máxima aplicada durante a etapa (b).

[0061] Aspecto 20: Método de conformação de um material de trabalho em um produto compósito que possui um formato final, sendo que o material de trabalho inclui um material de matriz resinosa, sendo que o método compreende: (a) consolidar e conformar o material de trabalho em um formato de pré-forma utilizando um processo de hidroformação por estampagem profunda que emprega uma ferramenta macho rígida e uma ferramenta fêmea não rígida, a consolidação e conformação ocorrem abaixo de uma temperatura crítica do material de matriz resinosa; e (b) consolidar e conformar adicionalmente o ma- terial de trabalho no formato final utilizando pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional, a consolidação e conformação ocorrem adicionalmente em ou acima da temperatura crítica.

[0062] Aspecto 21: Método, de acordo com o Aspecto 20, em que a etapa (a) ocorre na ausência de calor adicionado.

[0063] Aspecto 22: Método de conformação de um material de trabalho plano em um produto compósito que possui um formato final, sendo que o método compreende: (a) na ausência de calor adicionado, consolidar e conformar o material de trabalho em um formato de pré-forma utilizando um processo de hidroformação dinâmico que emprega uma ferramenta rígida e uma ferramenta não rígida; e (b) na presença de calor adicionado, consolidar e conformar adicionalmente o material de trabalho no formato final utilizando pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional.

Claims

1.Método de conformação de um material de trabalho (10) plano em um produto compósito que possui um formato final, o método caracterizado pelo fato de que compreende: (a) na ausência de calor adicionado, consolidar e conformar o material de trabalho (10) em um formato de pré-forma utilizando um processo de hidroformação dinâmica que emprega uma ferramenta macho rígida e uma ferramenta fêmea não rígida; e (b) na presença de calor adicionado, consolidar e conformar adicionalmente o material de trabalho (10) no formato final utilizando pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional, em que a etapa (a) compreende uma série de estágios de conformação dinâmica, cada estágio de conformação dinâmica incluindo aprofundar a posição da ferramenta macho rígida em relação a uma primeira superfície do material de trabalho (10) e aplicar pressão a uma segunda superfície do material de trabalho (10).

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada estágio de conformação dinâmica inclui aplicar pressão aumentada à segunda superfície do material de trabalho (10).

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a ferramenta fêmea não rígida fornece toda a força de fixação aplicada ao material de trabalho (10) durante a etapa (a).

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa (a) não emprega um dispositivo de fixação mecânica.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional é macho.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material de trabalho (10) compreende um material fibroso e um material não fibroso.

7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material de trabalho (10) compreende pelo menos uma folha de pré-impregnado, a pelo menos uma folha de pré-impregnado compreendendo uma pluralidade de fibras compósitas.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de fibras compósitas é compreendida de polietileno de peso molecular ultra-alto.

9. Método de conformação de um material de trabalho (10) plano em um produto compósito que possui um formato final, o método caracterizado pelo fato de que compreende: (a) na ausência de calor adicionado, consolidar e conformar o material de trabalho (10) em um formato de pré-forma utilizando um processo de hidroformação dinâmica que emprega uma ferramenta macho rígida e uma ferramenta fêmea não rígida; e (b) na presença de calor adicionado, consolidar e conformar adicionalmente o material de trabalho (10) no formato final utilizando pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional, em que um anel de tração (11) é colocado entre a ferramenta macho rígida e o material de trabalho (10) antes da etapa (a).

10. Método de conformação de um material de trabalho (10) plano em um produto compósito que possui um formato final, o método caracterizado pelo fato de que compreende: (a) na ausência de calor adicionado, consolidar e conformar o material de trabalho (10) em um formato de pré-forma utilizando um processo de hidroformação dinâmica que emprega uma ferramenta macho rígida e uma ferramenta fêmea não rígida; e (b) na presença de calor adicionado, consolidar e conformar adicionalmente o material de trabalho (10) no formato final utilizando pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional, em que a etapa (a) ocorre em uma primeira máquina de formação e a etapa (b) ocorre em uma segunda máquina de formação.

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a segunda máquina de formação é uma prensa de hidroformação.

12. Método de conformação de um material de trabalho (10) plano em um produto compósito que possui um formato final, o método caracterizado pelo fato de que compreende: (a) na ausência de calor adicionado, consolidar e conformar o material de trabalho (10) em um formato de pré-forma utilizando um processo de hidroformação dinâmica que emprega uma ferramenta macho rígida e uma ferramenta fêmea não rígida; e (b) na presença de calor adicionado, consolidar e conformar adicionalmente o material de trabalho (10) no formato final utilizando pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional, em que pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional não se move durante a etapa (b).

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional é fêmea.

14. Método de conformação de um material de trabalho (10) plano em um produto compósito que possui um formato final, o método caracterizado pelo fato de que compreende: (a) na ausência de calor adicionado, consolidar e conformar o material de trabalho (10) em um formato de pré-forma utilizando um processo de hidroformação dinâmica que emprega uma ferramenta macho rígida e uma ferramenta fêmea não rígida; e (b) na presença de calor adicionado, consolidar e conformar adicionalmente o material de trabalho (10) no formato final utilizando pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional, AH em que pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional compreende um par de moldes de metal combinado.

15. Método de conformação de um material de trabalho (10) plano em um produto compósito que possui um formato final, o método caracterizado pelo fato de que compreende: (a) na ausência de calor adicionado, consolidar e conformar o material de trabalho (10) em um formato de pré-forma utilizando um processo de hidroformação dinâmica que emprega uma ferramenta macho rígida e uma ferramenta fêmea não rígida; e (b) na presença de calor adicionado, consolidar e conformar adicionalmente o material de trabalho (10) no formato final utilizando pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional, em que o material de trabalho (10) compreende uma folha de pré-impregnado, a pelo menos uma folha de pré-impregnado compreendendo uma pluralidade de fibras compósitas, e o material de trabalho (10) ainda compreende pelo menos uma camada de material compósito à base de aramida e pelo menos uma camada de material compósito à base de carbono.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma camada de material compósito à base de aramida compreende primeira e segunda camadas compósitas à base de aramida e a pelo menos uma camada de material compósito à base de carbono compreende primeira e segunda camadas compósitas à base de carbono, e o material de trabalho (10) fica disposto em uma configuração empilhada que possui a seguinte ordem a partir de uma camada superior da configuração empilhada até uma camada inferior da configuração empilhada: a primeira camada compósita à base de carbono; a primeira camada compósita à base de aramida; a pelo menos uma folha de pré-impregnado; a segunda camada compósita à base de aramida; e a segunda camada compósita à base de carbono.

17. Método de conformação de um material de trabalho (10) plano em um produto compósito que possui um formato final, o método caracterizado pelo fato de que compreende: (a) na ausência de calor adicionado, consolidar e conformar o material de trabalho (10) em um formato de pré-forma utilizando um processo de hidroformação dinâmica que emprega uma ferramenta macho rígida e uma ferramenta fêmea não rígida; e (b) na presença de calor adicionado, consolidar e conformar adicionalmente o material de trabalho (10) no formato final utilizando pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional, em que o material de trabalho (10) compreende uma primeira camada de pré-impregnado unidirecional que possui uma primeira orientação de fibra e uma segunda camada de pré-impregnado unidirecional que possui uma segunda orientação de fibra, em que as primeira e segunda orientações de fibra são ortogonais.

18. Método de conformação de um material de trabalho (10) plano em um produto compósito que possui um formato final, o método caracterizado pelo fato de que compreende: (a) na ausência de calor adicionado, consolidar e conformar o material de trabalho (10) em um formato de pré-forma utilizando um processo de hidroformação dinâmica que emprega uma ferramenta macho rígida e uma ferramenta fêmea não rígida; e (b) na presença de calor adicionado, consolidar e conformar adicionalmente o material de trabalho (10) no formato final utilizando pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional, em que uma pressão máxima aplicada durante a etapa (a) é pelo menos o dobro de uma pressão máxima aplicada durante a etapa (b).

19. Método de conformação de um material de trabalho (10) em um produto compósito que possui um formato final, o material de trabalho (10) incluindo um material de matriz resinosa, o método caracterizado pelo fato de que compreende: (a) consolidar e conformar o material de trabalho (10) em um formato de pré-forma utilizando um processo de hidroformação por estampagem profunda que emprega uma ferramenta macho rígida e uma ferramenta fêmea não rígida, a consolidação e conformação ocorrem abaixo de uma temperatura crítica do material de matriz resinosa; e (b) consolidar e conformar adicionalmente o material de trabalho (10) no formato final utilizando pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional, a consolidação e conformação adicional ocorrem em ou acima da temperatura crítica, em que a etapa (a) compreende uma série de estágios de conformação dinâmica, cada estágio de conformação dinâmica incluindo aprofundar a posição da ferramenta macho rígida em relação a uma primeira superfície do material de trabalho (10) e aplicar pressão a uma segunda superfície do material de trabalho (10).

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que a etapa (a) ocorre na ausência de calor adicionado.

21. Método de conformação de um material de trabalho (10) plano em um produto compósito que possui um formato final, o método caracterizado pelo fato de que compreende: (a) na ausência de calor adicionado, consolidar e conformar o material de trabalho (10) em um formato de pré-forma utilizando um processo de hidroformação dinâmico que emprega uma ferramenta rígida e uma ferramenta não rígida; e (b) na presença de calor adicionado, consolidar e conformar adicionalmente o material de trabalho (10) no formato final utilizando pelo menos uma ferramenta de formação rígida adicional, em que a etapa (a) compreende uma série de estágios de conformação dinâmica, cada estágio de conformação dinâmica incluindo aprofundar a posição da ferramenta macho rígida em relação a uma primeira superfície do material de trabalho (10) e aplicar pressão a uma segunda superfície do material de trabalho (10).