BR112014020667B1

BR112014020667B1 - processo de moldagem por comprenssão com calor para a fabricação de artigos de materiais compósitos

Info

Publication number: BR112014020667B1
Application number: BR112014020667-8A
Authority: BR
Inventors: Attilio Masin
Original assignee: Automobili Lamborghini S.P.A.
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2013-02-11
Publication date: 2020-10-13
Also published as: CN108995249A; RU2607583C2; US20140378582A1; JP6100285B2; US9180627B2; JP2015515390A; EP2819835A1; CN104136203A; RU2014138919A; WO2013128312A1; HK1200766A1; EP2819835B1; SA113340334B1; ES2748837T3

Abstract

PROCESSO PARA FABRICAÇÃO DE ARTIGOS EM FIBRA DE CARBONO E ARTIGO FABRICADO COM ESSE PROCESSO. A presente invenção refere-se a processo de moldagem por compressão de calor para fabricação de artigos de materiais compósitos, compreendendo as etapas de: fornecer um molde (20) em que a forma negativa (31, 32) de um artigo (30) é formada; inserir no referido molde (20) um produto semiacabado de SMC (10), compreendendo uma ou mais folhas de material compósito, uma matriz de uma resina de endurecimento pelo calor e fibras de carbono, o molde sendo preaquecido a temperatura adequada para permitir a cura da resina; fechar o molde (20) e realizar um ciclo de compressão em uma autoclave pressão predefinida; e extrair o artigo (30), em que a quantidade de produto semiacabado de SMS (10) introduzido no molde (20) é calculada por pesagem com base no volume do artigo (30) a ser fabricado. O tamanho das superfícies do produto semiacabado de SMC (10) destinadas a contatar as superfícies da forma (31, 32) são calculadas de modo a cobrir as referidas superfícies em uma percentagem compreendida entre 70 a 99%, em particular superior a 80% e inferior ou igual a 99%.

Description

[001] A presente invenção refere-se ao campo da fabricação de artigos em materiais compósitos. Mais particularmente, a invenção re- fere-se a um processo de moldagem por compressão com calor para a fabricação de artigos em materiais compósitos, que compreendem fibras de carbono e um artigo fabricado com esse processo.

[002] Os processos conhecidos para a fabricação de artigos de materiais compósitos usam a tecnologia de moldagem por compressão com calor, em que as quantidades medidas de materiais que compreendem uma matriz de endurecimento pelo calor, reforçada com fibras de materiais rígidos são inseridas em moldes feitos de aço ou de alumínio adequados para conferir uma forma predeterminada ao artigo.

[003] Os processos conhecidos para a fabricação de artigos de materiais compósitos usam a tecnologia de moldagem por compressão com calor, em que as quantidades medidas de materiais que compreendem uma matriz de endurecimento pelo calor, reforçada com fibras de materiais rígidos são inseridas em moldes feitos de aço ou de alumínio adequados para conferir uma forma predeterminada ao artigo. Esta tecnologia, criada para moldar artigos reforçados com fibras de vidro, mas hoje em dia cada vez mais usada também para os artigos reforçados com fibras de carbono, permite a obtenção de componentes caracterizados por um baixo peso e excelentes propriedades mecânicas, bem como boas tolerâncias dimensionais.

[004] A tecnologia de moldagem por compressão com calor é muito adequada para a fabricação de artigos substancialmente livres de detalhes rebaixados, obtidos com moldes constituídos por duas partes sobrepostas no interior das quais a forma do artigo é formada em negativo e em duas porções.

[005] Em um processo típico de moldagem por compressão com calor de artigos de material compósito à base de fibras de carbono, produtos semiacabados feitos de resinas com endurecimento pelo calor e fibras de carbono são utilizados. Esses produtos semiacabados, fabricados em processos separados do processo de moldagem por compressão, estão na forma de folhas pré-impregnadas conhecidas na indústria com a sigla em Inglês "SMC" (Sheet Molding Compound).

[006] Os produtos semiacabados de SMC, geralmente, compreendem uma pluralidade de folhas pré-impregnadas sobrepostas de modo a formar um único bloco. Antes de serem carregados para dentro do molde, produtos semiacabados de SMC podem ser, vantajosamente, submetidos a um tratamento de aquecimento, por exemplo, por meio de raios infravermelhos, o que facilita a sua disposição no molde e permite reduzir o tempo de cura da resina de endurecimento pelo calor.

[007] A fim de controlar recursos, tais como o encolhimento dimensional durante a fase de reticulação a quente, o acabamento superficial, a facilidade de separação dos moldes e do comportamento ao fogo, as resinas de endurecimento pelo calor, normalmente, são carregadas com cargas minerais, lubrificantes, agentes de liberação, retardadores de chama e semelhantes. Carbonato de cálcio, caulim, estearatos, óxidos e hidratos de cálcio, magnésio, alumínio são alguns dos aditivos mais utilizados.

[008] Graças aos baixos pesos e às características mecânicas elevadas, os artigos em materiais compósitos com fibras de carbono, feitos com a tecnologia de moldagem por compressão com calor a partir de produtos semiacabados de SMC, tém sido utilizados por alguns anos na indústria automobilística para a produção de componentes estruturais, tais como, por exemplo, suportes para lâmpadas, molduras de para-brisas e elementos de apoio de peças de carroçaria.

[009] No entanto, esses artigos, em geral, não são utilizados para a fabricação de elementos estéticos de um veículo, tais como, por exemplo, peças de carroçaria e detalhes do compartimento dos passageiros, devido ao seu acabamento de superfície bastante grosseiro. Em particular, um artigo de material compósito feito a partir de produtos semiacabados de SMC tem defeitos na superfície, tais como, por exemplo, porosidade e ondulações, que são ainda visíveis a olho nu e que, por conseguinte, apesar das excelentes características mecânicas, o tornam inadequado para uma utilização também ou exclusivamente estética.

[0010] A US 4855097 descreve um método para fazer um painel exterior de carroçaria de automóvel através de moldagem por compressão em que uma carga contendo uma resina curável cobre de 40% a 80% da área de superfície da superfície de moldagem. De acordo com esse documento conhecido coberturas superiores a 80% não permitem o fluxo de carga suficiente, necessário para proporcionar um ligeiro movimento das mesmas.

[0011] O objetivo da presente invenção é, portanto, proporcionar um processo para a fabricação de artigos em materiais compósitos, compreendendo fibras de carbono, que são livres das referidas desvantagens, assim como um artigo fabricado com esse processo. O referido objetivo é alcançado com um processo e um artigo cujas principais características estão especificadas nas reivindicações 1 e 13, respectivamente, enquanto que outras características são especificadas nas reivindicações restantes.

[0012] Para se obter um artigo livre de defeitos de superfície, de acordo com a invenção, o carregamento do produto semiacabado de SMC no molde é feito por meio do cálculo, tanto do peso adequado para permitir o enchimento completo da forma que corresponde à forma do artigo, quanto do desenvolvimento da superfície da forma for- mada dentro do molde e tendo a certeza de que as superficies do produto semiacabado cobrem as superfícies da forma em uma percentagem compreendida entre 70 e 99%, em particular superior a 80% e inferior ou igual a 99%. Graças a essas características, é possível minimizar o deslizamento do material compósito dentro do molde e, portanto, das fibras de carbono, o que reduz, significativamente, a formação de defeitos de superfície, em particular, porosidade e ondulações. Por conseguinte, os artigos feitos de acordo com o processo da invenção são adequados tanto para fins estéticos quanto estruturais, como, por exemplo, para a fabricação de componentes de carroçaria para veículos motorizados e/ou elementos de cobertura para os compartimentos de passageiros, indicações que não foram até agora alcançáveis com os processos de moldagem por compressão com calor conhecidas de artigos SMC.

[0013] De acordo com uma modalidade preferida, o processo da invenção compreende uma etapa de adição de pelo menos uma camada de um tecido de pré-impregnado com fibras de carbono unidire- cionais, etapa em que a referida pelo menos uma camada é colocada em contato com uma ou ambas as superfícies do produto semiacabado de SMC que se destinam a entrar em contato com as superfícies da forma do artigo formado no molde.

[0014] Para facilitar a evacuação de ar e quaisquer outras substâncias voláteis presas entre o produto semiacabado do SMC e as uma ou mais camadas de tecido pré-impregnadas, sobrepostas ao mesmo, é vantajoso a produção de cortes nas fibras unidirecionais. Isto faz com que seja possível evitar a formação de bolhas e, assim, melhorar o acabamento da superfície do artigo.

[0015] Para não enfraquecer a camada de tecido pré-impregnado de fibras unidirecionais, de preferência, os cortes são inclinados com relação à direção da fibra e desalinhados uns com os outros na mes- ma direção. Além disso, os cortes têm um comprimento predeterminado e distância relativa.

[0016] Como uma alternativa para a camada de tecido pré- impregnado de fibras de carbono unidirecionais, é possível utilizar uma folha de tecido não trançado feita de fibra de carbono, fibra de vidro ou material acrílico que, como no caso anterior, pode ser disposta em contato com uma ou ambas as superfícies do produto semiacabado de SMC destinado a entrar em contato com as superfícies da forma formada no molde.

[0017] A utilização de uma ou mais camadas de tecido pré- impregnado de fibras unidirecionais ou de uma ou mais folhas de um tecido não tecido de carbono é vantajosa uma vez que permite melhorar ainda mais o acabamento da superfície, obtendo-se, assim, um produto essencialmente isento de defeitos superficiais. Na verdade, essas camadas ou folhas têm características de acabamento de su-perfície ainda maiores do que as dos produtos semiacabado de SMC.

[0018] Também é possível proporcionar o uso combinado de pelo menos uma camada de um tecido pré-impregnado de fibras de carbono unidirecionais e, pelo menos, uma folha de tecido não trançado de carbono.

[0019] Outra vantagem oferecida pela invenção é que o processo de moldagem por compressão com calor não provoca um aumento dos custos em comparação com um processo de moldagem por compressão com calor do tipo tradicional.

[0020] Outras vantagens e características do processo de fabricação de material compósito, compreendendo fibras de carbono, de acordo com a presente invenção, serão evidentes para os versados na técnica a partir da descrição detalhada seguinte e não limitativa de uma modalidade da mesma com referência aos desenhos anexos, em que:

[0021] As Figuras 1 a 3 mostram esquematicamente as principais etapas de um processo de moldagem por compressão com calor de um artigo feito de material compósito de acordo com a invenção; e

[0022] A Figura 4 é um diagrama que mostra o progresso no tempo da pressão durante o processo de moldagem de acordo com a invenção.

[0023] As Figuras 1 a 3 mostram esquematicamente as principais etapas de um processo de moldagem por compressão com calor de um artigo feito de material compósito de acordo com a invenção. Um produto semiacabado de SMC 10, compreendendo uma ou mais folhas de material compósito, compreendendo uma matriz de resina de endurecimento por calor e de fibras de carbono, é introduzido dentro de um molde 20 em que a forma de um artigo 30 a ser fabricado na forma em negativo. Como é conhecido, a forma do artigo é dividida em duas porções ao longo de um plano de abertura P de molde a permitir a inserção do produto semiacabado de SMC e a extração do artigo acabado. As superfícies que formam a forma em negativo do artigo 30 são indicadas com os números de referência 31, 32, e são formadas em uma primeira porção 21 e uma segunda porção 22, respectivamente, do molde 20.

[0024] A resina de endurecimento por calor utilizado no produto semiacabado de SMC é, de preferência, selecionada do grupo que compreende resinas de éster vinílico, fenólicas, epóxi, poliéster, poliamida, resinas de ciano-éster ou suas combinações.

[0025] O carbono utilizado está na forma de filamentos de comprimento compreendido entre 5 e 200 mm, de preferência, igual a 1 polegada (25,4 mm). Cada filamento de carbono é composto por um número de fibras de carbono compreendido entre 3.000 e 24.000 fibras, de preferência, igual a cerca de 12.000 fibras. A quantidade de fibras de carbono varia entre 25% a 75% em peso da resina de endu- recimento por calor e é, de preferência, igual a 50% em peso

[0026] Para se obter um artigo, o molde 20 é pré-aquecido a uma temperatura adequada para permitir a reticulação da resina de endurecimento por calor, que constitui a matriz do produto semiacabado de SMC. No caso das resinas de endurecimento pelo calor acima mencionadas, esta temperatura está, por exemplo, compreendida entre 120 e 150°C e, de preferência, igual a 130°C.

[0027] A quantidade de produto semiacabado de SMC introduzida no molde é calculada através de pesagem com base no volume do artigo a ser fabricado.

[0028] De acordo com a presente invenção, em adição ao cálculo do peso do produto semiacabado de SMC, as dimensões das superfícies do produto semiacabado de SMC destinadas a entrar em contato com as superfícies 31, 32 da forma formada no molde 20 são calculados de maneira a cobrir essas superfícies em uma percentagem compreendida entre 70 e 99%, em particular superior a 80% e inferior ou igual a 99%. Graças a estas características, o deslizamento do materi-al durante a fase de fechamento do molde e as fases subsequentes de compressão é extremamente limitado, o que permite manter substancialmente inalterado o arranjo isotrópico das fibras do produto semiacabado de SMC. O artigo 30, resultante do processo de moldagem de acordo com a invenção, por conseguinte, será caracterizado por um acabamento de superfície substancialmente isento de defeitos.

[0029] No cálculo da superfície de cobertura, todo o desenvolvimento das superfícies 31, 32 da forma é considerado, incluindo porções planas, saliências e depressões, não a área frontal, resultante, por exemplo, no plano de abertura P do molde. No entanto, foi verificado experimentalmente que, no cálculo da superfície de cobertura, é possível ignorar detalhes com espessura fina, tais como as nervuras.

[0030] Deve ser compreendido que, durante o processo de molda- gem, haverá um maior deslizamento do material em percentagens inferiores de cobertura, ou seja, perto de 70%, e um deslizamento substancialmente zero para as percentagens mais elevadas de cobertura, ou seja, perto de 99%. Através de testes experimentais foi verificado que as percentagens mais baixas de cobertura são mais adequadas para artigos que têm espessuras da ordem de 2 mm, em que o desli-zamento do material é, em qualquer caso, muito limitado, enquanto que percentagens mais elevadas de cobertura são mais adequadas para artigos tendo espessuras na ordem de 4 mm, em que, antes, há um maior deslizamento do material durante o processo de moldagem.

[0031] De acordo com uma modalidade preferida da invenção, o processo pode incluir uma etapa de adição de uma ou mais camadas de um tecido pré-impregnado de fibras de carbono unidirecionais, dispostas em contato com uma ou ambas as superfícies do produto semi- fabricado 10 destinado a entrar em contato com as superfícies 31, 32 da forma a, assim, destina-se a formar as superfícies exteriores do artigo.

[0032] O material pré-impregnado que é utilizado pode, por exemplo, compreender uma matriz de resina de endurecimento por calor, por exemplo, epóxi, em que uma pluralidade de fibras de carbono dispostas em paralelo são imersas. A utilização de uma ou mais camadas adicionais que compreendem fibras de carbono unidirecionais permite melhorar ainda mais o acabamento da superfície, obtendo-se, assim, um produto essencialmente isento de defeitos superficiais.

[0033] A sobreposição de uma ou mais camadas de tecido pré- impregnado com fibras de carbono unidirecionais também permite, vantajosamente, melhorar as características mecânicas do artigo, por exemplo, sendo capaz de escolher uma orientação das fibras de acordo com a direção das cargas que vão forçá-lo em operação. Este recurso é muito importante na fabricação de artigos destinados a uma utilização tanto estética quanto estrutural.

[0034] O material usado nesta etapa pode ser, por exemplo, um tecido pré-impregnado de fibras unidirecionais com um teor de carbono compreendido entre 20 e 140 g/m2 de preferência, igual a cerca de 40 g/m 2

[0035] Para facilitar a evacuação de ar e outras substâncias voláteis presas entre as camadas, de modo a evitar a formação de bolhas e melhorar o acabamento da superfície, é vantajoso fazer cortes nas fibras unidirecionais.

[0036] Os cortes são, de preferência, inclinados em relação à direção da fibra e dispostos de modo que os cortes consecutivos em tal direção são parcialmente desalinhados uns com os outros, ou seja, envolvendo, apenas em parte, as mesmas fibras.

[0037] Em particular, o ângulo de inclinação dos cortes em comparação com as fibras está entre 30 ° e 60 °, por exemplo, 45 °, e os cortes consecutivos no sentido das fibras de carbono têm em comum no máximo 50% das fibras. Estas características permitem a eliminação do ar e outras substâncias voláteis, sem enfraquecer a camada de tecido pré-impregnado de fibras unidirecionais.

[0038] Além disso, sempre com o objetivo de permitir a remoção de ar e outras substâncias voláteis, sem enfraquecer a camada de tecido pré-impregnado de fibra unidirecional, os cortes têm um comprimento compreendido entre 1 e 20 mm, por exemplo, 5 mm, e estão afastados uns dos outros por um intervalo de entre 5 e 100 mm, por exemplo, 50 mm.

[0039] Como uma alternativa ao tecido pré-impregnado de fibras de carbono unidirecionais, é possível utilizar uma ou mais folhas de carbono não trançado, fibra de vidro ou tecido acrílico, os quais, como no caso anterior, podem ser dispostas em contato com uma ou ambas as superfícies do produto semiacabado de SMC destinado a entrar em contato com as formas dianteira e traseira. O material utilizado pode ter um teor de carbono compreendido entre 40 e 200 g/m2’, de preferência, igual a cerca de 100 g/m2

[0040] As Figuras 1 a 3 mostram, por exemplo, uma única camada 40 de um tecido pré-impregnado disposto na superfície do produto semiacabado de SMC destinado a entrar em contato com a superfície 31 da forma formada no molde 20.

[0041] Também é possível proporcionar o uso combinado de pelo menos uma camada de um tecido pré-impregnado de fibras de carbono unidirecionais e, pelo menos, uma folha de tecido não trançado de carbono, fibra de vidro ou material acrílico, em uma ou ambas as superfícies do produto semiacabado de SMC destinado a entrar em contato com as formas dianteira e traseira. Neste caso, graças às características estéticas melhoradas, as camadas de tecido não trançado são, de preferência, dispostas em contato com as superfícies 31, 32 da forma e, por conseguinte, destinadas a constituir as superfícies exteriores do artigo.

[0042] O carregamento do produto semiacabado de SMC 10 no molde 20 é realizado à pressão atmosférica e requer um período de tempo compreendido entre 10 e 60 segundos. O molde 20, pré-aque- cido a uma temperatura entre 120 e 150°C, é, então, fechado através do início de um ciclo de compressão em autoclave de acordo com uma lei do tempo - pressão predeterminada.

[0043] Com referência ao diagrama da Figura 4, a pressão é aumentada, por exemplo, de acordo com uma lei linear, para um valor compreendido entre 1,5 e 2,5 MPa (15 e 25 bar), de preferência, igual a cerca de 18 bar, num tempo igual a cerca de 30 segundos. Esta condição de pressão é mantida durante um tempo compreendido entre cerca de 10 e 20 segundos, por exemplo, 15 segundos, após o que a pressão aumenta rapidamente para valores entre 7,0 e 9,0 MPa (70 e 90 bar), por exemplo, 8,0 MPa (80 bar). Também, nesse caso, o aumento da pressão pode seguir uma lei linear.

[0044] O artigo é, então, mantido nessas condições de pressão e temperatura por cerca de 300 segundos, após o que a pressão é reduzida para valores ambientais, o molde 20 é aberto e o artigo 30 é extraído, sendo resfriado em formas especiais adequadas para impedir a deformação e, finalmente, submetido a trabalhos de acabamento, tais como, por exemplo, a remoção das rebarbas de moldagem.

[0045] As modalidades da invenção aqui descritas e ilustradas são apenas exemplos susceptíveis de numerosas variantes. Por exemplo, sempre com o objetivo de minimizar os deslocamentos das fibras de carbono e, mais geralmente, os fluxos de material no interior do molde, na fabricação de peças fortemente assimétricas com a mesma percentagem de cobertura, é possível proporcionar uma etapa de moldagem do produto semiacabado de SMC de acordo com a forma planado artigo a ser fabricado.

Claims

1. Processo de moldagem por compressão com calor para a fabricação de artigos de materiais compósitos, o referido processo compreendendo as etapas de: i) fornecimento de um molde (20) em que a forma negativa (31,32) de um artigo (30) a é fabricado é formada; ii) inserção no referido molde (20) de um produto semiacabado de SMC (10) que compreende uma ou mais folhas de material compósito compreendendo uma matriz de uma resina de endurecimento por calor e fibras de carbono, o molde sendo pré-aquecido a uma temperatura adequada para permitir a cura da referida resina de endurecimento por calor; iii) fechamento do molde (20) e realização de um ciclo de compressão em autoclave de acordo com uma lei de tempo - pressão predefinida; e iv) extração do artigo (30), em que a quantidade de produto semiacabado de SMC (10) inserido no molde (20) é calculada por pesagem com base no volume do artigo (30) a é fabricado, caracterizado pelo fato de que o tamanho das superfícies de produto semiacabado de SMC (10) destinadas a contatar as superfícies da forma (31, 32) é calculado de modo a cobrir a referida superfície em uma percentagem superior a 80% e inferior ou igual a 99% de todo o desenvolvimento das superfícies da forma (31,32).

2. Processo de moldagem, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a resina de endurecimento por calor, formando o produto semiacabado de SMC, de preferência, é escolhida no grupo que compreende resinas de éster vinílico, fenólicas, de epóxi, poliéster, poliamida, resinas de ciano- éster ou suas combinações.

3. Processo de moldagem, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o carbono é usado na forma de filamentos tendo um comprimento compreendido entre 5 e 200 mm, cada filamento sendo feito de um número de fibras de carbono compreendido entre 3000 e 24000.

4. Processo de moldagem, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a quantidade de fibras de carbono varia entre 25% a 75% em peso da resina de endurecimento por calor.

5. Processo de moldagem, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma etapa de adição de uma ou mais camadas (40) de um tecido pré-impregnado com fibras de carbono unidirecionais e/ou uma ou mais folhas de um tecido de carbono não trançado, as referidas camadas e/ou folhas sendo colocadas em contato com uma ou ambas as superfícies do produto semiacabado de SMC (10) destinadas a contatar as superfí-cies (31, 32) da forma formada no molde (20).

6. Processo de moldagem, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o referido material pré-impregnado compreende uma matriz de resina de endurecimento por calor, em que uma pluralidade de fibras de carbono dispostas paralelamente umas às outras estão imersas.

7. Processo de moldagem, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o tecido pré-impregnado tem um teor de carbono compreendido entre 20 e 140 g/m2

8. Processo de moldagem, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, caracterizado pelo fato de que o referido tecido não tecido tem um teor de carbono compreendido entre 40 e 200 g/m 2

9. Processo de moldagem, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma etapa de corte da referida uma ou mais camadas de tecido pré-impregnado com fibras de carbono unidirecionais.

10. Processo de moldagem, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que os ditos cortes são inclinados em relação à direção das fibras de carbono por um ângulo compreendido entre 30 ° e 60 ° e pelo fato de os cortes posteriores ao longo da direção das fibras de carbono serem parcialmente desalinhados e dispostos de modo a partilhar um máximo de 50% das fibras.

11. Processo de moldagem, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que os cortes têm um comprimento compreendido entre 1 e 20 mm e a sua distância relativa estar compreendida entre 5 e 100 mm.