BR112014000545B1

BR112014000545B1 - método de fabricação de uma ferramenta de mandril de colocação

Info

Publication number: BR112014000545B1
Application number: BR112014000545-1A
Authority: BR
Inventors: Jeffrey L. Miller; Michael J. Louderback
Original assignee: The Boeing Company
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2020-12-29
Also published as: KR102030195B1; EP2731788A2; CN103974812A; JP2014527473A; WO2013009914A2; CA2838100C; US9421698B2; CN103974812B; WO2013009914A3; JP6025841B2; US20130014888A1; KR20140034196A; EP2731788B1; BR112014000545A2; ES2545694T3; CA2838100A1

Abstract

FERRAMENTA DE MANDRIL DE COLOCAÇÃO EM CAMADAS SEM PRINCIPAL. A presente invenção refere-se a uma ferramenta de mandril para colocação de material composto que compreende uma folha de face composta para fornecimento de uma superfície de colocação para o material composto, e uma estrutura de painel dianteiro celular para suportar a folha de face.

Description

Fundamentos

[0001] Os compostos incluindo dobras de fibras de reforço embutidas em uma matriz são altamente desejáveis por seu peso reduzido e alta resistência. Um exemplo de um composto é o plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP), onde os constituintes incluem fibras de carbono embutidas em uma matriz de epóxi.

[0002] A fabricação de uma parte composta envolve a deposição de fibras de reforço em uma superfície de ferramenta de uma ferramenta de mandril de colocação em camadas. As fibras podem ser pré- impregnadas com resina mediante a deposição ("pré-impregnação"), ou podem ser secas e subsequentemente infundidas com resina. As fibras infundidas com resina ou fibras pré-impregnadas são ensacadas e então curadas.

[0003] A fabricação rápida de partes compostas é desejável por uma ampla variedade de razões. A fabricação rápida pode ser utilizada para criar um protótipo de uma parte para uma aeronave, automóvel ou outra estrutura para fornecer uma determinação competitiva, estudo de troca ou mesmo modelo de trabalho. A fabricação rápida pode ser utilizada para reparar um produto tal como uma aeronave, automóvel, turbina eólica ou estrutura civil (por exemplo, um componente de ponte) e retornar rapidamente esse produto para o serviço útil.

Sumário

[0004] De acordo com uma modalidade apresentada aqui, uma ferramenta de mandril para colocação em camadas de material composto compreende uma folha de face composta para fornecimento de uma superfície de colocação em camadas para o material composto, e uma estrutura de painel dianteiro celular para suportar a folha de face.

[0005] De acordo com outra modalidade apresentada aqui, um método de fabricação de uma ferramenta de mandril de colocação em camadas compreende a criação de uma estrutura celular a partir de painéis dianteiros, preenchimento da estrutura celular com um material tipo espuma, usinagem da espuma e da estrutura celular para obtenção de uma superfície usinada, e colocação em camadas e cura de material composto na superfície usinada para formar uma folha de face.

[0006] De acordo com outra modalidade apresentada aqui, um método compreende o projeto de uma ferramenta de mandril para a colocação em camadas e cura de uma parte composta, incluindo a seleção de material, a espessura e rigidez dos painéis dianteiros para a ferramenta de mandril. O método compreende adicionalmente a fabricação de painéis dianteiros de acordo com o material selecionado, espessura e rigidez e montagem dos painéis dianteiros em uma estrutura celular; preenchimento de células da estrutura celular com um material tipo espuma; usinagem do material tipo espuma e estrutura celular para obtenção de uma superfície usinada; e colocação em camadas e cura do material composto na superfície usinada para formar uma folha de face.

Breve Descrição dos Desenhos

[0007] A figura 1 é um método de fabricação de uma ferramenta de mandril de colocação em camadas sem principal.

[0008] As figuras 2A a 2D são ilustrações de uma ferramenta de mandril de colocação em camadas sem principal durante os vários estágios de fabricação.

Descrição Detalhada

[0009] Moldes permanentes são tipicamente utilizados para a criação de quantidades de ferramentas de mandril de colocação em camadas de produção para a fabricação de partes compostas. Em contraste, uma ferramenta de mandril de colocação em camadas apresentada aqui não é formada com um molde permanente. Ao invés disso, uma ferramenta de colocação em camadas apresentada aqui não possui uma parte principal.

[00010] Referência é feita à figura 1, que ilustra um método de criação de uma ferramenta de mandril de colocação em camadas sem parte principal. No bloco 110, uma estrutura celular é fabricada de acordo com as dimensões de um desenho de parte. A estrutura celular fornece um lingote que englobará a ferramenta geral e incluirá o contorno aproximado e perfil para a parte. Para determinadas partes, tal como partes de aeronave, essa pode ser uma curvatura constante ou contorno composto complexo. A estrutura celular pode ser formada a partir de painéis dianteiros. O sistema de material, a densidade e a espessura dos painéis dianteiros podem ser personalizados para uma durabilidade desejada da ferramenta de mandril. Os sistemas de material podem incluir, sem limitação, epóxi e Bismaleimide (BMI). O painéis dianteiros podem ser cortados com um jato de água, roteador ou outra ferramenta. Podem ser amarrados juntos por união, fixação mecânica, ou ambos. Ângulos podem ser fixados para reforço adicional.

[00011] Referência adicional é feita à figura 2A, que ilustra uma estrutura celular em formato de "caixa de ovos" 112. A estrutura de caixa de ovos 112 é aberta em cima e em baixo.

[00012] No bloco 120, a estrutura celular 112 é preenchida com um material tipo espuma de expansão 122 (ver figura 2B). O material tipo espuma 122 mantém a estabilidade dimensional durante as condições de processamento tal como a colocação em camadas e cura. Por exemplo, o material tipo espuma 122 não deve degradar ou encolher ou expandir em temperaturas para infusão e cura de resina, ou cura pré- impregnada. O material tipo espuma 122 não deve degradar ou encolher ou expandir nessas temperaturas. De forma similar, o material tipo espuma 122 não deve distorcer sob pressão durante a infusão de resina ou pressão de autoclave de pré-impregnação de cura. As exigências de resistência à compressão e estabilidade dimensional devem ser mantidas de modo que uma folha de face, que é subsequentemente formada na estrutura celular 112, seja curada em uma posição previsível. Se a estabilidade dimensional do material tipo espuma 122 não for alcançada, o material adicional pode ser adicionado à folha de face. Isso é indesejável. Por exemplo, se a folha de face não estiver em sua localização desejada, algumas áreas da folha de face podem ter um corte inferior (nem limpas) e outras áreas podem ser recortadas (muito material removido).

[00013] Exemplos do material tipo espuma 122 incluem, mas não estão limitados a poliuretano, poli-isocianurato, espuma de carbono, cerâmica, e concreto aerado por autoclave. O material tipo espuma 12 pode estar na forma de blocos, ou pode ser despejado e curado, ou pode ser adicionado por alguma combinação dos mesmos. O material tipo espuma 122 pode ser vedado com materiais compatíveis (por exemplo, resina parente ou uma resina alternativa) para impedir que excesso de adesivo entre no material tipo espuma.

[00014] No bloco 130, o material tipo espuma 122 e os painéis dianteiros 114 são usinados para obter uma superfície desejada para a colocação em camadas de uma folha de face. Um exemplo da superfície usinada resultante 132 é ilustrado na figura 2C.

[00015] No bloco 140, a folha de face é formada na superfície usinada 132. Antes da formação da folha de face, no entanto, uma camada adesiva pode ser aplicada à superfície usinada 132 para auxiliar na união da folha de face para os painéis dianteiros 114 e para manter a resina impedindo que penetre o material tipo espuma 122. O adesivo é preferivelmente compatível com a resina parente e pode ser suportado ou não suportado.

[00016] A folha de face pode ser formada pela colocação de tecido incluindo as fibras de reforço na camada adesiva. As fibras podem ser secas ou podem ser pré-impregnadas. Se as fibras forem secas, as fibras secas são subsequentemente infundidas com resina. Essa resina foi referida como uma resina "parente". As fibras infundidas com resina ou pré-impregnadas são então ensacadas e curadas. A folha de face pode ser amarrada aos painéis dianteiros pela combinação de união e fixação mecânica. A fixação mecânica pode ser realizada com prendedores ou suportes.

[00017] No bloco 150, o material tipo espuma 122 pode ser removido da estrutura celular 112. Para fibras infundidas em resina, o material tipo espuma 122 pode ser removido depois da infusão com resina, mas antes da cura. Para pré-impregnações, o material tipo espuma 122 pode ser removido após a cura. Em algumas modalidades, o material tipo espuma 122 pode ser escavado e removido do lado posterior da estrutura celular 112. Em outras modalidades, o material tipo espuma 122 pode ser removido intacto como blocos.

[00018] Em algumas modalidades, o material tipo espuma 122 pode ser removido completamente da estrutura celular 112. Em outras modalidades, onde a ferramenta de mandril de colocação em camadas possui um perfil baixo, o material tipo espuma 122 pode ser deixado na estrutura celular 112, desde que não afete a qualidade da parte.

[00019] O material tipo espuma 122 pode ser removido para garantir que as exigências térmicas sejam correspondidas durante a cura (por exemplo, para se garantir que o calor seja transferido através do lado posterior da ferramenta). O material tipo espuma 122 é um isolante que pode isolar o lado posterior da ferramenta de uma fonte de calor, interferindo, assim, com as temperaturas necessárias em momentos necessários como determinado pelas exigências do perfil de cura. Para ferramentas possuindo painéis dianteiros mais curtos, o material tipo espuma pode ter um impacto térmico menor e, consequentemente, pode ser deixado no lugar.

[00020] Se blocos de material tipo espuma 122 forem removidos intactos, os blocos podem ser reutilizados. A reutilização dos blocos pode reduzir os custos futuros e aumentar a velocidade de fabricação. Para permitir a remoção intacta, etapas são realizadas antes da fundição do material tipo espuma 122 na estrutura celular 112. Por exemplo, as paredes dos painéis dianteiros 114 podem ser alinhadas com folhas deslizantes (folhas feitas de materiais tipo náilon Teflon, fluoroelastômero), ou podem ser alinhadas com filmes de liberação, ou outro material que reduza a união ou coeficiente de fricção entre o material tipo espuma 122 e os painéis dianteiros 114. Adicionalmente, ângulos de mudança na estrutura celular 112 podem facilitar a remoção visto que um ângulo pode aperfeiçoar a facilidade pela qual o material tipo espuma 122 é puxado para fora.

[00021] No bloco 160, a superfície exposta da folha de face é usinada e lixada e trabalhada na bancada (benched) em um perfil final. A usinagem final garante tolerâncias que são normalmente difíceis de obter com fundições de ferramenta principal típicas. A espessura final da folha de face é uma função da durabilidade da ferramenta e cargas de tensão impressas à ferramenta. Se uma espessura final mínima de 0,53 cm. garante a durabilidade, então uma espessura inicial (por exemplo, 2,54 cm) é dimensionada de acordo para permitir a usinagem para essa espessura final. A usinagem pode ser realizada em um esmeril. O lixar pode imprimir um acabamento de superfície de aeroqualidade à superfície de linha de molde.

[00022] A superfície de folha de face usinada pode formar uma superfície de linha de molde interna ou externa da parte, dependendo da aplicação pretendida da parte composta. Lados da ferramenta da parte composta possuem tipicamente um acabamento de superfície melhor do que os lados de saco do painel a menos de uma folha membrana (caul sheet)seja utilizada para criar um melhor acabamento de superfície no lado de saco da parte.

[00023] No bloco 170, a superfície de folha de face usinada pode então ser limpa, vedada e revestida para ser liberada. A vedação preenche quaisquer espaços vazios pequenos, e o revestimento de liberação fornece um tratamento não aderente de modo que a parte curada possa ser removida da ferramenta sem união.

[00024] Referência adicional é feita à figura 2D, que ilustra um exemplo de uma ferramenta de mandril de colocação em camadas incluindo uma folha de face usinada 142. A folha de face 142 é unida aos painéis dianteiros 114. Os painéis dianteiros 114 fornecem um reforço integrado à folha de face 142, permitindo a fixação à subestrutura para ferramentas de alto perfil, e fornecem um sistema de nivelamento básico para ferramentas de baixo perfil (uso como está). O reforço integral é valioso para folhas de face maiores 142, que se tornam mais "finas"à medida que a área da folha de face se torna maior. O reforço integral também aumenta a rigidez da folha de face 142.

[00025] No bloco 180, a ferramenta de mandril de colocação em camadas está pronta para uso. Em algumas modalidades, a ferramenta sozinha pode ser utilizada para fabricar partes compostas.

[00026] Em outras modalidades, a ferramenta de mandril pode ser uma seção de um sistema de ferramenta de mandril maior. O sistema de ferramenta de mandril pode ser formado pela montagem de uma pluralidade de seções. Um plano de vedação a vácuo pode ser utilizado entre seções para garantir a integridade do vácuo através de todo o sistema de ferramenta de mandril. Se uma seção precisar ser transportada do local de fabricação para um local de colocação, a mesma pode ser vantajosamente montada em seções no local de colocação para evitar o custo e os retardos do transporte de carga de tamanho excessivo.

[00027] Uma ferramenta de alto perfil (geralmente superior a aproximadamente 60,96 cm de altura) pode utilizar uma subestrutura para reduzir a altura dos painéis dianteiros, e o volume de material tipo espuma. A subestrutura pode suportar a ferramenta acima de um piso ou um carrinho sem sacrificar a rigidez da ferramenta. Em contraste, uma ferramenta de baixo perfil pode ser utilizada "como está"com painéis dianteiros relativamente curtos para produção de painel sem a necessidade de qualquer subestrutura tradicional para suportar a ferramenta do piso ou um carrinho.

[00028] Dessa forma, é descrito um método de fabricação de uma ferramenta de mandril de colocação rápida. Pela alteração simples de poucos parâmetros (densidade e espessura de painel dianteiro, espessura de folha de face e sistema de material), a mesma arquitetura pode ser utilizada para construir ferramentas de mandril de colocação em camadas para diferentes finalidades. Algumas ferramentas podem ser utilizadas para fabricar partes de substituição personalizadas. Outras ferramentas podem ser utilizadas para fabricar partes para protótipos de uso limitado. Ainda outras ferramentas podem ser utilizadas para múltiplas bateladas de produção.

[00029] A durabilidade da ferramenta sem parte principal pode ser aumentada de modo que possa ser utilizada para uma "produção"mais cara ou partes de produção maiores. A durabilidade pode ser aumentada pelo aumento da espessura da folha de face, aumentando a rigidez e espessura dos painéis dianteiros. A rigidez do painel dianteiro pode ser aumentada pela redução do espaçamento entre os painéis dianteiros. A durabilidade também pode ser aumentada pela seleção de um material mais durável para os painéis dianteiros. Por exemplo, BMI é mais durável do que epóxi. Os materiais de epóxi são preferidos para ciclos de produção de até 250F e até acima de 100 ciclos e até 10 rodadas para 350F. Um material tal como BMI é preferido para exigências de ciclo superiores a 350F e 10 rodadas.

[00030] O aumento de qualquer um ou todos esses parâmetros aumentará o custo da ferramenta sem parte principal, mas fornecerá uma ferramenta sem parte principal que pode ser utilizada para mais ciclos de cura ou rodadas. As partes possuindo ciclos de produção limitados podem utilizar menos material de amarração (por exemplo, 50% ou menos), e maior espaçamento dos painéis dianteiros. Ferramentas mais duráveis podem ter 100% de fixação, para ambos o painel dianteiro ao painel dianteiro, e também de folha de face ao painel dianteiro.

[00031] Em algumas modalidades, uma ferramenta sem parte principal apresentada aqui pode ser utilizada como uma parte principal para fabricação de ferramentas de produção. Pelo ajuste de determinados parâmetros, as partes principais podem ser feitas como uma alternativa a invar convencional, aço, etc. (as partes principais podem ser utilizadas para produzir ferramentas compostas padrão). Uma parte principal apresentada aqui pode ser produzida em um tempo significativamente mais curto do que uma ferramenta de aço ou invar (por exemplo, 50% mais curto). Isso reduzirá de forma significativa os tempos para ferramentas compostas convencionais mais finais exigindo partes principais.

[00032] Uma ferramenta de mandril de colocação sem parte principal apresentada aqui não está limitada a qualquer tipo em particular de parte. Exemplos de partes compostas incluem, sem limitação, painéis de aba, painéis de porta de compartimento de carga, capôs de automóveis e painéis, capôs e painéis de caminhão, painéis para um tanque composto, e cúpulas compostas. Algumas dessas partes podem ter superfícies contornadas complexas.

Claims

1. Método de fabricação de uma ferramenta de mandril de colocação, o método caracterizado pelo fato de que compreende: criar (110) uma estrutura celular (112) a partir dos painéis dianteiros (114), que definem um arranjo de células abertas (116); preencher (120) a estrutura celular (112) com um material tipo espuma (112); usinar (130) a espuma (122) e da estrutura celular (112) para obtenção de uma superfície usinada (132); e colocar e curar o material composto na superfície usinada (132) para formar (140) uma folha de face (140).

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda usinar (160) uma superfície exposta da folha de face (142).

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende ainda limpar, vedar e revestir liberando (170) a superfície de folha de face usinada (142).

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que compreende ainda remover (150) do material tipo espuma (122) após a cura da folha de face (142).

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que os painéis dianteiros (114) são feitos de uma resina epóxi e possuem uma espessura e rigidez adequadas para os protótipos.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que os painéis dianteiros (114) são feitos de Bismaleimide (BMI) e possuem uma espessura e rigidez adequadas para as rodadas de alta produção e partes principais.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o material, a rigidez e a espessura dos painéis dianteiros (114) são selecionados de acordo com a durabilidade desejada.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a folha de face (142) fornece uma superfície de colocação para uma parte de reparo possuindo uma superfície de contorno complexa..