BR112014000040B1

BR112014000040B1 - processo para o revestimento de uma fita

Info

Publication number: BR112014000040B1
Application number: BR112014000040-9A
Authority: BR
Inventors: Didier Kurtz
Original assignee: Daher Aerospace
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2021-05-18
Also published as: WO2013004672A1; FR2977187B1; ZA201309465B; US20140246145A1; EP2726273A1; BR112014000040A2; CA2838915C; FR2977187A1; CA2838915A1

Abstract

PROCESSO PARA O REVESTIMENTO E A CONSOLIDAÇÃO DURANTE A DEPOSIÇÃO DE COMPONENTES COMPÓSITOS TERMOPLÁSTICOS DOTADOS COM REFORÇOS FIBROSOS. A presente invenção se refere a um processo para o revestimento de uma faixa (110) de fibras que compreendem um polímero termoplástico e para a consolidação durante a deposição de uma peça assim revestida, compreendendo o processo as etapas que consistem em: a. consolidar previamente uma faixa (115) pela pultrusão (120) de mechas (110) previamente impregnadas com um polímero termoplástico, através de uma matriz; b. armazenar a faixa previamente consolidada na forma de um semi-produto; c. revestir com este semi-produto uma folha (117) da mesma natureza, anteriormente depositada sobre uma forma (150), comprimindo (165) este semi-produto (115) sobre a folha (117) e aquecendo a interface entre o semi-produto e a folha (117) anteriormente depositada a uma temperatura, T, capaz de produzir a soldadura do semi-produto (115) sobre a folha (117).

Description

Campo da Invenção

[001] A invenção refere-se a um método para revestimento e consolidação durante a deposição de um componente compósito termoplástico com reforço fibroso.

Fundamentos da Invenção

[002] O revestimento automatizado, através da deposição de fitas/faixa ou colocação de fibras pré-impregnadas, é um método de fabricação que é muito amplo na área da produção de partes compósitas com reforço fibroso em uma matriz termocurável. Isso ocorre porque a pegajosidade e a fluidez dessas resinas tornam possível alcançar uma qualidade do componente que é livre de ocos e porosidades durante as subsequentes operações de deposição e cura. Com fitas assim chamadas impregnadas previamente com um polímero termoplástico, o dito polímero não mostra pegajosidade na temperatura de revestimento. A ‘impregnação prévia’ é, na prática, executada ou por calandragem de um filme constituído do dito polímero nas ditas fitas de fibras ou por revestimento com pó das ditas fibras ou através da inserção de fibras poliméricas misturadas juntas com as fibras de reforço. A menos que de outra forma indicado, os termos ‘impregnação prévia’ e ‘impregnado previamente’ em relação às fibras e um polímero termoplástico precisam ser entendidos no sentido prático apresentado acima. As folhas que são sucessivamente depositas são unidas entre si fundindo o polímero. Mas o polímero termoplástico fundido é caracterizado por uma viscosidade muito alta, frequentemente de várias ordens de magnitude comparada a resinas termocuráveis não curadas. Assim, mesmo quando a carga polimérica contida na fita fibrosa é fundida, é muito difícil obter impregnação eficaz de todas as folhas depositadas. Ademais, a viscosidade do polímero fundido pode ser reduzida aumentando-se a temperatura, geralmente além da temperatura de fusão, o polímero então se expande significativamente e é difícil controlar em um processo de deposição dinâmica. Como um resultado, ocos e porosidades permanecem na pilha, ainda mais quando a velocidade de deposição, ou mais precisamente a taxa de saída de material depositado, é alta. Assim, mesmo que o polímero termoplástico não exija cura para alcançar suas propriedades mecânicas, é, entretanto, necessário consolidar a estratificação obtida pelo revestimento de modo a obter uma parte acabada que corresponda às exigências das aplicações estruturais de tal parte. Tal consolida-ção consiste em elevar a temperatura da estratificação obtida pelo revestimento até a temperatura de fusão do polímero, enquanto mantendo a espessura do componente por dispositivos de pressurização, geralmente em um autoclave. Assim, fazer o polímero fundir novamente e submetê-lo ao efeito de pressão permite a compactação do todo e elimina ocos e porosidades da dita estratificação. Adicionalmente, por causa da expansão do polímero quando ele é fundido, o componente somente alcança sua espessura final após a operação de compactação que é subsequente ao revestimento, e essa operação torna necessário implementar dispositivos tais como placas rígidas que tornam possível obter uma espessura uniforme do componente e a condição de superfície exigida de seus lados. Essa operação de compactação é executada na temperatura de fusão do polímero termoplástico, e essa temperatura é geralmente significativamente mais alta do que as temperaturas de cura das resinas termocurá- veis. A operação envolve o uso de dispositivos tais como autoclaves, moldes e consumíveis, particularmente para alcançar a vedação, e seu custo é alto.

[003] Todos os dispositivos conhecidos na técnica, e, por exemplo, o dispositivo e o método descritos no documento EP-B-1 911 569, abordam o problema de consolidação, chamado de consolidação in situ, isto é, durante a deposição de fitas fibrosas impregnadas previamente com um polímero termoplástico, buscando por um método para aquecer e submeter a pressão o mais regularmente possível à fita sendo depositada e as folhas depositadas previa- mente. Assim, a fabricação de um componente em uma qualidade que seja livre de porosidades vale-se de aquecimento complexo e dispositivos de aplicação de pressão que tornam possível manter as camadas depositadas em temperatura suficiente e pressão por um tempo que seja suficiente para permitir a impregnação uniforme das folhas. Assim, os resultados são obtidos ao preço de dispositivos complexos e ao custo de eficiência. Mesmo com tal complexidade, esses métodos são, na prática, limitados em termos de espessuras máximas que podem ser assim depositadas e consolidados in situ e da experiência industrial do requerente mostra que não é possível, em condições de produção industrial, usar esses métodos para alcançar estratificações com mais de 8 folhas empilhadas que correspondem às exigências para partes estruturais de classe 2F no campo de aeronáutica.

[004] O documento “Manufacturing processes for advanced composites” Capítulo 10, Elsevier Advanced Technology de 1 de janeiro de 2004, confirma que esses métodos de consolidação in situ de uma estratificação de folhas impregnadas previamente com um polímero termoplástico não tornam possível alcançar, em condições industriais, taxas de consolidação acima de 90% e que uma etapa pós-consolidação é exigida, particularmente usando uma placa de compactação, após formação de drapejamento.

Sumário da Invenção

[005] A invenção tem como objetivo remediar as desvantagens da técnica anterior e para esse fim, ela descreve um método para revestir uma fita de fibras compreendendo um polímero termoplástico e para consolidação durante a deposição de um componente que é feito por revestimento dessa maneira, compreendendo as etapas de:a. consolidar previamente uma fita de fibras previamente impregnadas com o polímero termoplástico;b. armazenar esta fita previamente consolidada na forma de um semi- produto;c. revestir com o dito semi-produto uma folha da mesma natureza, anteriormente depositado sobre uma forma comprimindo esse semi-produto sobre a folha e aquecendo a interface entre o semi-produto e a folha anteriormente depositada a uma temperatura, T, capaz de produzir a soldadura do semi-produto sobre a folha.

[006] Assim, a consolidação prévia torna possível obter uma fita de fibras que seja livre de defeitos tais como porosidades, eliminando o ar bloqueado nas ditas fibras e em suas junções, e impregnar regularmente as fibras da dita fita, tornando ainda possível aumentar a superfície do polímero exposta à soldadura durante a operação de revestimento. Assim, o método da invenção não torna necessário fundir a totalidade do polímero incluído na fita consolidada previamente e do polímero incluído nas folhas depositadas anteriormente, mas meramente elevar a temperatura da interface entre as duas para uma temperatura que permita a soldadura na dita interface; essa temperatura é aproximadamente a temperatura de fusão do material e é menos restrita em termos de viscosidade do que a temperatura que permite a impregnação das fibras durante a consolidação. O termo soldadura significa a fusão das junções de ao menos uma camada de superfície de cada um dos elementos (fita e folha depositada previamente) montados dessa maneira. Em adição ao benefício de consolidação in situ, essas condições permitem a rápida deposição com simples dispositivos, permitindo a fabricação de formas complexas e/ou o uso de amplas fitas para obter taxas em massa de revestimento comparáveis com as obtidas com folhas impregnadas com resinas termocuráveis. Na ausência de consolidação em alta temperatura no fim do revestimento, os custos de moldes, instalação, e consumíveis são reduzidos.

[007] A invenção pode ser implementada de acordo com as modalidades vantajosas descritas abaixo, que pode ser considerada individualmente ou em qualquer combinação tecnicamente operativa.

[008] Vantajosamente, a etapa (a) é executada pela pultrusão de mechas previamente impregnadas com um polímero termoplástico através de uma matriz. Assim, o método de pultrusão permite a consolidação prévia dinâmica e rápida da fita de fibras impregnadas previamente e ainda permite o dimensionamento da espessura e da largura da fita. A passagem através de uma matriz torna assim possível pressionar as lascas de fitas impregnadas previamente e obter a distribuição regular de resina enquanto eliminando o ar incluído nas mechas.

[009] Vantajosamente, a etapa de consolidação prévia da etapa (a) é realizada a uma temperatura T1 superior à temperatura de fusão do polímero termoplástico. Assim, a fluidez do polímero permite a impregnação perfeita das fibras.

[010] Vantajosamente, o semi-produto é armazenado na etapa (b) na forma de um rolo capaz de ser instalado e desenrolado por uma máquina de revestir no decorrer da etapa (c). A fita polimérica é suficientemente fina para prestar-se a esse modo de empacotamento, que usa uma tendência natural da fita, particularmente na entrega a partir da pultrusão, de se enrolar no fim da consolidação dinâmica.

[011] Em uma modalidade particular, o polímero termoplástico é uma polieteretercetona (PEEK) e T1 = 400 °C e T é igual à temperatura de fusão cristalina do polímero. Assim, o método de acordo com a invenção torna possível criar, através de revestimento e consolidação in situ, componentes feitos de compósitos com reforço fibroso contínuo em tal matriz de alto desempenho sem exigir dispositivos, tais como um forno ou autoclave, capaz de consolidar a peça em alta temperatura.

Breve Descrição dos Desenhos

[012] A invenção descrita abaixo em suas modalidades preferenciais, que não são limitativas de qualquer forma, e por referência às FIGs. 1A e 1B, onde:

[013] A FIG. 1A é uma vista lateral de um diagrama principal da operação de consolidação prévia por pultrusão de uma fita fibrosa impregnada previamente com um polímero termoplástico de acordo com uma modalidade exemplificada do método de acordo com a invenção.

[014] A FIG. 1B é uma vista lateral de um diagrama principal do desempenho de uma operação de revestimento de acordo com uma modalidade exemplificada da invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

[015] Na FIG. 1A, durante uma primeira etapa do método de acordo com a invenção, mechas (110) constituídas de fibras, por exemplo, fibras de carbono, impregnadas previamente com um polímero termoplástico, por exemplo, polieteretercetona ou PEEK, são consolidadas previamente durante o processo dinâmico (120), por exemplo, pultrusão. Tal processo de pultrusão é conhecido na técnica e consiste, em uma modalidade exemplificada não ilustrativa, em elevar a temperatura das ditas mechas (110) impregnadas previamente através de embalagem por filme, revestimento com pó, ou misturadas com mechas de polímero a uma temperatura próxima da temperatura de fusão do dito polímero, por exemplo, quando as ditas mechas são passadas em um dispositivo de aquecimento por infravermelho (125). Se o polímero termoplástico é feito de PEEK, essa primeira operação de aquecimento eleva a temperatura das ditas mechas para uma temperatura na fita entre 300 °C e a temperatura de fusão cristalina do dito polímero, isto é, aproximadamente 360 °C dependendo do grau do PEEK usado. As mechas são então passadas através de uma primeira matriz (126) chamada de matriz a quente, elevadas para uma temperatura que é suficiente para a fluidez do polímero fundido impregnar as mechas regularmente. Para PEEK, essa temperatura T1 está na fita tipicamen- te entre a temperatura de fusão cristalina e 400 °C, de modo que T1 seja preferencialmente configurada para 400 °C. A dita matriz tem uma folga variável que torna possível formar gradualmente as mechas em uma rede impregnada com uma espessura e largura definidas, rede que é então introduzida em uma matriz de resfriamento e dimensionamento (127). A rede consolidada (115) na saída da matriz de dimensionamento é final (1 folha) e suficientemente flexível para ser enrolada em um rolo de armazenamento (130) com um diâmetro apropriado. A rede assim consolidada previamente é estável e pode ser armazenada indefinidamente em temperatura ambiente na forma de um semi- produto. Assim, o semi-produto (115) pode ser fabricado em produções muito grandes, usando métodos de fabricação contínuos em fábricas dedicadas ou unidades de produção, distantes e independentes das unidades de revestimento.

[016] Na FIG. 1B, o componente compósito é fabricado por revestimento, colocando o rolo do semi-produto (130) em uma máquina de revestimento. O revestimento é executado usando o molde (150) esculpido na forma do componente a produzir. Tal máquina de revestimento, capaz de implementar o dito semi-produto, é conhecida na técnica anterior e seu princípio de deposição foi descrito em um exemplo não limitativo no documento FR-A-2 950 285. Tal máquina de revestimento adaptada à implementação do método de acordo com a invenção compreende:- dispositivos para receber e gastar o rolo (130) de semi-produto (115);- dispositivos de pressão (160) capazes de aplicar pressão (165) no se- mi-produto (115) durante o revestimento;- dispositivos de aquecimento (170) capazes de aquecer a interface entre o semi-produto (115) sendo depositado e a folha (117) depositada anteriormente.

[017] Os dispositivos de aquecimento (170) são projetados para elevar a temperatura dessa interface para uma temperatura T, possibilitando a soldadura do semi-produto consolidado previamente na folha (117) já depositada, essa folha sendo consolidada previamente também. Essa temperatura está próxima da temperatura de fusão cristalina do polímero termoplástico, isto é, aproximadamente 360 °C para o PEEK dependendo do grau usado.

[018] A primeira folha consolidada previamente, depositada no molde pode, por exemplo, ser depositada da mesma forma que em um tecido removível, por exemplo, um tecido de vidro, tecido de vidro que pode ser mantido no molde por adesivos ou por um dispositivo a vácuo. As folhas são assim depositadas por revestimento de acordo com orientações definidas até que a estratificação desejada é obtida. A peça acabada pode então ser desmoldada e não exige uma consolidação subsequente. Assim, o molde (150) usado não exige resistência à alta temperatura, ou o gerenciamento de dilatação diferencial entre o molde e o componente durante a dita etapa de consolidação.

[019] A descrição e as modalidades exemplificadas acima mostram que a invenção alcança seus objetivos, em particular, torna possível fabricar uma peça acabada compreendendo um reforço fibroso contínuo em uma matriz termoplástica diretamente por revestimento.

Claims

1. Processo para o revestimento de uma fita (110) de fibras compreendendo um polímero termoplástico feito de polieteretercetona (PEEK) e consolidação após a deposição de uma peça de trabalho assim revestida, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende as etapas de:a. pré-aquecer a fita (110) de fibras pre-impregnadas com o polímero termoplástico, em que a fita pré-impregnada compreende fibras e um filme de PEEK calandrado sobre as fibras, a uma temperatura menor que 360 °C e pré- consolidando a fita pré-impregnada de fibras pela pultrusão e compressão de fios pré-impregnados com o polímero termoplástico através de uma matriz quente aquecida a uma temperatura de 400 °C;b. armazenar a fita pré-consolidada na forma de um rolo (130) de semi- produto (115);c. revestir, com uma máquina de revestimento de fita automática, o produto semi-acabado (115) em uma folha (117) de mesma natureza que é primeiramente depositada sobre uma forma (150), pressionando o dito produto semiacabado (115) e a folha primeiramente depositada a uma temperatura de 360 °C próxima a temperatura de fusão cristalina de PEEK e adequada para soldar somente uma camada de superfície do produto semi-acabado em uma camada de superfície da dita folha.